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车削中心断续切削工艺研究 摘要 本文主要研究了s t a r - 2 1 c ( p ) 柔性数控车削中心对于盘类调制钢零件的断 续切削工艺，主要从以下几个方面展开： 1 针对制动盘的特点，制订了合适的工艺流程。针对调质2 c r l 3 不锈钢的 物理、化学性能，选择了合适的刀具材料，并分析了适合此类切削的刀具角度。 2 分析了不同刀具角度和切削参数对刀具静力、应力及应变的影响，得出 静应力不是刀具破损的主要原因。分析了刀具磨损的原因及过程，探讨了减小 刀具磨损的方法，认为降低切削速度、使用冷却液、前刀面开合适的槽型可以 有效的降低磨损失效。 3 根据铣削的切入方式模型研究了车削切入方式模型，并推导了车削九种 切入类型的判别公式、切入过渡路径及冲击系数，通过计算得出从切入面端点 切入的冲击系数最小。用微分的方法分析了各种切入方式的冲击系数的变化， 得出s 型、t 型、v 型是较好的切入方式。 4 用有限元的方法分析了刀具切入瞬间的应力变化，得出断续切削中频繁 的应力变化是导致刀具疲劳破损的重要原因。分析了切出过程的刀具负剪切及 f 型切屑的产生机理，通过采取适当的切出方式可以减小切出力矩，从而有效 的防止负剪切。简要分析了刀具热破损的机理与预防措施。最后进行了实验方 案的分析与探讨。 关键词：2 c r l 3 调质钢；断续车削；刀具磨损；切入方式；冲击系数； s t u d yo ni n t e r r u p t i o nt u r n i n gt e c h n i q u eo fc n ct u r n i n gm a c h i n e a b s t r a c t t ot h eq u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gs t a i n l e s ss t e e ld i s k ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e s t h ei n t e r r u p t i o nt u r n i n gt e c h n i q u eo fs t a r 一21c ( p ) f l e x i b l ec n c t u r n i n gm a c h i n e i ti sl a u n c h e dm a i n l yf r o mf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb r a k ed i s k ，s e td o w nt h es u i t a b l e t e c h n i q u ep r o c e s s a i m e da tp h y s i c sa n dc h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c so ft h e2 c r l3 q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gs t a i n l e s ss t e e ld i s k ，s e l e c tt h ea p p r o p r i a t ec u t t i n gt o o l m a t e r i a la n dt h ea p p r o p r i a t ea n g l ef o rt h i sk i n do fc u t t i n g 2 a n a l y z et h ee f f e c t so ft h ef o r c e ，s t r e s sa n ds t r a i nt ot h ec u t t i n gt o o lf o r d i f f e r e n tc u t t i n ga n g l ea n dp a r a m e t e r s ，r e a l i z et h a tt h es t a t i cs t r e s si sn o tt h em a i n c a u s et oc u t t i n gt o o lb r e a k a g e a n a l y z et h ec a u s ea n dt h ep r o c e s so fc u t t i n gt o o l a b r a s i o n ，d i s c u s st h em e t h o d st od e c r e a s et h et o o la b r a s i o n ，c o n s i d e rt h a tl o w e r i n g t h ec u t t i n gs p e e d ，u s i n gt h ec o o l a n ta n dc u t t i n gaa p p r o p