（机械制造及其自动化专业论文）新型非调质钢和β21s钛合金的切削加工性研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本课题的工作包括两个部分：新型非调质钢的切削加工性研究和b2 l s 钛合金材 料的铣削试验研究， f 非调质钢不需要进行调质处理，与普通合金钢相比，具有节约能源和降低成本的 优点，正得到越来越广泛的应用，因此，有关非调质钢的切削加工性研究也日益受到 重视。本课题受上海宝山钢铁公司的委托，就宝钢新研制的几种非调质钢的切削加工 性进行了试验研究。1 7 首先，对参试钢种( 1 # 、2 # 、3 # 、5 # 、1 7 4 1 9 9 # 、b 3 0 、8 k 、a 5 和4 5 # 钢) 进行 了车削、铣削、抛光时的加工性对比试验，并从中优选出加工性较好的材料。在此基 础上，进行了刀具材料优选和加工参数优化试验，为参试材料的车削和铣削加工推荐 了可供参考的加工用量条件。最后，通过利用测力和测温实验，爆炸落刀实验，以及 金相组织分析等手段，对参试的非调质钢可切削加工机理作了更为深入的研究。在对 参试钢种的综合性能及工业应用前景作出全面客观评估的同时，也指出了参试材料有 待进一步改善的一些问题，本文的工作可为研制钢种今后的工业化生产提供必要的决 策依据。 b2 1 s 钛合金是美国q q m e t 公司新研制的近b 型钛合金，具有多种优良的机械 性能和抗高温、抗腐蚀性能，但是切削加工困难。本文通过对铣刀磨损的正交试验和 对铣削力的测量，完成了对62 1 s 钛台金的铣削加工性的考察评估，并通过试验推荐 了经过优化的铣削加工参数，可供生产中选择用量时作为参考。 l 。 l l 一。一l ， 关键词：非调质钢，钛合金，可加工性，优化切削机理 新型1 r 调质钢和92 1s 钛合金的切削加l 一性研究 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o m p o s e do ft w op a r t s ，t h a ti s ，t h es t u d yo ft h em a c h i n 曲i l i t yo f t h en e w d e v e l o p e dn o n - q u e n c h e da n dt e m p e r e d s t e e l sa n dt h et ib e t a2is n o n - q u e n c h e da n dt e m p e r e d s t e e l sc a nb e d i r e c t l y u s e di n e n g i n e e r i n g w i t h o u t q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n g 。c o m p a r e dw i t hc o t l r n o na l l o ys t e e l s t h e s es t e e l sh a v ef o u n d a w i d ea p p l i c a t i o ni ni n d u s t r y s oi tb e c o m e si m p o r t a n tt o s t u d yt h e i rm a c h i n a b i l i t y t h e w o r ko f t h i sd i s s e r t a t i o nh a db ed o n eu n d e rt h ec o m m i s s i o no f b a o s h a ns t e e lc o m p a n y i nt h i sp a p e r , t h em a c h i n a b i l i t yc o n t r a s tt e s t so nt h e9k i n d so fs t e e ls a m p l e sw e r e m a d ei n t u r n i n g ，m i l l i n g ，p o l i s h i n g a n d e d m ( e l e c t r o - d i s c h a r g em a c h i n i n g ) t h e m a c h i n a b i l i t yo f t h e s es t e e l sw a so b j e c t i v e l yv a l u e da n dt h ef a v o r a b l es t e e l sw e r es e l e c t e d t ob e i n gu s e di nt h es e c o n ds t a g e i nt h es e c o n d s t a g e ，t h ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n t e s t so n t h es e l e c t e ds t e e l sw e r em a d e ，a n dt h eo p