（机械制造及其自动化专业论文）pcbn刀具干湿切削淬硬钢对比研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 根据目前的研究状况及发表的文献来看，人们普遍认为p c b n ( p o l y c r y s t a l l i n ec u b i c b o r o nn i t r i d e ) 刀具干式切削能够获得更好的加工效果和刀具使用性能，切削液的使用 只会加速刀具磨损，提高生产成本，而且不利于环境保护。但是根据调查，在p c b n 刀 具的实际使用中，纯干切削技术还会遇到很多困难，国内使用p c b n 刀具的部分企业仍 然把切削液作为主要的冷却手段，因此为了弄清p c b n 刀具干、湿润滑条件下刀具使用 性能的差异，本文以p c b n 刀具干、湿切削淬硬轴承钢g c r l 5 为实验，进行了较为深 入的对比研究。 本论文共分五章：在绪论部分详细的介绍了p c b n 刀具的发展、应用及刀具磨损状 况，总结了硬态切削技术所具有的特点，并对前人在p c b n 刀具硬态切削领域内的研究 工作进行了回顾和总结；论文第二章分为两部分，实验设计部分与实验部分，其中实验 设计部分主要包括p c b n 刀具的设计、夹具的设计、工件材料的选择等，实验部分对实 验的步骤进行了介绍，并且对实验所得到的数据进行计算、分析，绘制了干、湿润滑条 件下切削力、刀具寿命、表面粗糙度对比曲线，同时利用先进的设备( s e m 扫描电子 显微镜) 拍摄了许多有价值的图片；接下来第三章、第四章的内容是依据第二章实验所 得到的曲线和图片，在查阅了大量的国内外参考文献基础上进行的分析与讨论，其中第 三章详细的分析了干、湿切削条件下刀具磨损对切削力的影响，切削液对刀具磨损形式、 磨损机理及被加工工件表面完整性( 包括工件表面粗糙度、白层厚度、表面硬度) 的影 响；第四章研究了切削用量的变化对切削力、工件表面质量的影响，并且根据现场拍摄 的图片对切屑进行了一定的研究；最后结论部分对本论文工作进行了详细的总结，得出 了一些具有实用价值的结论。 关键词：p c 洲刀具；硬态切削；月牙洼磨损；白层；表面粗糙度 曹永泉：p c b n 刀具干湿切自淬硬钢对比研究 a c o m p a r i s o ns t u d yo nw e t & d r yc u t t i n gh a r d e n e ds t e e l w i t hp c b n c u t t i n gt o o l s a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tl i t e r a t u r ea n dr e s e a r c hi nh o m ea n da b r o a d ，i ti sb r o a d l y b e l i e v e dt h a tp c b nc u t t i n gt o o l sw i i lp e r f o r mab e t t e rc u t t i n gp e r f o r m a n c ei n c u t t i n g h a r d e n e ds t e e lw i t h o u tc u t t i n gf l u i d 1 1 l eo s eo fc u t t i n gf l u i dw i l lo n l ya c c e l e r a t et h eq u i c k w e a ro fp c b nc u t t i n gt o o l s i n c r e a s et h ec o s to fm a n u f a c t u r ea n dp o l l u t ee n v i r o n m e n t h o w e v e r , a c c o r d i n gt os o m ei r e s t i g 砒o n ，t h ep u r ed r yc u t t i n gt e c h n o l o g yo fp c b nc u t t i n g t o o l su s u a l l ym e e t sm a n yd i f f i c u l t i e si ns o m ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，a n ds o m ee n t e r p r i s e si n h o m es t i hu s ec u t t i n gl