r i a t eg r o o v ei nr a c kf a c e c a nr e d u c et h et o o la b r a s i o ne f f e c t i v e l y 3 a c c o r d i n gt ot h ei n s e r tc u t t i n g i ns t y l eo fm i l l i n g ，b r i n g f o r w a r dt h e c o n c e p t i o no fi n s e r tc u t t i n g i ns t y l eo ft u r n i n g e s t i m a t e9d i f f e r e n tk i n d so fi n s e r t c u t t i n g i ns t y l ef o r m u l ao ft u r n i n g ，t r a n s i t i o np a t ha n di m p a c tf a c t o r ，r e a l i z et h a t t h ei m p a c tf a c t o ro fc u t t i n gf r o mt h ep o i n ti st h el o w e s t 。u s et h ed i f f e r e n t i a l m e t h o d st oa n a l y z et h ec h a n g eo fi m p a c tf a c t o rt ok i n d so fi n s e r tc u t t i n g i ns t y l e ， t h i n kt h a tt h es - t y p e 、t - t y p e 、v - t y p ea r ea d v i s a b l e 4 u s i n gt h ea n s y st oa n a l y z et h es t r e s sc h a n g ep r o c e s sa tt h em o m e n to f c u t t i n g i n ，t h i n kt h a tt h ef r e q u e n ts t r e s sc h a n g ei s ai m p o r t a n tc a u s et ot h et o o l f a t i g u ef a i l u r e a n a l y z et h ep r i n c i p l eo fm i n u ss h e a r i n g ( f - t y p ec u t t i n gc h i p ) o f t h ec u t t i n g o u tp r o c e s s ，f r o mt h ep o i n to fr e d u c i n gt h et o r q u e ，i ti su s e f u lt ot a k e a p p r o p r i a t ec u t t i n g o u ts t y l et oa v o i dt h em i n u ss h e a r i n g s i m p l e l ya n a l y z et h e p r i n c i p l eo ft o o lh e a tb r e a k a g ea n dp r e v e n t i o nm e t h o d s d ot h ea n s l y s i s a n d d i s c u s s i o no fe x p e r i m e n t a lp r o g r a mi nt h ee n d k e yw o r d s ：2 c r l 3q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gs t e e l ；i n t e r r u p t i o nt u r n i n g ；t o o l a b r a s i o n ；i n s e r tc u t i ns t y l e ；i m p a c tf a c t o r ； 插图清单 图卜i 常用盘式制动器1 图卜2 制动盘图纸1 图2 12 c r l 3 高温力学性能8 图2 - 2 刀具材料选择流程9 图2 3 各种刀具材料强度韧性参考图9 图2 4 车刀在正交平面参考系中的标注角度13 图2 5 主偏角对切削层的影响1 4 图2 - 6 刀尖形状与参数1 5 图3 - 1 刀具l 应力分布图2 1 图3 - 2 刀具l 应变分布图2 1 图3 - 3 刀具2 应力分布图2 1 图3 4 刀具2 应变分布图2 1 图3 - 5 刀具3 应力分布图2 1 图3 6 刀具3 应变分布图2 1 图3 - 7 大切削用量刀具3 应力分布图2 2 图3 - 8 大切削用量刀具3 应变分布图2 2 图3 - 9 刀具与工件之间的元素扩散示意图2 4 