t i m i z e dc u t t i n gp a r a m e t e r so f t u r n i n ga n dm i l l i n g v ，c 化p r e s e n t e d a tl a s t 、t h ec u t t i n gm e c h a n i s mo ft h e s es t e e l sw e r es t u d i e db yt h ec u t t i n g f o r c e ，c u t t i n gt e m p e r a t u r ea n dm e t a l l o g r a p h t h e o r e t i c a ls u p p o r t sa n di m p r o v e m e n t s u g g e s t i o n s t ot h ee n t e r p r i s ew e r e p r o v i d e dt h r o u 【g ht h ew o r k b e t a21st i t a n i u ma l l o yw a sd e v e l o p e db yn m e t c o m p a n yi na m e r i c ai n r e c e n t y e a r s i th a sm a n y e x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，b u ti t sm a c h i n a b i l i t yi sp o o r b yt h et e s to ft h et o o l w a r ea n dt h em e a s u r eo ft h em i l l i n gf o r c e ，t h ee v a l u a t i o no fm a c h i n a b i l i t ya n dt h e o p t i m i z e dm i l l i n gp a r a m e t e r sw e r eg i v e no u t t oh e l pp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：n o n q u e n c h e da n dt e m p e r e ds t e e l ，t i b e t a2 1 s ，m a e h i n a b i l i t y , o p t i m i z e c u t t i n gm e c h a n i s m i i 里塞塾皇塾茎叁兰堡主兰生堡塞 第一章绪论 随着制造业的不断发展，越来越多的新材料不断的被研制出来并在生产中得到了 广泛的应用。在模具制造业和汽车制造业中，非调质钢以其低成本、低污染和高质量 而发挥越来越重要的作用；在航空宇航制造业中，钛合金因为轻质、高强度及良好的 高温和抗氧化性能而得到重视。本文对宝钢新研制的几种非调质钢和沈飞提供的 b2 l s 新型钛台金的切削加工性进行了一些研究。 1 1 非调质钢概述 机械制造用钢一般都要经调质后使用，这样既耗费能源又给热处理件带来弊病， 如变形、淬裂等。非调质钢省去了调质处理、简化了生产工序、提高生产效率和钢材 利用率、并且提高了零件的内在质量，所以得到了广泛的应用。 1 1 1 非调质钢的产生 近3 0 年来，物理冶金学的重大进展之一是微合金非调质钢的产生和发展。 从广义上来说，凡是在基体化学成分中添加了微量( 不大于0 2 0 ) 的合金元素， 从而使其一种或几种性能具有明显变化的钢，都可以称为微合金钢。随着人们对微合 金钢强韧化原理的深入研究、冶金工艺装备的不断改进、冶金工艺过程控制手段的不 断完善，现在微合金钢已经成为具有良好的综合力学性能的新一代钢种。 微合金钢的强化机制有两种，一种是细晶强化，另外一种是析出强化。对含有 n b 、v 、t i 或a l 的非调质钢，进行了晶粒尺寸与性能之间的关系的深入研究，其结 果表明，晶粒细化是惟一既能使钢强化又能使钢韧化的有效手段；析出强化是微合金 钢的另一种强化机制。6 0 年代初期，英国、美国和西德的研究人员，证实了钢中微 量的碳化物、氮化物，可以有效的产生析出强化作用。微合金化元素v 、t i 、n b 是强 碳化物、氮化物的形成元素，因而成为极为有效的强化元素。 形变和再结晶是人们一直都很感兴趣的物理冶金问题。这一时期，人们研究并基 本掌握了加热温度、形变量、形变温度及微合金化元素影响的规律，微合金化与控制 轧制和控制冷却相结合，使微合金钢得到了进一步的发展。 微合金化和控制轧制、控制冷却技术是在对低碳钢的研究中发展起来的，随着认 识的不断深入，应用的范围也越来越广泛。该技术应用于中碳结构钢，产生并发展了 微合金非调质钢。 对于调质钢来说，为了达到所要求的力学性能，必须采取调质处理，而这是能耗 费用很高的工序。能否借鉴微合金钢的经验，在锻后就达到使用所要求的力学性能 而取消调质处理这一工序德国的g e r l a c h 公司着手进行一项用于模锻件的新钢种的 一1 新型非调质钢和p2 i s 钛合金的切削加【性研究 研究。