i q u i da sam a i nm e t h o dt od e c r e a s et h ec u t t i n gt e m p e r a t u r ei n m a c h i n i n gp r o c e s s f a c i n gt h ec u r r e n tp r o b l e ma n d c o n f l i c tb e t w e e nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n ，a s e r i e so f c u t t i n ge x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u ta n dt h ec u t t i n gf o r c e s ，t o o lw e a r , s u r f a c ei n t e g r i t y a n dt h ee f & c to f c u t t i n gd a t ao ns u r f a c eq u a l i t ya r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h i st h e s i si n c l u d e sf i v ec h a p t e r s i nt h ec h a p t e ro fi n t r o d u c t i o n t h i st h e s i sc o n c i s e l y o u t l i n e st h eh i s t o r yo fd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o na n dt 0 0 1w e a rm e c h a n i s mo fp c b n ， s u m m a r i z e st h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so fh a r dt u m i n l l n gw i t hp c b nc u t t i n gt o o l s a n da l s o r e v i e w st h es t u d yw o r kd o n eb yp r e c e d e n ti nt h ef i e l do f h a r dt u r n i n g i nt h ec h a p t e rt w o ，t h e t h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g no fe x p e r i m e n t sa n dt h es e l e c t i o no fc u t t i n gd a t aa n dm a t e r i a l s i n c l u d i n gt o o lm a t e r i a l 。w o r l t p i e c em a t e r i a l ，a n dm a c h i n i n gt 0 0 1 me x p e r i m e n t a ld a t aa r e s e t t l e da n dc a l c u l a t e d ，s o m ec o m p a r i s o nc u r v e sa r ed r a w n , a n df u r t h e r m o r es o m ev a l u a b l e p i c t u r e sa r ct a k e nb yt h ea d v a n c e de q u i p m e n ts u c ha ss e m i nt h et h i r da n df o u r t hc h a p t e r ， t h ee 船c to f t o o lw e a ro nc u t t i n gf o r c e s ，t h es u r f a c ei n t e g r i t y ，t h ew e a rm e c h a n i s ma n dw e a r t y p e do fp c b nc u t t i n gt o o l sa n dt h ee f f e c t so fc u t t i n gd a t ao nc u t t i n gf o r c e sa n ds u r f a c e r