图3 - 1 0 沿积屑瘤切屑卷曲图2 5 图3 - 1i 刀具槽型的卷屑机理2 5 图3 1 2 断屑槽的简单槽型2 6 图3 - 1 3 双槽刀片2 6 图4 - 1 刀具切入瞬态应力图2 8 图4 - 2s t u v 切入模型2 9 图4 3 车削前刀面与切入面几何关系2 9 图4 4 车削s t u v 型切入方式几何关系图3 0 图4 5 车削s t 型切入方式几何关系图3 0 图4 - 6 车削s t 型切入方式过程分析图3 1 图4 - 7 车削u v 型切入方式几何关系图3 1 图4 - 8 车削u t 型切入方式几何关系图3 2 图4 - 9 车削s v 型切入方式几何关系图3 3 图4 - 1 0 车削u 型切入方式几何关系图3 3 图4 - 11 车削u 型切入方式过程分析图3 4 图4 1 2 车削t 型切入方式几何关系图：3 5 图4 - 1 3 车削t 型切入方式过程分析图3 6 图4 - 1 4 车削v 型切入方式几何关系图3 7 图4 - 1 5 车削s 型切入方式几何关系图3 8 图4 - 1 6 波形刃车刀切入几何关系3 9 图4 - 1 7 切出过程负剪切面3 9 图4 - 1 8 工件切出应力4 0 图4 - 1 9 工件切出应变4 0 图4 - 2 0 刀具切出受力模型4 1 表格清单 表2 1 世界主要刀具厂商6 表2 22 c r l 3 与4 5 # 钢的力学性能7 表2 3 常用材料的热力学性能比照表1 0 表2 4 常用刀具材料化学性能比较表1 1 表2 5 典型y w 类硬质合金的成分和性能1 2 表3 - 1 不同工件材料的切削力计算表1 7 表3 2 改变t 和的受力正交分析1 8 表3 - 3 改变口。和厂的受力正交分析1 9 表3 - 4 改变力的切削功率计算表1 9 表3 - 5 三种刀具角度取值情况2 0 表3 - 6 三种刀具受力情况2 0 表3 - 7 刀具与工件材料属性2 3 表3 - 8 一些材料在元素周期表的位置2 3 表4 - 1 端铣加工九种切入类型2 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金避互些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位黼者酶嚆娠一期：炒年午月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金b 曼互丝太 笠_ 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 擀醐刃碑卅日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：硼i 电话： 邮编： 致谢 本论文是在韩江教授的悉心指导下完成的。值此论文完成之际，首先要衷 心地感谢我尊敬的导师一韩江老师! 感谢韩老师在我学位论文选题、调研、撰 写、修改等过程中所给予的悉心指导。在近三年的研究生学习期间，韩老师以 严谨务实、一丝不苟的治学态度和对学术问题的独到见解深深地影响了我。韩 老师知识渊博，科研经验丰富，不仅教给我知识，更教给我独立分析问题、解 决问题的能力。在我近三年的硕士阶段，韩老师在学习上和生活上给与的关怀 与帮助，我将永远铭记在心! 衷心感谢合肥工业大学c i m s 研究所的夏链老师、祖咂老师、何高清老师 在课题、论文、学习工作中的指导和帮助。衷心感谢合肥工业大学c i m s 研究 所的余道洋老师、翟华老师、丁志老师、董伯麟老师等对我的关心和指导。感 谢他们在学业中给予我的帮助和指导。 衷心感谢所有给我上过课的老师，是他们传授给我了丰富的知识，促使我 能够进一步攀登知识的高峰! 衷心感谢我的同学张江华、李凯亮、信傲、马超、黄愿、姚银鸽、季焓， 和他们在一起学习和生活的时光永远值得我纪念! 感谢师弟朱念恩、陈党、王晓明、王国峰、黄涛、黄海金、张韬、肖扬、 李虎、刘凌全、肖传清、王思国、张忠锥给予我的帮助! 感谢我的室友徐峰、赵拂晓陪我一起度过的三年快乐的时光! 向论文中引用过文献的作者们表示感谢! 最后还要特别感谢我的父母和家人，是他们不辞劳苦、任劳任怨的辛勤付 出以及对我精神和物质上的强大支持，使我得以完成学业。对他们的感激之情 无法言表，我只有在今后工作、生活和学习中用辉煌的成就来汇报他们的殷殷 之情。 再次感谢所有曾经给予我帮助的人! 作者：葛敬 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 制动盘结构与工艺 11 1 摩托车用制动盘 盘式制动器是利用摩擦块和制动盘之间的摩擦作用使车辆制动的装置。从 确保耐磨性所要求的硬度和耐蚀性方向考虑，摩托车的制动盘一般可采用调质 之后的马氏体不锈钢。 如图卜1 所示为盘形制动器的结构图，由制动盘、制动钳、摩擦片组成： 笪 图卜l 常用盘式制动器 制动盘的形状多为碟形，一般有平面式和凹凸式两种，典型凹凸式制动盘 形状如图1 2 所示： 图卜2 制动盘图纸 一般来说，铸铁的各项物理性能比较符合制动盘的制动要求，但是由于机 车制动盘的工作环境恶劣，铸铁的耐蚀性不高的特点使得其特别容易生锈- 马 氏体不锈钢因为具有良好的耐蚀性成为首选材料。