1 9 7 0 年，该公司研制出世界上第一个微合金非调质钢钢种4 9 m n v s 3 ，替代c k 4 5 钢并采用控锻的方法制造出汽车曲轴，1 9 7 2 年进入工业规模生产。 1 1 2 非调质钢的发展 2 0 世纪7 0 年代，爆发了世界范围的石油危机，迫使人们对节能降耗技术十分关 注。以节能降耗为特点的微合金非调质钢技术在欧洲和日本得到了迅速的发展。英国 的s h e f f i e l d 公司开发了含v 和n b 的非调质钢系列。瑞典开发了d i n 4 9 m n v 3 ，提高 了m n 的含量，其韧性明显提高。法国东部优质钢公司开发了含v 、n b 的非调质钢系 列。日本的各大钢铁公司相继建立了自己的非调质钢钢种体系，如三菱制钢、神户制 钢等等。7 0 8 0 年代是国外非调质钢开发、研制最兴旺的时期。 在传统的机械结构钢中调质后抗拉强度为7 0 0 1 0 0 0 m p a 的中碳结构钢，在机 械零件制造中应用的比较广泛。但普遍存在着淬透性不足的问题。调质后零件的心 部得不到强、韧性良好的回火索氏体组织。在非调质钢开发的初期，人们就是为了省 略这类零件的热处理工序，同时提高大工件心部的强韧性，开发出著名的4 9 m n v s 3 非调质钢。 非调质钢开发初期，其基体组织均为铁素体珠光体致使钢的韧性不如调质钢 所具有的索氏体组织好。可以称之为第一类非调质钢。1 9 8 4 年左右，经过十多年的 研究和改进，非调质钢的韧性得到了很大的提高，产生了第二类非调质钢。在第二类 非调质钢中，一部分是采取降c 、提m n 、加s i ，以及微钛处理等措施，提高了韧性 但仍具有铁素体一珠光体组织；另一部分是具有低碳贝氏体组织的非调质钢。1 9 8 8 年美国查帕尔公司的w r i g h t ，提出了第三代非调质钢的概念，将非调质钢的组织扩 展至低碳马氏体。与此同时，非调质钢的应用范围也不断扩大，已从汽车、拖拉机行 业逐步扩大到机床、电机、石油、建筑和矿山机械，甚至已经成功的应用于模具工业。 在国外，对非调质钢研究与应用较好的国家是德国、瑞典和日本。如德国的 g e r l a c h 汽车制造厂、瑞典的v o l v o 汽车制造厂等。此外，英国建立了抗拉强度为8 5 0 1 0 0 0 m p a 的v a n a r d 非调质钢系列。法国开发出m e t a s a f f 非调质钢系列。意大利菲亚 特汽车的曲轴采用含n b 、v 非调质钢代替传统的调质4 0 c r m o 钢。巴西应用含n b 的非调质钢，至今生产汽车曲轴等部件几百万件，至今使用良好。美国和俄罗斯的非 调质钢开发较晚，但目前正以较高的起点，较快的速度在研究和应用。 1 1 3 我国微合金非调质钢的开发和现状 我国非调质钢的研究和开发，比德国、瑞典等欧洲国家和日本较晚但比美国和 俄罗斯要早。“六五”期间，国家组织了包括冶金、机械等行业，以及有关科研院所 和高等学校在内的非调质钢研究开发队伍，调查、研究并确定了开发的方向和内容。 1 9 8 6 年，经国家科委组织专家论证，将“微合金化非调质钢研制”列入国家“七 五”期间重点科技攻关项目，由冶金工业部、机电工业部两部主持由冶金部钢铁研 南京航空航天人学硕十学位论文 究总院、攀枝花钢铁公司及其研究院、南京汽车制造厂以及北京机床研究所、北京科 技大学等科研院所、工厂企业和高等学校共2 5 个单位共同承担，开始了“七五”攻 关。根据项目的安排分为热锻非调质钢、易切削非调质钢、高强高韧非调质钢、冷作 硬化非调质钢和非调质钢强韧化机理研究等五个分专题，到1 9 9 0 年，开发出不同强 度级别、适用于不同条件的非调质钢钢种1 5 个，经鉴定转产并通过国家验收。其 中9 个己纳入1 9 9 5 年1 0 月1 0 同发布的g b t 1 5 7 1 2 一1 9 9 5 “非调质机械结构钢”标 准之中。 “八五”期间，机械部在机床和拖拉机等行业开展了“微合会非调质钢成套应用 技术开发”科技攻关，下设多项子课题，并取得了多项研究成果。其中，北京机床研 究所与沈阳、济南、北京、济宁等地的机床厂共同开展了直接切削和热锻非调质钢在 机床零件上应用的研究，并完成了“微合金非调质钢应用技术指导性文件”；洛阳拖 拉机研究所与其他单位共同完成了拖拉机曲轴、连杆、齿轮和轴件等四种主要零件的 “工艺指导文件”的制定和其他研究项目，促进了非调质钢在拖拉机行业的扩大应用； 成都无缝钢管厂承担了“非调质无缝钢管新材料研制”课题，成功促成了非调质钢在 1 5 0 吨矿用载重汽车和薄壁n 8 0 石油套管上的应用。 上海宝钢集团公司与上海大学联手创建精品模具钢产业化科研基地已见成效。由 该基地开发的s w 8 4 0 7 优质模具钢实物质量达到国际品牌瑞典“一胜百”性能水平， 替代进口，受到国内市场的青睐。从而使这一产品在质量、价格上大大提升了参与国 际市场竞争的能力。上海宝钢模具钢课题组又确定了新的科研目标。目前正在进行模 具钢s w 8 4 0 7 的研究，使钢中的p 、s 含量、有害元素含量和非金属夹杂物进一步下降， 提高钢的力学性能，并着手开发s w 8 0 ( 析出硬化型) 、s w 5 0 ( 易切削型) 、贝氏体型非 调质钢等塑料模具钢新品。 