o u g h n e s sa n dt h es a w - t o o t hg o t t e ni ne x p e r i m e n ta r ct h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e dw h e nt a m i n g h a r d e n e dg c r l 5b e a r i n gs t e e lw i t h a n dw i t h o u tc o o l a n tb a s e do nt h ed a t aa n dc b r v e sa n d p i c t u r e sg o t t e ni nc h a p t e rt w o i nt h ee n d ，s e v e r a lv a l u a b l ea n dp r a c t i c a lc o n c l u s i o n sa r em a d e a c c o r d i n gt ot h ec h a p t e rt h r e ea n d f o u r k e yw o r d s ：p o l y c r y s t a l l i n ec u b i cb o r o nn i t r i d ec u t t i n gt o o l s ：h a r dt u r n i n g ：c r a t e r w e a r ；w h i t es u r f a c e ；s u r f a c er o u g h n e s s i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 趱日期： 丝：呈翌： 大连理工太学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 蔑定”，羁意大连理王大学保熬并彝鬓骞奏关罄门或掇褥送交擎位论文赡复印转耱毫予 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部绒部分内 容编入毒关数攒痒进露检索，墩霹采用影印、缀印或援攒等复铡手段傺存积汇缡学垃论 文。 作者签名： 导师签名： 监 易五 生瘁l 月，_ e t 犬连理工太攀硕士学位论文 1 绪论 硬态切燃技术是遐年瓤发展起来的一璜现代切削技术，它的广泛应用绘划造业带来 了新的经济效益和活力。目前陶瓷刀具、p c b n 刀具及各种涂层刀舆在硬态切削中得到 了广泛的应用，丽p c b n 刀矮更是独树一帔，它是熊够满足硬态切潮要求静奎要刀具材 辩，也楚国蠹外公诀静蜜嚣溪态切黼、裔遴访蘩和予甥赘等先避餐魏技零熬臻悲刀具耪 料 1 - 3 】。 。 超硬材料刀具p c b n 1 1 p c b n 刀吴酌发畿 立方氮耗舔( c b n ) 是缝久王舍戏奉| 糕，是缝久造金爨夏乏嚣奖星g e 公司予1 9 5 7 年彗先宣毒测用菇渥、超离压装置会成的另一矛巾掰型超硬材料1 4 1 。聚晶立方氮化硼 p c b n ( p o l y c r y s t a l l i n ec u b i cb o r o nn i t r i d e ) 是由c b n 微粉与少量结合剂烧结而成的多晶 体，它自1 9 7 3 年研制成功以来，经过众多材料专家及刀其专家的努力，p c b n 材料及 其刃其琵完全送入实蔫除袭，在王整发达辫家p c b n 露其已痰翔予汽车、耋黧极禳等辗 城加工行业，不仅提惑了这些国家该领域产晶农国隧市场上的竞争力，丽且为它们带来 了巨大的经济效益。 我国于1 9 6 7 年合成出妲方氮化硼样晶，1 9 7 5 苹开始工业生产，1 9 7 3 年1 1 月西朋 省悫方氮化瑚协释组浚立方氮纯疆擎晶俸霖耩轿瓣出我国第一代( 壹径兔零2 5 毒 4 r a m ) 憋终浆晶立方氮诧硼刀具。但羽耳魏为止，我国出于对c b n 材料及其应用技术 的研究速度缓慢，缺荛有关的系统性研究，认为它价格嵩，对使用条件要求高，多以单 件刃具成本来片面地衡量缀济效益，限制了p c b n 刀具的推广使用，我国p c b n 刃具的 年产耄仅数酉万元人鬣氟年清耗氇仅千万元定右，蔼虽绝大部分p c b n7 3 坯或刃具惩 要铁基终进豳。 。 ，2p c b n 刃具豹燃裴 立穷氮化硼( c s n ) 是继人芏会成金刚石之螽出现的，利翅高温高压技术，用结构 与石墨相似的六方氮化硼转变而获得的第二种超硬材料峰】，它是氮化硼b n 的间索辫构体 之，其结构如图1 1 所示。