图卜2 所示制动盘沿圆周分 布有很多长孔，不仅可以减轻质量，而且在车轮旋转时，有利于空气流动带走 更多热量，降低温度【2 l 。 1 1 2 制动盘加工工艺分析 马氏体不锈钢2 c r l 3 是常用材料常温下强度和硬度不高，但韧性大、热 0，俐n8 强度高、导热系数低；经过淬火和低温回火之后，强度和硬度显著升高，塑性 和韧性降低，切削加工性能提高，具有良好的综合力学性能，可用作制备制动 盘的材料。 马氏体不锈钢2 c r l 3 制动盘的加工工艺设计如下： 1 ) 备料，包括对材料基本属性的检验与几何尺寸的测量，并确保该原料内 部不含有较大的夹杂物及明显的破损缺陷。 2 ) 对于有凹凸形状的制动盘零件进行冲压，完成后进行几何尺寸的测量， 主要是形状与位置公差的检测。形位公差是保证制动性能的关键要素，为使摩 擦块与制动盘之间紧密接触以增大摩擦力，可将制动盘的两个面的平行度控制 在0 0 1 5 m m 左右。 3 ) 粗车外圆及内孔，初步拟定用y w 2 硬质合金刀具。 4 ) 热处理，包括加热、整形、淬火、回火等过程。采用通道炉进行加热处 理之后，可以用y f 3 2 2 0 0 型四柱通用压机进行整形校平以消除工件内部的残余 热应力。热处理之后力图使硬度达到h r c 3 5 以上，平面度0 1 0 ，有凹凸形状 的整形高度误差在0 i m m 左右，无凹凸形状的整形高度误差在0 0 5 m m 左右。 5 ) 精车外圆及内孔，初步拟定用y w l 硬质合金刀具，因为内孔的粗糙度要 求高于外圆，可先固定内孔车外圆，再固定外圆车内孔，保证同轴度由0 2 5 及圆跳动0 0 5 ，保证外圆粗糙度r a 6 3 ，内孔粗糙度r a 3 2 ，钻孔锪孔并保证 粗糙度r a 6 3 。 6 ) 下工序。根据不同要求有表面粗磨、表面抛砂及黑色涂装等。 制动盘为典型的薄盘多孔类零件，尺寸较多且要求各异。热处理过程会使 此类零件产生较大的形状、位置甚至尺寸变化，为保证制动盘的尺寸精度，精 车必须放在热处理之后进行。马氏体不锈钢2 c r l 3 经过调制处理之后，其硬度 可达h r c 3 5 以上，且强度提高，塑性有所降低，虽然较热处理之前可切削加工 性有所提高，但是其因为在具有一定强度和硬度的同时高温时又具有较大的韧 性，切削起来仍旧比较困难，仍旧是一种较难加工的材料。 1 2 难加工材料与断续切削 1 2 1 难加工材料的类型与切削特点 通常材料的强度、硬度适中时，切削加工性能就比较好。材料的硬度和强 度越高，切削力就比较大，切削温度也就比较高，材料的切削加工性较差；材 料的硬度较低时，其塑性一般会比较大，在切削加工时容易产生较大的变形， 其切削加工性也较差。 难切削材料的种类很多，包括金属与非金属等各种材料，一般主要可分为 以下类别【3 】【4 】： 1 ) 高塑性材料：主要有纯铜、纯铁等。这类材料硬度较低，但塑性很大， 2 切削时容易产生很大变形，中低速时易产生积屑瘤，刀具主要失效形式为磨料 磨损和粘结磨损。 2 ) 容易产生加工硬化的材料：主要有耐热钢、高锰钢、不锈钢、高温合金 等。此类材料的塑性和韧性都较好，强度较高，导热系数较低，切削时切削力 大且切削温度高，刀具主要失效形式为磨料磨损、粘结磨损、热裂磨损。 3 ) 切削温度高的材料：主要包括一些有机合成材料、钛合金、高温合金等。 此类材料的导热系数极低，切削时刀具易产生磨料磨损、氧化磨损、扩散磨损、 粘结磨损。 4 ) 宏观高硬度材料：主要有陶瓷、金属陶瓷、硬质合金、冷硬铸铁、淬火 钢等。主要特点表现为硬度高，可达h r c 5 6 以上，切削时切削力大，切削温度 高，刀具主要失效形式为磨料磨损和崩刃破损。 5 ) 微观高硬度材料：主要有碳棒、玻璃钢、铸铁、各种合成材料等。主要 特点是材料中含有硬质相，耐磨性很高，切削时刀具主要承受磨料磨损，高速 切削时伴有物理和化学磨损。 6 ) 高熔点材料：如钨、钒、钼等某些稀有金属及其合金。此类金属的热稳 定性较高，切削力较大，切屑变形也较大，刀具主要失效形式为磨料磨损、粘 结破损。 7 ) 化学活性大的材料：含铬、钴、镍、钛等材料的合金。此类金属切削加 工过程中原子的化学活性较大，容易与刀具中的某些原子相互扩散，并可能导 致粘结作用甚至粘焊。 8 ) 高强度材料：主要有高温合金、高锰钢、奥氏体不锈钢等。由于其强度 高，切削力大，切削温度也高，刀具磨损严重且切屑不易处理。 1 2 2 难加工材料切削加工的发展状况 难加工材料的应用主要集中在汽车工业和航空工业，金刚石烧结体、c b n 烧结体、各种新型涂层刀具被广泛应用于此类加工。p c d 刀具对于有色金属、高 耐磨性材料、陶瓷、硬质合金等的断续切削特别有效，c b n 刀具被广泛应用于淬 硬钢、合金钢等的断续切削加工。山特维克公司已经确定将c b n 及金刚石烧结体 相关刀具的开发作为其持续发展战略【5 】。 