近几年，我国非调质铜的研究、生产和应用的领域、深度和数量均有明显的进展。 “九五”期间，钢铁研究总院、上海宝钢、大连钢厂等单位合作开展了非调质钢在 轿车上应用的国家科技攻关。钢铁研究总院对低碳自回火马氏体微合金非调质钢开展 了较深入的试验研究，并与大连钢厂等有关单位合作已成功地将我国自行开发的低 碳马氏体型非调质钢应用于制作汽车零件。一汽、二汽、南汽和江铃汽车股份有限公 司等汽车生产厂都对非调质钢在汽车零件上的使用作了大量的工作，取得了很多成 果。各钢铁生产厂也研制出了2 5 m n s i v ( t i ) 、4 9 m n v s i 3 、3 0 m n s i v 等多种用途的非调 质钢，在实际生产中使用效果良好，有些钢种已经在国际上处于领先水平。 回顾我国非调质钢发展的历史可以看出，由于国家的重视和有力组织，由于冶 金厂、机械制造厂、科研单位和高等学校的密切配合，使我国的微合金非调质钢的研 究和开发，在9 0 年代初，赶上了国际发展的水平。本课题对宝钢生产的几种非调质 钢的切削加工性进行研究，正是为了推广非调质钢的应用范围，并对其生产提供建议， 进一步提供我国在非调质钢研发和应用方面的水平。 新型i f 调质钢和b2 i s 钛合金的切削加j 性研究 1 2b2 i s 钛合金概述 航空、航天工业的发展对钛合会结构材料提出了越来越高的要求，更高强度级别 的钛合会可以制造受力更大的构件，提高结构效益。未来的飞行器设计需要钛基复合 材料，这就要求钛合金能用传统的工艺轧制成箔材，并且具有良好的高温性能。美国 7 0 年代后期发展的t i 1 0 2 3 ( t i - l o v 一2 f e 一3 a 1 ) 和t i 1 5 - 3 ( t i 一1 5 v 3 c r 一3 a 卜3 s n ) 两 种型合金提高了钛合金损伤容限设计的能力，为飞机结构减重开拓了新的途径。 其中t 卜1 5 - 3 合金是一种可冷成形亚稳定0 型钛合金，可作为复合材料的基体。但 是，该合金在高温( 8 1 5 ) 下的抗氧化能力较差，并且其强度水平也只有11 0 0 1 2 0 0 h p a ，这使它的应用受到了很大的限制。 针对宇航工业中金属基复合材料对高温抗氧化钛合金的需求，美国t i i “e t 公司于 1 9 8 9 年研制了b2 1 s ( t 卜1 5 1 0 - 2 7 n b 一3 m o 2 s i ) 合金。它与一般的b 钛台金相比， 具有以下突出的优点： 1 ) 强度高、塑眭好，并能通过时效强化到更高的强度水平( 。b 可达1 4 5 0 m p a ) 。 2 ) 强度一韧度匹配性好。 3 ) 冷加工性能优异，可轧制成薄板、箔材。在没有中间退火的情况下，冷变形 量可达7 2 一8 5 。在固溶条件下，也能进行变形量超过7 0 的冷轧。 4 ) 具有极好的高温抗氧化性( 抗氧化性比t i 1 5 3 合金高1 0 0 倍) 和良好的耐 腐蚀性。 5 ) 高温拉伸和抗蠕变性能良好。 因此，b2 1 s 可用于制作有温度要求的飞机结构件或发动机结构件、蜂窝、紧固 件和液压管材等，还可用作金属基复合材料的基体、铸件等。该台金填补了抗氧化、 抗腐蚀的高强钛合金的空白，同时也引起了非宇航工业的广泛关注。 近0 型钛合金在加热到b 相区淬火后，能保持e 相固溶体组织，未经热处理即具 有较高的强度，淬火、时效后使合金得到进步强化，所以，t 32 1 s 除具有散热性差、 弹性模量小、亲和力强等其他钛合金所具有的共同特点外，该合金经淬火加时效处理 后强度大、韧性高，热稳定性较差，这些造成该类钛合金的切削加工困难。本文对 b2 l s 钛合金的切削加工性进行了一些研究。 1 3 课题的提出及研究目的 受上海宝钢集团公司和沈阳飞机工业( 集团) 有限公司的委托，本课题对宝钢新研 制的几种非调质钢和沈飞提供的b2 1 s 钛合金的切削加工性进行了研究。 参试的非调质钢分为三类：车轴钢( 1 择、5 拌和1 7 4 1 9 9 # ) 、连杆钢( 2 # 和3 撑) 和 塑料模具钢( b 3 0 、a 5 和8 k ) 。其中b 3 0 是8 k 的改进钢种，而a 5 是用于对比的进 4 垦塞塾室堕垄查兰堕兰堕堡茎 口模具钢。它们均是制造业中大规模使用的钢种，要求所选用的钢材除了具有足够的 强度、硬度等机械性能外，针对它们的加工工艺特点，要求有较高的刀具耐用度，较 高的金属切除率，和良好的表面完整性。以利于进一步提高加工效率和成品质量。所 以材料的切削加工性方面的数据对产品的研制非常重要，涉及到成分结构、会相组织 等诸多方面。本课题币是为了解决这个问题，对几种非调质钢的切削加工性进行研究。 b2 ls 是一种亚稳定0 型钛合金，最初是针对美国国家航空航天飞机用金属基复 合材料的可轧制带材的抗氧化基体台金而研制的。然而，该合金具有极好的综合性能， 航空、航天工业部门正在考虑广泛应用该合金。鉴于b 型钛合金的难加工性，有必要 对其切削加工性进行研究。 对上述两种新材料的切削加工性能的研究目的在于得出其综合的加工性能数 据，客观的评估这些新材料。从理论上对新材料提供支持数据，直接指导企业生产， 对我国的国民经济建设有着重要的现实意义。 