它与金冈石不仅龉格常数相近( 金阐祗为3 5 6 t 矗，敷方氮 纯稍为3 6 1 5 矗) ，茬髓晶体串静结合键泰基本褶两，露都是嚣莲体京 诧靛共徐键，所不 弱的是金剐嚣中躲结合键纯系碳( c ) 贩子之闻的共份键，著将图1 。1 中的硼( b ) 、氨( n ) 原子均换成碳原子，则就成为金刚石的晶体结构。 营永泉：p c b n 刀熬干湿讶剿淬硬镧j c 壹磁研究 。一n ，b 图1 。1c b n 晶体缝摅 f i g 1 1t h e s t r u c t u r eo f c b nc r y s t a l 立方氮化硼的硬度缀略低予盒刚石，但却近远高予熟它高硬度材料，其性能指标见 袭1 。1 。 表1 。1 立方氮化硼性能 巯1 1 嗣c h a r a c t e r i s t i co f c b n 聚晶立方氮化硼刀舆的刀头材料是p c b n ，它是由无数细小的c b n 单晶无方向性组成 瓣，嚣鼗刃具菸秘蛙羁莰劈裂戆力魄擎蔟铡终瓣刀具大糕度提蹇，表瑗窭优越懿魏理、 化学和机械性能m ； f 1 ) 嶷戆硬癀穗纛| 赣性 c b n 的硬度仅次于企刚石，对于切削黑色金属的刀具材料来说，p c b n 刀其的硬度 最离，聪且在意滠下仍霹保持缀离的硬度。p c b n 刀具豹耐磨饿可以达要q 涂层刃具和赡 瓷刀具的5 1 0 倍，因此，使用p c b n 刀具能够明显减少生产加工中的换刀次数，提高 被加工王馋的互换性，缩短的产晶生产周期。 ( 2 ) 良好的鼯热性 在器类刀具材料中c b n 的鼯热性仅次于金刚覆，导热系数为1 3 0 0 w ( m 。o c ) ，是 2 丈连瑾z 大学颈士学燕论文 紫锈的3 2 蓿，楚硬霰会金酶2 0 倍，褥显随着澄度静辩离，弼淤的导煞系数灞燕。 ( 3 ) 良好的热稳定性 p c b n7 j 爨在8 0 0 0 c 辩懿篌度镪蹇子疆袋合金菇兵程豫瓷冤昊瓣豢渥璇度，程 1 2 0 0 0 c 时仍能保持较商的硬度，而且随着温度的升高，其导热系数亦随之升瀚，因此 p c b n 刃其嫠够缀爵赘滚是襞态甥熬、寒逮镯粼窝手蘩漤瓣恶劣趣工郅壤对刃爨奉| 料戆 要求。 秘) 较蘸懿搴擦系数 c b n 与不同材料间的摩擦系数为o 1 o + 3 ，而且随着切肖速度的提高，p c b n 的摩 擦系数是减枣瓣，从瑟使甥剡力城小，减少切燃对熬刃建皴缝瑰蒙，鸯魏予提薅魉工精 度以及波面质擞。 ( s ) 裹的化学稳定拨 由千c b n 的化学惰性特别大，在1 2 0 0 1 3 0 0 。c 时也不与f e 、n i 、c o 等发生反应， 所以p c 8 n 刀具在切削加工时豹化学磨损相对予其他刃具材料较小，可以广泛用来加工 各种材料的工件。c b n 与金刚石不同，在高游空气下有较好的稳定佼，与锫、镍等裰 难发生化学反艨，这也是为什么p c b n 刀具能够广泛的应用于汽车、轴承、齿轮等制造 行业。 p c b n 除具有以上优良的性能外，为进一步提高其强度，网前各p c b n 制造商多将 o 5 m m 左右静p c b n 屡矗接烧鳐或霹按在硬质含金萋体上，使之形成个复合整体( 嘏 称p c b n 复合片) 翔，这样p c b n 材料的高硬度、高热稳定性和高化学稳定性与硬质含 金墓体的强度伉、可潜往好等优点结合在一怒，使p c b n 刀美蔬戆够窳受巨大韬麓力， 同时也能够承受间断切削时的尚冲击力，而且也易于擞产制造。 1 1 3p c b n 刀舆的磨损梳理 遵过对切削实验和刃具实黪使用巾磨损情况豹总结，目前认为p c b n 刀具主要有以 下几种磨损机骥瞰3 1 ： ( 1 ) 机械磨损 切潮加工时，刀鬃与工件之间的离速裙对遥动弓l 怒蒯燕摩擦，工彳串材辩中豹硬震赢 对刀具表面具肖划伤作用，这种由机械摩擦引起的刀舆磨损是最常见的磨损因索之。 由于p c b n 刀熬的硬魔相对被加工穗精要高褥多，因鼗其辊械簿损并不鹱显，毽是p c b n 刀具唯一可以接受的刀具磨损。 ( 2 ) 稻结裁蘑豢 p c b n 刀具由c b n 晶粒与结合剂混合烧结而成，切削加工时，作为粘结剂的陶瓷 曹永泉：p c b n 刀具干湿切削淬硬钢对比研究 或金属首先被磨耗，从而使c b n 晶粒凸出刀具表面而受力松动，直至剥落。， ( 3 ) 氧化磨损 在一定条件下，c b n 可与氧发生化学反应，氧置换出c b n 中的氮，并生成b 2 0 3 ， 氧化的结果造成c b n 晶体晶面凹陷、晶棱缩小，使刀具产生“钝化”现象。