为提高航空工业中的难加工材料的加工效率，对于铬基、镍基等的高温合 金材料，可采用新型陶瓷刀具进行断续切削加工，其加工效率比硬质合金刀具 有较大提高。尽量提高夹具的装夹刚性，采用高精度的刀柄、优化切削参数等 措施可有效的提高加工质量【6 】。 哈尔滨工业大学韩荣第教授介绍了一些对于难加工材料的新型的绿色润滑 冷却技术。探讨了水蒸气换流技术、臭氧干式静电冷却技术、超声波处理乳化 液节能减排技术等新技术的实施原理，这些新技术的应用可有效地降低难加工 3 材料切削过程中对环境的污染1 7 】。 对于难加工材料的电火花线切割加工随着激光技术的发展而成为一种切削 加工的新方法。此种加工方式对于塑性较大的材料( 如紫铜) 、刀具较难加工的 凹模零件内侧、大厚度的工件、薄壁件、方孔件、易产生裂纹和变形的工件加 工优势明显f 8 】。 不同工件材料及加工条件下，刀具材料及切削参数的选择有很大差别，尤 其对于新型难加工材料，需要耗费大量的试验来优化切削参数。切削数据库技 术可有效的解决这类问题，不仅可以存储切削数据，而且逻辑功能越来越强， 可以通过判断和推理优选切削参数，是切削加工一个重要的发展方向【9 】。 1 2 3 断续切削刀具破损机理国内外研究状况 在以工具钢及高速钢为主要切削工具的时代，刀具的主要失效形式是磨损 失效，因此，以往的切削理论主要是针对刀具磨损的规律和机理。随着硬质合 金、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼等刀具材料的广泛使用，刀具的主要失效 形式由磨损变为破损，对刀具破损机理的研究是今年来工具领域的热点。国内 外对于刀具破损机理的研究集中在铣削加工领域，主要包括切入破损、切出破 损、热破损等。 切入破损研究领域的代表人物为德国学者m k r o n e n b e r g 和h o p t i z ，早在上 世纪中叶，m k r o n e n b e r g 就推导了端铣加工的九种切入类型，随后，h o p t i z 提 出了冲击系数的概念，用以解释不同切入类型的刀具破损程度差异问题。国内 方面，哈尔滨理工大学的李振加教授为主的科研团队研制了波形刃，用以缓解 铣刀切入时的冲击，提高刀具寿命。 最早研究切出破损的是荷兰学者p e k e l h a r i n g ，他在实验中发现了切出过程 的负剪切现象并认为这与f 型切屑的产生有关。美国学者m c s h o w 提出了应力 回复假设来解释切出破损，认为刀具切出时系统中储存的弹性能迅速释放导致 切削刃附近应力场恶化是刀具破损的重要原因。李振加、顾祖慰等人认为刀具 破损的主要原因是切出时的负剪切现象导致卷曲的切屑以刀刃为轴线旋转，使 刀尖处的应力显著增大。 h o p t i z 最早提出了硬质合金铣刀的热龟裂现象。前苏联学者3op eb 列 举了三个导致热龟裂的重要原因，分别是切削力大、刀具材料的高温机械强度 低、刀刃的温度变动范围大。z o r e v 认为在空行程时，刀具表面的冷却速度高于 刀具内部，前刀面不能自由收缩导致拉应力的产生。m a y e r 和w u 的研究扩展到 了压应力，认为刀具切入时，刀具表面的升温速度高于刀具内部，前刀面不能 自由膨胀导致压应力的产生。且拉应力与压应力反复交替，在切削速度较高的 情况下影响刀具的疲劳寿命 1 0 1 。 4 1 3 课题来源与研究内容 1 3 1 课题来源 本论文是来源于浙江省玉环隆中机车零部件有限公司委托给合肥工业大学 c i l v i s 研究所开发的浙江省玉环县科技计划项目“盘类零件全自动柔性数控车削 中心的研制，是作者在研究生学习期间参加上述课题的总结。 1 3 2 研究内容 论文以硬质合金刀具加工调制马氏体不锈钢2 c r l3 盘类零件为研究对象，研 究了切削过程中刀具的静力、应力、磨损、动态冲击、破损，重点研究了断续 车削切入方式的判别方法，从冲击系数的角度分析了各种切入方式的优劣，并 研究了刀具几何参数、切削参数、切入方式对断续切削车刀破损的影响。 第一章绪论部分针对机车制动盘的特点与工艺要求，制订了合适的工艺流 程，介绍了难加工材料的类型、切削特点及加工发展状况，还介绍了断续切削 刀具破损机理的国内外研究状况。 第二章针对被加工件调质不锈钢2 c r i 3 的特点，从物理、化学、热力学性能 等方面分析了各种材料的刀具，得出硬质合金y w l 、y w 2 刀具适合此种类型的加 工，并结合此种加工确定了刀具几何角度的选择范围。 第三章分析了刀具几何参数、切削参数等对刀具所受静力、应力和应变的 影响，并从刀具和工件内部组成元素的角度分析了刀具磨损的原因，研究了降 低磨损的两个措施：降温和开槽。 第四章根据m k r o n e n b e r g 的端铣切入方式模型研究了车削切入方式模型， 推导了各种切入方式的判别方式及冲击系数，从冲击系数的角度分析了各种切 入方式对刀具破损的影响。同时对刀具的另两种破损原因( 切出破损和热破损) 做了较浅的分析。并针对具体情况分析了实验方案。 第五章对全文做了总结，并对下一步工作做了展望。 