1 4 主要研究内容和方法 参加试验的非调质钢分为车轴钢、连杆钢和塑料模具钢三类，按照参试钢种的具 体情况以及与宝钢公司协商。我们主要进行了以下三方面工作： ( ”首先对参加实验的非调质钢进行了车削和铣削的加工性对比实验，对加工性 进行客观的评价，并且进行优选。 ( 2 ) 进行切削用量和刀具的优选实验，给出合理的加工用量范围。 ( 3 ) 通过进行测力，测温，爆炸落刀和金相分析实验，对切削加工性机理进行研 究。为企业决策提供理论支持，并提出了改进建议。 对于b2 i s 钛合金，由于实验材料有限，仅进行了铣削用量的优选试验和铣削力 的测量，为实际生产提供参考数据。 新型非调质钢和b2 ls 钛台金的切削加：】。性研究 第二章非调质钢的切削加工性试验研究 根据试验材料不同，切削加工性试验分为两部分，本章进行对非调质钢的试验 然后再对1 32 1 s 的试验。 2 1 切削加工性对比试验 切削加工性历来被认为是所有工程材料( 包括结构材料和功能材料) 均应具备的 一i 囊基本的技术性能指标，因为它不仅影响到材料使用的经济性，更关系到材料能否 被广泛应用。进行对比试验，可以客观评价参试钢种与对比材料以及参试钢种之间的 切削加工性的相对优劣。这对于使用量和加工余量都比较大的钢种来说，是很重要的。 根据参试钢种在生产中的加工特性，本章分别对其车削和铣削加工性能进行了对比试 验。 参试材料的成分、组织和硬度表如表1 所示： 表1 参试钢种的组织、成分和硬度 硬度 钢种 cs im nps vn c a 处理组织 ( h r c ) 0 3 0 _ 一o 2 0 _ 一0 5 0 _ 一 1 岸 o 0 2 o 0 3 5f + p2 6 5 0 4 00 4 01 5 0 0 4 0 _ 一o 2 伊一0 5 0 _ 一 硝 o 0 2 ( o 0 3 5f 十p2 6 3 0 5 00 4 01 5 0 加入是 o 0 7 2 0 0 _ 一 3 拌( o 0 2 o 0 3 5 加入f + b2 6 6 0 1 22 5 0 o 3 0 _ 一0 2 0 _ 一0 5 0 _ 一 5 群如0 2 0 0 3 5 加入 f 十p2 0 o 0 4 0o 4 01 s o 1 7 4 1 9 9 #f + p2 3 6 4 5 #2 7 0 b 3 0b3 3 3 8 kb3 3 4 a 5m 目2 4 8 表1 所示钢种中，1 荐、5 撑和1 7 4 1 9 9 # 钢为车轴钢，硝、3 挣为连杆钢，经过调质处 理后的4 5 斓为对比用铜b 3 0 为宝钢开发的塑料模具钢8 k 的改进钢种，a 5 为对比 用的进口模具钢。 石- 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 1 车削刀具磨损对比试验 1 ) 试验条件 车刀车刀选用市售机夹式y t l 5 2 硬质合金车刀，刀片按刃磨质量经过仔细挑 选，以确保能有较好的一致性。试验用切削条件统一为：v = 1 1 0 m r a i n ，a p = 2 m m f 0 2 m m r 干切削。需要说明的是，v = 1 1 0 m m i n 这一条件只是试验时每次走刀切削 速度调控的一个名义量值。实际切削速度通常都分布在该名义值的上下。 2 ) 本项车削试验首批获得的对比数据及其初步分析 图1 ( 见第9 页) 为用y t l 5 2 硬质合金车刀做刀具磨损试验时按最初获得的试 验数据绘制的四种参试钢材的刀具磨损曲线。表2 则是从图1 曲线上摘取的几个特征 对比数据。 表2 车削参试钢种的后刀面磨损对比数据 初期磨损正常磨损速率累计切削时间磨损量 钢种 v b m a x i 1 0 r a i nv b m 棚um r a i ntr a i nv b m a xm m 1 7 4 1 9 9 # lo 3 21 1 7 4 6 8 60 7 0 4 so 2 23 73 7 9 40 3 3 5 拌0 1 73 31 7 6 4o 1 9 1 并o 1 4 55 o2 0 4 9o 2 0 注：初期磨损指开始切削后十分钟的刀具后刀面蘑损宽度v b m a x 正常磨损速率定义为刀具密损曲线上正常蠹掼阶段的统计平均斜率 由表2 可见，1 撑、5 群和4 5 钢的正常磨损速率相差不多，说明三者的切削加 工性相近，均属典型易切削材料。1 7 4 1 9 9 # 钢不论是在初期磨损还是正常磨损速率 都比其他三种材料的对应值要高。当然，如果注意到上述参数的绝对值的大小，以及 刀具仍能够坚持正常工作4 5 分钟以上而且在进入正常磨损阶段后其磨损速率也能一 直维持在一个不太高的恒定水平上，则可以认为它在总体上仍应属于易切削钢。 但上述结论中却有一点值得怀疑的地方，因为在参试钢种中，1 7 4 1 9 9 ：i 钢的硬度 并不高。出现如上所述差别如此突出的后刀面磨损数据，除非确有原因，否则很难给 出合理的解释并且有可能导致对材料切削加工性的错误评价。 鉴于以上情况，进行了对1 7 4 1 9 9 # 车削加工性的重复性试验。 3 ) 对1 7 4 1 9 9 榔刀具磨损的重复试验 众所周知，在刀具磨损试验中，由于存在着人为误差和各种不可控制的因素的影 响，每次试验所得的数据不可能完全相同。