c b n 在6 5 0 0 c 时开始氧化( 此时有n 2 释出) ，在1 0 3 5 0 c 时氧化加剧，其化学反应式为： 4 b n ( c b n ) + 30 2 - - + 2 n 2 1 l + 2b 2 0 3 水在高温下也可与c b n 发生反应，其化学反应式为： b n ( c b n ) + 3h 2o h 3 8 0 3 心m 3 由于这种“水解”作用可导致c b n 磨损，因此采用p c b n 刀具切削时一般应避免 使用水基切削液。 ( 4 ) 逆转化( 相变) 磨损 c b n 在1 2 3 4 0 c 时会发生c b n i - i b n ( 六方氮化硼) 的逆转化，这种转化起始于晶界 微晶区，已转化为h b n 的部分因硬度极低而失去切削能力，极易被高速运动的“热切 屑流”带走，从而导致p c b n 刀具磨损，这种磨损称为逆转化磨损( 也称相变磨损) 。 ( 5 ) 化学磨损 p c b n 刀具在高温、高压、高速条件下进行切削加工时，刀具工作层与被加工材料 及周围介质发生化学反应，当反应生成物被熔化后，在刀具前刀面上将形成一层液态薄 膜，其成分主要为化学反应生成的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等( 如b 2 0 3 、f e 、 f e b 2 共晶体) ，另外还有一些金属基化合物，这种液态薄膜对p c b n 刀具的磨损具有较 大影响，当切削速度较低时，液态薄膜的粘度较大，易被切屑粘结带走，因此刀具磨损 较为严重，当切削速度较高时，切削温度较高，液态薄膜动力粘度下降，对刀一屑闻的 摩擦可起到明显的润滑作用，且b n 在薄膜中已饱和，此时液态薄膜可起到保护层的作 用，防止成分扩散和化学磨损的进一步发展，故刀具磨损较小。 ( 6 ) 扩散磨损 c b n 对铁族元素( f e 、n i 、c o 等) 具有很强的化学惰性，有研究表明：在c b n 晶粒与电解铁的扩散实验中( 1 2 0 0 0 c ，加热3 0 m i n ) 未发现两者之间相互扩散；在p c b n 与5 5 钢的扩散实验中( 1 2 0 0 0 c ，加热3 0 r a i n ) 发现，c b n 聚晶后，刀具中的b 、c o 向f e 中有少量扩散，另外通过加热实验表明：t i n 基、t i c 基p c b n 刀具中的灿与被 加工材料中的n i 发生了扩散；c o 基p c b n 刀具中的c o 与被加工材料中的n i 也发生相 互扩散：若刀具材料中含有n i ，则扩散磨损更为严重。 ( 7 ) 粘结磨损 虽然c b n 对铁族元素具有较高化学惰性，但对其它元素并非如此。p c b n 刀具在 4 大连理工大学硕士等啦论文 一定压力和温度条件下进行切削时，随着切滔不断流斑，刃尖与被加工材料泻不断裸露 鑫薪鲜表溪，不可避兔蟋要产生元素窝豹秘曩扩散，犷敬缝票饺c b n 豹惨性不瑟降低， 与会金元素的袭合倾囱不断增加，并为牯绩壤损创造了条件，当双方的相对运动使粘结 区材料发生破裂而被一方带走时，就造成了p c b n 刀具的粘结磨损。 微裂解磨损 在c b n 聚鑫遗程审，逶避箍媒或添趣裁囱毒| 辩串扩教进去些“杂矮”f 翔s i 、c 8 、 c u 等元素) ，这些“杂斌”存在于晶界闼，出于鹣界为杂质富集区，强度相对薄弱，从 某种意义上可视为“裂纹”( 称为“精绷裂纹”) 。此外，禚先天或加工条件( 即使烧结 良好) 作用下，在原始龋粒内部以及晶界处均存在着内应力。“精细裂纹”和内应力的 存在导致聚晶体酶实际强度遮低予其瑷论整。p c b n 刃具韵蘩对，露刃都微小擎鑫鬏粒 残落现象稼力徽裂解，数个c b n 颞数豹剥落称澹微崩刃，微裂鳃与微崩刃混杂磨损是 超硬刀具材料特有的磨损类型。 ( 9 ) 非正常磨损 菲歪常瘩损主簧指p c b n 刀蒜静麓刃羹缓搽( c b n 醪块囊藩) ，产生臻秀型镀损瓣原 嚣与甥削条锌选用不当、刀舆馊弱不会理、加工设备条传鬟、操作考缺乏经验等园索有 关( 肖对也与复合片质量问题有关) 。刀具刃磨质壤不离也悬造成刀具碎裂的一个重要因 素，刃磨时在刀具表面留下的划痕会大大降低刀具强度，进而会使c b n 晶粒从划痕处 脱落，造成刀其的徽袭解磨损和徽蘑弼，盍至刀其破损。 总之，p c b n 刃具豹各秘瘗撰壤爨是摆曩影响、攘互促进、共同馋思，如鲢化蹙损 和稳变磨损必然伴隧着粘结磨损，并可使机械磨损加剧，同时也会促进剥落磨损和微崩 刃磨损的产生。 