5 第二章车削中心刀具的选择 2 1 国内外刀具技术的发展 2 1 1 国内外刀具市场 金属切削2 nt 是机械工业中的基本工艺方法，刀具是金属切削加工中的主 要工具，刀具的性能与切削工艺很大程度上影响着机械产品的质量与可靠性。 刀具发展技术水平是制造业发展水平的一个重要标志，国内外历来都十分重视 切削刀具的研究和改进。欧洲、美国、日本等制造业发达的国家无一例外都是 刀具技术发达的国家。表2 1 所示为世界主要刀具制造厂商： 表2 - 1 世界主要刀具厂商 瑞典山特维克山高 美国肯纳 以色列依斯卡 德国瓦尔特威迪亚高迈特 日本京瓷住友三菱东芝 韩国特固克可罗伊 中国台湾正河源 益诠n a k a w o 中国大陆株洲硬质合金自贡硬质合金成都工具研究所 欧美和日本占据了世界刀具市场的绝大份额。瑞典的山特维克牢牢占据着 世界刀具市场两成以上的份额，美国的肯纳金属和以色列的依斯卡分别占据一 成左右全球市场份额。从质量角度来说，欧美国家的刀具质量最好，技术实力 最强。日本刀具价格相对欧美刀具便宜一些，品质尚可。韩国和台湾刀具价格 便宜，能满足加工需求。国产刀具经济实惠，缺点是精度和标准化方面做得不 够好，多用于中低端加工。 2 。1 。2 刀具材料的发展 随着各种难加工材料的使用范围越来越广，各种硬牌号的刀具逐渐取代了 高速钢且发展迅猛。刀具材料的发展历经了从高速钢、硬质合金、陶瓷、人造 金刚石、立方氮化硼、各种新型涂层材料，高性能材料不断取代低性能材料， 切削速度和加工效率不断提高。 用聚晶氮化硼( c b n ) 制作的超硬刀具，是加工淬硬钢、高铬合金等高强度、 高硬度材料的很好的选择。用c b n 微晶加入结合剂制作的烧结体b n s 9 0 具，可用 于加工h r c 5 5 以上的高铬铸铁，其切削速度相比硬质合金和陶瓷刀具大为提高， 抗冲击性能优越，噪音小，切削高硬材料时比陶瓷刀具寿命提高1 0 倍以上1 。 磨削加工具有温度高、污染大等缺点。可采用精密硬态切削技术代替粗磨 和半精磨工序，把淬硬钢的切削直接作为半精或精加工，p c b n 材料的刀具可用 6 于此类断续切削加工1 1 2 1 。 涂层刀具是刀具产业发展的新趋势。长久以来，刀具硬度和韧性都是不可 兼得的，涂层刀具的出现，改变了这一现状。它在刀具表面通过c v d 和p v d 技术 涂覆一层薄膜表层，硬质合金涂层材料主要有t i n 、t i c 、a 1 ：0 。等，目前发展到 有金刚石涂层、立方氮化硼涂层、超硬s c 。n 。、纳米复合涂层等。涂覆的薄膜 表层一般具有高的耐磨性和低的摩擦系数，而硬质合金基体则保持了良好的韧 性和较高的强度，从而使刀具的性能有很大提高，解决了刀具韧性与硬度不可 兼得的矛盾 1 3 1 。 极微量润滑加工( m q l ) 材料的研制是解决难加工材料加工润滑问题的热点 领域。可通过在刀具表面加工微槽形状来实现刀具的低摩擦和高润滑性能。日 本学者梗本俊之介绍的d l c 涂层刀具就是应用c v d ( 等离子体工艺) 在硬质合金刀 具的表面沉积均匀类金刚石，然后通过网状电极的掩蔽效应形成微槽，并使槽 的方向和主切削刃正交和平行，与副切削刃成4 5 。角。此种刀具的切削液能保 持持续的良好的润滑性能，而且可减小切削力 1 4 1 。 2 2 车削中心刀具材料的选择 2 2 1 被加工材料的切削加工性与切削特点 工件材料的相对切削加工性是指工件材料加工的难易程度，是一个相对的 概念，一般以正火状态切削4 5 # 钢时刀具切削速度为6 0 m m i n ，耐用度达到- 4 , 时为基准。将其他材料在相同条件下的切削速度的比值称为相对切削加工性， 用k ，表示【3 j 。c r 能提高材料的强度、硬度和耐磨性，且c r 含量少于2 6 时也具 有一定的韧性，2 c r l 3 调质后的k ，值在0 6 5 - - 1 之间，属于难加工材料。对2 c r l 3 不锈钢分别采用9 7 0 淬火+ 7 1o c 回火、9 7 0 淬火+ 6 5 0 回火，其主要物理性 能指标如表2 2 所示： 表2 - 22 c r l 3 与4 5 # 钢的力学性能 热处理抗拉强度o 。 屈服极限o 。伸长率o 。断面收缩率v - 6 5 0 回火 8 2 9 m p a6 9 0 m p a1 8 7 6 4 7 1 0 回火 6 9 8 m p a 5 3 i m p a2 7 1 7 0 8 4 5 # 钢正火 6 4 0 m p a3 5 5 m p a1 6 4 0 可见，与9 7 0 淬火+ 7 1 0 回火相比，采用9 7 0 淬火+ 6 5 0 c 回火时其屈服 强度和屈服极限都有较大提高，而标志其韧性的伸长率和断面收缩率都有较大 降低，较高的强度和较低的塑性满足制动盘对制动的物理需求，低温回火可以 使2 c r l 3 获得较好的综合力学性能。同时与4 5 # 钢相比，调制处理之后的2 c r l3 抗拉强度、屈服极限、伸长率、断面收缩率均高于4 5 # 钢，且制动盘所需的调制 后硬度需保证在h r c 3 5 以上，属于难加工材料的范畴f 1 5 j 。 