但是，无论如何，在磨损的强度及其变化 的总体态势上应该不会有大的出入，亦即重复试验的结果仍然应该有良好的重复性， 否则肯定就是试验出了问题。 l 新型非调质钢和b2 l s 钛合金的切削加i 性研究 本次重复试验即是在与前次试验相同的切削条件下，获得车削1 7 4 1 9 9 # 钢的刀具 磨损数据，籍以判断前次车削1 7 4 1 9 9 # 钢所得数据的真伪。如果确有问题，则进一步 找出问题的所在并在摄终给出能令人置信的真实结果。 ( 1 ) 首次重复试验 为便于说明问题将首批试验中的1 7 4 1 9 9 # 试件钢料编号为1 7 4 1 9 9 # 1 ，一根尚未 使用的同钢种的钢料则编号为1 7 4 1 9 9 # 2 。用一块同批次购置的同一厂家生产的 y t l 5 2 硬质合金新刀片进行试验。 首次重复试验使用y t l 5 2 硬质合金新刀片在与首批试验相同的切削用量条件 下在连续车削1 7 4 1 9 9 # 2 钢棒的过程中完成刀具磨损的重复试验。试验结果如图2 所示。图2 中的曲线即为按本次重复试验中加工1 7 4 1 9 9 # 2 获得的后刀面磨损数 据绘制的磨损曲线。图2 中的曲线则是为直观比较从图l 中直接移置过来的首批 试验提供的1 7 4 1 9 9 # l 的后刀面磨损曲线。 对比、两条曲线容易看出，它们的磨损强度明显不在一个档次级别上，为 了查明导致出现此种反常情况的原因，又进一步安排了一项重复试验。 ( 2 ) 第二次重复试验 出现以上情况的原因，不在刀片就在钢材，两者同时出现问题的概率极少。所以 按照正常的故障迹思路，只要安排一个交叉的重复试验，譬如用切削1 7 4 1 9 9 # l 的刀 片去加工1 7 4 1 9 9 # 2 钢棒，再用切削1 7 4 1 9 孵2 的刀片去加工1 7 4 1 9 9 # l 钢棒，就容 易从分析两组磨损数据中揭示出问题的所在。不过由于首批试验在车削1 7 4 1 9 9 # l 钢棒时曾在其端部切到一明显的锻造叠层和夹砂，尽管试验数据都是在去除叠层和夹 砂以后取得的，但不能排除仍有未被察觉的夹砂等缺陷存在的可能。考虑到夹砂之类 的缺陷通常都只在棒料的一端出现，而且此种出现在棒料端部的夹砂很可能正是导致 刀具非正常磨损的根源。如果这一分析属实，则原本需要两次车削试验的互交叉重复 试验就有可能简化为仅需一次车削的自交叉重复试验。 第二次重复试验正是按照这种思路安排的，即就用车削过1 7 4 1 9 9 # 1 棒料的编号 为l 的y t l 5 2 可转位硬质合金刀片的另一未被使用过的主刀刃来车肖01 7 4 1 9 9 # l 棒 料的另一端，该端部材料原先是车床三爪卡盘的夹持部位，因而未曾参与切削试验。 图2 中标示序号的曲线就是按自交叉重复试验获得的数据绘制的以y t l 5 2 刀具车削1 7 4 1 9 9 # 1 钢材时的刀具后刀面磨损曲线。由图可见重复试验( 2 ) 与( 1 ) 获得的结果吻合良好。 此项试验结果的价值不仅在它正面说明了l 号刀片本身并不存在质量问题和确认 了在用y t l 5 2 刀片按试验条件车削1 7 4 1 9 9 # 钢材时后刀面的磨损数据，更主要的是 它还从反面揭示了在首批试验时出现标示为的反常刀具磨损曲线的真正原因只 可能是因为在棒料1 7 4 1 9 9 # l 的端部( 参与切削试验的) 存在有夹砂之类的硬质点微 观缺陷。 8 亘至塾至塾茎查兰堡主兰堡堡壅 寐嚣掣蟮型聪制g帮坦曝避旧r监督*靶nl畚a；厶i晤*状“砸 霎靛辑蠲璃r幕枉譬吱蒜蟹卅隳霹霹抖 一匝 新型非调质钢和_ 且2 1 s 钛台金的切削加r l 性研究 ( 3 ) 对比试验的结果 经过重复试验，从图1 、图2 中经过验证为正确的刀具磨损曲线上摘取些突出 的特征值制成表3 。 表3 第二批钢料车削时刀具磨损对比数据 初期磨损正常磨损速率累计切自0 时间 磨损量 钢种 v 6 m a x f1 0m i nv b x ，a tu 晌i ntm i n v b m a x r f l n l 1 7 4 1 9 9 #o ，1 3 35l4 5 0 6 o3 3 4 5o 2 23 73 7 9 4 0 3 3 5 #0 ，t 73 31 7 6 4 0 1 9 l #0 1 55 o2 0 4 9 0 2 0 注：静j 期磨损与正常睹损速率的定义同表2 3 ) 结论 本批的l # 、5 # 和1 7 4 1 9 9 # t 三种汽车传动轴用钢材在相同车削用量条件下的后 刀面磨损强度虽略有差异但十分相近。若仅从刀具磨损角度考察，它们的车削加工性 甚至还略优于对比用的4 5 号调质钢，属于典型的易加工材料。 其中已工业生产的1 7 4 1 9 9 t 钢材的切削加工性在同比的三种钢材中层中上水 平。但在其中一根棒料的端部有明显的夹砂缺陷，在钢材浇铸和锻造处理的时候应注 意避免。 l # 与5 # 虽因钢料少而未经重复试验，但获得的磨损数据在总体上符合规律 是可咀置信的。 2 1 2 铣削刀具磨损对比试验 铣削对比试验分两部分进行，首先进行对车轴钢和连杆钢的高速钢刀具铣削磨损 试验，然后对塑料模具钢进行高速钢刀具和硬质合金刀具的铣削试验。 1 ) 对车轴钢和连秆钢的铣削试验 ( 1 ) 试验条件 铣刀采用加工传动轴类零件最常用的牌号为 i 2 的市售高速钢立铣刀，刀具直径 中1 6 、齿数z = 3 。为使试验具有可比性，同时又能接近工厂的实际生产条件，购置时 对铣刀齿刃的修磨质量经过仔细挑选，使尽可能保持一致，试验前则不再增加专门的 刃磨工序。切深a p = 3 唧n ，切宽瓣6 咖，单齿进给量a f = o 0 6 5 m ：l z ，切削速度 u = 1 8 m m i n ，乳化液冷却。试验时铣刀每铣削段时间( 或路程) 就测量记录一次铣 刀侧刃后刀面磨损宽度v b m a x ，直至刀具磨钝为止。 - l o - 南京航空航天大学硕十学位论文 ( 2 ) 试验结果 图3 即为l # 、5 # 和1 7 4 1 9 9 # 对比试验的结果，由图3 容易看出： 若仅从铣刀磨损( 寿命) 角度考察，对三种参试钢材铣削加工性的相对优劣 进行排序则顺序应该是先5 # 其次才是i # 和1 7 4 1 9 9 # 。分析这也可能与5 # 钢材 质相对最软而l # 和1 7 4 1 9 9 钢硬度相近有关。 从图3 后刀面磨损曲线可以估算出，当取磨钝标准 v b m a x = o 4 m m 时，铣刀寿 命仍可分别维持为1 5 、2 0 、3 0 小时左右，因此总体上应算是易铣削加工材料。 图4 为对比试验获得的2 # 、辅钢的后刀面磨损曲线。 从刀具磨损寿命角度考察，根据图4 提供的两种连杆钢的后刀面磨损曲线，可以 确定以下基本判断意见： 若就两种钢材本身相比较，则3 # 钢的铣削加工性明显优于2 # 钢。 若就两种钢材铣刀后刀面磨损数据本身分析，无论是从磨损强度、磨损速率 还是铣刀寿命看则也容易判断两种钢材均仍属是生产中可以被接受的易切削材料。 2 ) 对塑料模具钢的铣削试验 本项试验的目的在于对宝钢生产的经过成分优化改进的新钢种b 3 0 和用于对比 的进口模具钢a 5 的可加工性进行客观评估。所用刀具为牌号为m 2 的高速钢立铣刀和 牌号为y t s 2 5 的硬质合金铣刀。其中，高速钢铣刀为哈尔滨第一工具厂生产的圆柱形 立铣刀，刀具直径中= 1 6 m m 工作齿数z = 3 ；硬质合金铣刀为株洲硬质合金厂生产的 机夹铣刀片，刀具直径m = 6 3 m m ，工作齿数z = 1 。表4 、表5 分别表示了本项试验的 实验条件和结果。 根据本项试验结果，以后刀面磨损v b m a x 和后刀面平均磨损v b f l i a x t 作为对比指 标可以看出若从刀具寿命( 磨损) 角度考虑： 当用m 2 高速钢铣刀作粗铣加工时，在试验的速度上，新钢种b 3 0 与对比钢种 a 5 的加工性十分接近。 当用y t s 2 5 硬质合金铣刀作粗铣加工时，在7 4 m m i i 3 的速度上，b 3 0 的加工 性明显优于8 k 。 表4 用m 2 高速钢立铣刀对b 3 0 和a 5 进行对比试验的条件及结果 n ( r m i n )v ( m m i n )a ( m m )a w ( m )a r ( m m z )v r ( m 日l m i n ) 切削用量 3 7 51 8 8360 0 6 77 5 工件材料切削时间( mn )切除体积6 神 v b m a x ( m )v b m “t ( u 蚋_ i n ) 实验结果 b 3 01 4 6 51 9 8 0 0 0o 85 4 6 a 5 1 2 0 81 6 3 0 8 0o 6 15 0 5 注：冷却条件为乳化液冷却 图4 连杆钢铣削时后刀面磨损曲线对比 12 - 南京航空航天大学硕士学位论文 表5 用y t s 2 5 硬质台金铣刀对b 3 0 和 5 进行对比试验的条件发结震 n ( r i m i n )v ( m m i n )a 。( m )a f ( m )a f ( m m z )vr ( m m m i n ) 切削用量 4 7 57 438o 13 75 i 件材料切削时间( mn )切除体积( m 3 )v b m a x ( r a m )v b m a x t ( um l m i n ) 实验结果 b 3 09 3 68 4 4 8 0o 8 38 8 7 a 54 84 3 4 8 80 7 01 4 5 8 沣：十切剐 2 1 3 表面粗糙度对比试验 对表面粗糙度的对比试验分为车削和铣削两种情况进行。 1 ) 车削表面粗糙度对比试验 表面粗糙度对比试验在c 6 1 4 0 车床上进行，试验了高速钢和硬质台金两种刀具材 料，试验按通常的精车方式进行，具体试验切削用量条件以及精车表面粗糙度的测试 结果可见于表6 与表7 。表面粗糙度由德国的m a h rp e r t h o m e t e rm 1 表面粗糙度测量 仪测定。 表6 汽车传动轴用钢精车表面粗糙度对比试验( 一) 牌号型式 t k r 凡 r ( r a m ) 刀具 h s s车刀2 0 。1 0 。4 0 。0 。