如图2 - 1 所示为2 0 r 1 3 的高温力学性能u 6 1 。 7 一豳= 臻黼 勰藿半 v 一一1 h日“l7 2 ” i l g i 6 ，ji l ，” 2 3 5 麟 图2 一l2 0 r 3 高温力学性能 因为加工过程中会产生高温，所以工件材料的高温力学性能对于切削加工 非常重要。虽然4 5 # 钢在高温时其强度会下降，如当温度升高至4 5 0 时，其抗 拉强度降低至4 8 0m p a 。而调质后的不锈钢2 c r l 3 在高温条件下的强度降低则更 为显著，在4 5 0 。以上高温条件下其强度甚至低于4 5 # 钢，但是当其强度降低的 同时，其塑性在高温下有显著提高。 所以，调质不锈钢2 c r l 3 在低温下有较高的硬度，而高温时又有很大的塑 性，其切削加工特点主要表现为【3 】： 1 ) 大的切削力：在高温环境下，如图2 1 所示，标志2 0 r 1 3 f 锈钢塑性的伸 长率和断面收缩率显著增大，在切削过程中会产生很大的塑性变形，使切削力 显著增大。 2 ) 切屑难处理：高温时，如图2 1 所示，2 c r l 3 不锈钢的塑性和韧性显著增 大，导致切屑不易折断，不仅影响操作，而且容易在前刀面产生划痕，影响加 工表面质量。 3 ) 加工硬化现象：如图2 1 所示，调制钢2 c r l 3 在常温下具有较高的强度和 硬度，高温时其强度明显降低，同时塑性显著增强。因为切削过程会产生大量 切削热，导致切削过程中塑性变形增大，在高温高应力的作用下产生硬化层。 而前一工序的硬化层会直接影响下一道切削工序。 4 ) 切削温度高：大的塑性变形、大的切削力及加工硬化现象导致了切削加 工过程产生大量的切削热。常温下4 5 # 钢的热导率为5 2 3 4w i r ak ) ，4 0 0 时 降低为3 48 9w ，f m k i ，而2 c r l 3 的热导率为2 2 2 6w ( mk ) ，远低于4 5 # 铡， 这使得大量的切削热都集中在切削区，产生高温。 5 ) 刀具磨损严重：在高温、高压作用下，由于2 c r l 3 不锈钢与硬质合金刀具 中的某些元素的亲和作用，会产生扩散与粘附现象。刀屑间的扩散与粘结磨损 会导致刀具前刀面月牙洼的出现，情况严重时甚至会导致粘捍的产生，前刀，面 可能形成微小的剥落和缺口而导致崩刃。 2 22 车削中心刀具材料的选择 刀具材料的选择是切削加工的首要问题，因为针对每种被加工材料都有最 合适的一种或几种刀具材料可选。 图2 - 2 所示为刀具材料的选择流程z 8 l “黎紫 二 硬度要求t 能加工 m 5 以上材料 二正 韧性簧枣- 刀鼻材 科具有耐冲击性能 二 热力学要乖t 刀具 材糊具有商的繁曙 率抗热震性能和 刮舔性较高 二正 化学要求- 与2 c r l 3 不翩中的元豪亲 和力较小 二 经济性要术：旱量 采用常规的，价靡 的国产化的刀具 图2 - 2 刀具材料选择流程 图2 3 所示为各种常用刀具材料的硬度韧性参考图 图2 - 3 各种刀具材料强度韧性参考图 按照图2 - 2 所示的选择流程，针对调质钢2 c r l 3 的特点，在刀具选择过程中 必须从以下几个方面进行分析1 1 7 1 1 8 l ： 1 ) 硬度与耐磨性要求。刀具材料的硬度必须远高于工件材料的碗度，才能 训ui 保证切削过程的进行。调质后的不锈钢2 c r l 3 硬度在h r c 3 5 以上，高速钢的常 温硬度在6 3 - - - 7 0 h r c 之间，而硬质合金的硬度一般在8 9 - - - - 9 3 h r a 。一般情况下， 对此种硬度的工件的切削可采用硬质合金刀具。而金属陶瓷、陶瓷、立方氮化 硼、金刚石等硬度更高的材料也是满足硬度要求的。耐磨性是刀具抵抗磨损的 能力，一般来说，如果不考虑切削区温度及化学因素的影响，硬度越高的材料 一般越耐磨，所以硬质合金及金属陶瓷等硬度更高的材料也是满足较高的耐磨 性的要求的。 2 ) 强度与韧性要求。2 c r l3 在常温下有较高的强度，在高温情况下有很大 的塑性，刀具的切削部分在切削时要承受很大的切削力、冲击力和冲击振动。 这对刀具的强度和韧性有更高的要求，但是硬度和韧性是不可兼得的，如图2 3 所示，硬度高的材料韧性有所不足，而韧性高的材料硬度有所欠缺。 对于调质后的2 c r l 3 不锈钢来说，硬质合金刀具完全可以满足硬度要求， 而对于金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼、金刚石刀具来说，其突出的缺点就是脆 性大、强度低，特别是抗疲劳强度低、抗断裂韧性低的特点使得它们在面对冲 击载荷时极易引起崩刃，而硬质合金刀具以较好的综合性能成为断续切削的首 选刀具材料。 3 ) 导热性、热稳定性与耐热冲击性要求。调质钢2 c r l3 切削过程中产生的 高温与热冲击是引发刀具破损的一个主要原因，我们希望热量能迅速扩散以降 低刀具与工件接触处的高温，希望刀具材料有在高温条件下保持原有硬度、耐 磨性、强度与韧性的能力，同时也希望刀具材料内部不会因受到大的热冲击而 产生裂纹。