o 4 a p ( m m ：f ( m m r ) v ( m m i n )冷却机床 切削条件 0 1o 0 8乳化液 c 6 1 4 0 试件材料 o d l硬度( b r c )n ( r m i n )v ( m m i n ) r a ( h 呻) l #中3 0 4 0 02 51 0 0 9 41 4 ( 口6 ) 5 #m 3 0 4 0 02 01 0 0 9 4 i 7 ( v 6 ) 1 7 4 1 9 9 #中4 8 x 5 0 02 6 6 39 51 9 ( v 6 ) 4 50 2 5 4 9 02 51 0 0 8 01 5 ( v 6 ) 由表6 、7 给出的结果看出，在未采取特殊措施的常规的精车条件下就可以获得 v 6 、可7 的表面，说明从车加工获得表面粗糙度指标角度考察，参试的1 # 、5 # 和 1 7 4 1 9 9 9 钢与对比4 5 号调质钢相当，均属易加工材料，而且估计采取一些必要的工 艺措施，包括进一步提高切削速度，即采用高速精车的工艺，表面粗糙度指标r a 还 可望控制在一个更低的水平上。 新型非调质钢和02 1 s 钛台金的切削加工性研究 表7 汽车传动轴川钢精车表面粗糙度对比试验( 二) 牌号型式 tk r 凡 r ( m m ) j 3艮 y t l 52 棚夹h 型 1 8 3 4 。4 5 。o 。o 2 a p ( m i l l f ( i l r )v ( m m n )冷却机床 切削条件 o 100 8干切削c 6 1 4 0 试件材料 中d l 硬度( h r c )n ( r m i n )v ( m m i n )r a ( “m ) l #0 3 0 4 0 02 51 4 0 01 3 01 1 ( v 7 ) 5 #中3 0 x 4 0 02 01 4 0 01 3 0 1 2 ( v 7 ) l7 4 1 9 9 1 4中4 8 5 0 02 67 1 01 0 71 0 ( 可7 ) 4 50 2 5 4 0 02 51 4 0 01 1 01 3 ( v 6 ) 另外，l # 、5 # 和1 7 4 1 9 9 t t 三种材料在获得低粗糙度表面这一点上未见有实质性 的明显差别。 2 ) 铣削表面粗糙度对比试验 铣削表面粗糙度试验在x 5 2 k 立铣机床上进行，分粗铣与精铣两种用量条件分别 就包括4 5 号钢在内的四种钢材加工出表面试样以后，用德国 l l a h rp e r t h o m e t e rm l 表面粗糙度测量仪测量它们各自的表面粗糙度r a 的值。具体的试验条件及测试结果 见表8 。 粗糙度对比试验结果表明无论是l # 、5 # 还是1 7 4 1 9 9 # 钢，它们与4 5 号调质钢 相近，均可获得正常的铣削表面粗糙度指标。就本次试验而言，5 # 钢似乎相对更好 些。 2 1 4b 3 0 与8 k 抛光性的直接对比试验 为比较b 3 0 与8 k 的抛光性各准备y - 块试样，现在精密平面磨床上一次同时 磨出四块试样的四个表面，并用m a h rp e r t h o m e t e r 电动轮廓仪分别测定记录下磨后 表面粗糙度r a 的数值：然后用自制夹具在车床上用粒度6 0 0 # 的尼龙抛光轮在一次装 夹中同时抛出四个表面，最后也测定记录下抛后表面达到的r a 值。抛光试验的结果 列于表9 。 由于试样从磨到抛都是严格控制在相同的一次机动作业条件下进行的，已经尽可 能排除了人为因素的干扰影响，因而这种直接对比试验获得的结果应该是能够说明问 题的。从表9 所列的试验结果来看，b 3 0 与8 k 抛光性能未见明显差异，它们均属易 抛光材料。事实上只要需要并提供相应的抛光条件，它们均可被抛光至要求的粗糙度 指标，甚至达到亚镜面和镜面的效果。 - 1 4 南京航空航天大学硕十学位论文 加l ：性质粗铣精 铣 舀s 中1 6 立铣刀 6 s 中1 6 立铣刀 刀具 3 齿刀号a3 齿刀号b 加i 机床x 5 2 k嬲 r f 4 7 5r m i nm5m m i mr l = 6 0 0r m i n v = 3 0m m m 条p ：切自情v f = 0 5 毗i na t = 00 6 7m m zv f = 9 5m m i na f = o 0 5 3n m z a p = 3 m a m f l o ma 闻3 m * 1 0 i 1 1 1 b 玲却条件乳化扮却职甜黛黔却 1 7 4 1 9 辨5 6 ( 口4 )5 0 ( 叮5 ) 表呵阻 4 5 钢& 0 ( 沈)60 ( v 4 ) 黻鼢 5 4 0 ( 审5 )3 4 ( v 5 ) l #b7 ( 、确)& 8 ( 印4 ) 注；刀具为市购直柄立铣刀，上海工具厂制造 粗糙度测试面为铣刀端面刃加工出的平面 表面粗糙度测量仪为m a h rp e r t h o m e t e rm 1 表面粗糙度测量仪 表9b 3 0 与b k 的抛光性对比 b 3 0 钢8 k 钢 试样编号l 抖2 # 3 #4 抖 磨后表面r a ( pm ) 0 3 90 3 80 4 l0 3 9 抛后表面r a ( pm )0 1 2 o 1 40 1 3o 1 4 需要指出的是，在8 k 抛光试件上总会出现直排条纹斑，而同时抛光的二块b 3 0 试样上并未发现，这说明b 3 0 在材质均匀一致性上的控制要比8 k 更为有效。 1 5 新型诈调质钢和b2 ls 钛台金的切削加1 。性研究 2 2 刀具材料和切削速度优选试验 进行此项试验的目的是为了选