表2 3 为常用材料的热导率、抗热震性能、耐热性比照表： 表2 - 3 常用材料的热力学性能比照表 热导率抗热震性能耐热性( ) p c dh s sp c b n ( 13 0 0 15 0 0 ) p c b nw c 基硬质合金陶瓷( 1 1o o 12 0 0 ) w c 基硬质合金金属陶瓷金属陶瓷( 9 0 0 - - 一1 1o o ) 金属陶瓷 a i ：o 。基陶瓷w c 基超细晶粒硬质合 h s sp c b n金( 8 0 0 9 0 0 ) s i 3 n 4 基陶瓷 s i 3 n 4 基陶瓷 p c d ( 7 0 0 - - 一8 0 0 ) 舢：o ，基陶瓷 p c dh s s ( 6 0 07 0 0 ) 由上表可知，w c 基硬质合金的各项指标均位于中游，总体来说热力学综 合性能适中。而聚晶金刚石p c d 虽然热导率很高，但耐热性却很差。陶瓷和金 属陶瓷的耐热性虽然高于硬质合金，但热导率和抗热震性能均不如硬质合金。 p c b n 的热导率和耐热性均高于硬质合金，但是由于其脆性较大，抗热震性能 不如硬质合金。对于调质不锈钢2 c r l 3 这种情况复杂的加工来说，热力学性能 适中的硬质合金为最佳选择。 1 0 4j 与2 c r l3 的亲和力小。表2 4 为常用刀具材料的化学性能比照表： 表2 - 4 常用刀具材料化学性能比较表 与钢的抗粘抗氧化温度对钢的扩散强材料元素在钢中的溶解 结温度度度( 10 2 7 ) p c b n 陶瓷 p c ds i c 陶瓷 p c b n s i ，n 4 基陶瓷s i ，n 。基陶瓷 硬质合金硬质合金 p c b nw c 基硬质合金 h s s p c d 灿：o ，基陶瓷 p c b n h s st i n t i c 趾：o ，基陶瓷 由上表可看出，p c d 与钢之间的扩散作用很强，因为金刚石中的c 元素和 铁元素有很强的亲和性，所以p c d 不能用于切削铁族元素。p c b n 的化学性能 相当稳定，不仅如此，其所用主要结合剂t i n 、t i c 、a 1 ：o ，等高温时在钢中的 溶解度很小，所以相对来说p c b n 是最不易产生粘结与扩散磨损的材料。陶瓷 一般分为越：o ，基陶瓷和s i ，n 。基陶瓷，舢：o ，基陶瓷化学稳定性明显高于s i 3 n 4 基陶瓷，相对更为适合切削钢件材料。 硬质合金化学稳定性明显不如陶瓷和p c b n ，且其内部主要成份w c 高温 时在钢中溶解度较高，其他成份t i c 、t a c 高温下溶解度与p c b n 、陶瓷相同。 综合来看，硬质合金刀具在高温高压下相对较为容易发生氧化和粘结磨损，且 与2 c r l3 的化学亲和力较高。这是硬质合金刀具加工不锈钢2 c r l3 的不足之处， 需要重点加以分析，以减小此类影响。 5 ) 工艺性与经济性要求。刀具材料应具有良好的机械加工性能，易于锻造、 热处理、焊接、切削、磨削加工等，以便于刀具制造。同时，价格不宜过高， 一般来说，在满足要求的前提下，应优先选用价格较低的刀具材料，以降低生 产成本。硬质合金刀具作用常规) j n - r7 j 具，其工艺已经相当成熟，市场上有大 批量供应，国产化水平也较高，价格低廉。且对于硬质合金刀具的再加工技术 也相当成熟，对于改变其几何参数的机械加工也不成问题。在满足切削要求的 前提下，应优先选用硬质合金刀具。 2 2 3 硬质合金刀具 如上节所诉，硬质合金刀具满足2 c r l 3 加工过程中的硬度和耐磨性要求， 且强度和韧性适中，热力学性能适中，经济性和工艺性较好。唯独的缺点是高 温时化学性能不好，容易与钢件发生扩散与粘结磨损，但是考虑到p c b n 及陶瓷 刀具韧性太差，无法进行断续切削，而新材料和涂层刀具价格过于昂贵，所以 还是尝试优先选用硬质合金刀具。 y w 类硬质合金即w c - t i c - t a c - c o 类硬质合金，常用牌号有y w l 、y w 2 类。 y w 类合金含有适当的t a c 、n b c 和增加c o 元素含量时，强度提高，能承受冲 击应力和热冲击，可用于断续切削。当合金中c o 含量较高，而w c 、t i c 含量较 低时，抗弯强度和冲击韧性较高，适用于切削参数较大的粗加工、半精加工， 如y w 2 。合金中c o 含量较少，丽w c 、t i c 含量较高时，其硬度、耐磨性与耐热 性提高，强度及韧性降低，适用于切削参数较低而表面质量要求较高的半精加 工与精加工，如y w l l l 9 1t 2 0 l 。 典型y w 类硬质合金的成分和性能如下表2 5 所示1 1 7 1 ： 表2 5 典型y w 类硬质合金的成分和性能 牌号成分( 质量分数)硬度强度弹性模量热导率 y w l w c + 6 t i c + 6 c o 9 1 5 h r c1 2 0 0m p a5 8 0g p a5 2 2 4 + 4 t a ( n b c ) w ( m k ) y w 2 w c + 6 t i c + 8 c o