1 1 4p c 刚刀具圜内外应用 立方氮化硼对铁族元素盛惰性，故p c b n 刀矮主袋适用于加工各种高硬度材料f 冀( 如 冷律工英钢、燕俸工昊镶、嵩速钢、辘承钢、耪寒冷衾锅、精采冶艨金满、骂氏俸不锈 镊、裹强度钢、舞锰镄、南日铸铁、奥氏体软铁等) 、各融冷硬铸铁莘耐磨铸铁如 m n e l 7 1 8 、袭面硬化合金、烧结w c 、球鼹铸铁、c g i 及各种铁基、镍綦、钻基和其它 热喷涂( 焊1 零件，据调奁p c b n 刀具在淬硬钢和铸铁的精密切潮加工应用最为广泛，占 p c b n 刀舆鼗繁静8 0 9 6 醵上。舅井，p c b n7 其还爵用予嵩速铣削灰铸铁帮冷硬铸铁，掘工 赛激舍金、璜震会佥、工程陶瓷及其宅难加工毒| 料。由于c b n 与铁索体有象秘性，因 此p c b n 刀舆仅用于硬态切削中( 礤屺4 5 以上) ，再者某些材料或加工条件( 如典型 的软钢、奥氏体或铁索体不锈钢、高铬钢或表面涂铬材料、采用断续切削的高速钢、铁 曹永泉：p c b n 刀具予湿切削淬硬钢对比研究 基类表面硬纯含金等) 由于容易雩l 起p c b n 刀片的非正常识学磨损，因此不宣采鼹p c b n 刀具加工。 鉴予p c b n 刀其是加工上述妨料最念惩的刀具，各发达圜家将其铭必规热王工业巾 提嵩经济效益静鳌要王其翔戬发糕，尤箕楚在汽车、字航、军工等工韭中烫为突斑( p c b n 刀其庾角领域：汽车工娩占5 0 3 7 、重鍪| 税械2 0 7 4 、聚焦8 8 9 、轴承齿轮5 9 3 5 、 轧辊s ，1 9 5 、航空航天2 。9 5 ，其它5 9 3 ) ，蔚苏联1 9 7 2 年开始艇出p c b n 刀具，美 国g e 公司1 9 7 3 年制成p c b n 刀具，d e b e e r s 公司7 0 每代中期投产p c b n 刃舆，日本 1 9 7 5 年羚发零鬻产品，增长逮发飞俊，据褥本韬诲g 协会对5 3 个大公司的谲套统诗 1 q ： p c b n 刃兵酌应用中5 5 是替代灏青藏珩麟，我黼1 9 7 3 年开始辩p c b n 刀具进行研究， 目前已有小批蠹垒产，值与国井产品在漩鬣上、赫静上仍存在缀大的茇躐。鞭藏世界立 方氮化硼刀具的年消耗爨约5 0 亿目元，且年增长率商于其它备类刀具榜辩。棚售睫豢 蔫辩按发展麴甏求，蠢动纯鸯羹王技术瓣疫愚西憝酱及，对切割效率耪精度鹣蘩求越来越 离，各种新型瓣密、高硬度瀚材料在互靛上应淆褡j 蛰增翔，对高硬、崭鬣、酣离溢耐瓣 蚀盼难鲡工材料嬲工羹豳益增大，p c b n 刃其阳蘸景十分始弼。 。2p c b n7 j 具的矮态切割按术 1 2 1 骥态切割的凝念 漳磺零传大都是羔铭在其物理性投黢点烈返黪悫性能零搏，爨姥螫求窀髑具有缀 筒豹硬度鞠耐蘑往，然而氇正怒由于它们硬度的獾嵩，给加工带来了檄大的局限性。 表1 ，2 硬态切削鸯磨黼的比较 t a b 1 2 t h e c o n l a a s t b e t w e e n h a r d t u r n i n ga n d g r i n d i n g 过去由予没有红硬健的刀具材料而仅能依赖于磨削加工，如今随着p c b n 刀具的发 6 大连理王大学蘸士学霞论文 麓、瘟飚技术豹进步、p c b n 性艇虢提高、价格瓣满整、数控税臻等魏工浚备耱溲静提高， 以硬态切削替代磨削来完成淬硬零件的最终加工已成为个新的精加工途径1 1 1 。与传统 豹密蘩稚爨，磺态韬粼热王戆将熹絮表1 2 嚣霹。 1 2 2 豳内外磷究概况 遥馨来，p c b n 刀其的硬态切黼技术在发达甬家发展十分逐遮，并且褥弱广泛的应闵， 例如，荚国、日本、德闼等国家在汽车制造、娥加工材料的切削加工中已大量稳定地使 糟p c b n 刀买，辩都获褥了 蘸葑瀚加工效采耩蚕大的经济效益。嚣蓠国乡 对p c b n 刀吴翻 工淬硬铜的研究领域做出了大濑的研究工作【1 5 俐，研究的重点主要包括：各种牌号的 p e 礤刀其期工不阕硬度淬硬材瓣瓣留麓性糍；锈赘霜纛辩踅渊刀具瘸簇戆影漓；硬态 切削中自层形成的机理及对零件耐用度的影响；p c b n 刀具的几何参数对刀具滕损的影 响；芄凝刀吴壤羲魏蘧雏分爨；p c b n 弼吴磨攒辩锈畿力、甥潮湛度、z 稃表瓣震量戆 影响以及以上备个方面的有限元分析和计算机仿真等。 我懑慈睬刀具应援蓬鋈述糖怼较糕，谗多众韭羁王厂还鼹以接受愆b n 刃鼗熬硬态 切削加1 1 1 工艺，其主要原因是方面国内对于p c b n 刀具硬态切削中的刀具磨损和加工 度量熬磺究农警稷砖予嚣终毙鞍落嚣，还没枣念嚣攒底豹掌握k 溅刀爨戆使翔技拳， 对切肖用量以及刀具磨损机理等尚未能做出合理、全面的理解，使得p e b n 刀具的切削 经济牲蔫彗逶嫒矮舍金窝陶瓷粥具载经济蛙毙搁当甚至要低；另一方聪对p c 膝刀具壤 密硬态切削加工淬硬钢淡面完艇性的不确定性难以掌撼和控制，所以，目前迫仞需要对 p c 烈刀具故刳逡积搜用方面进彳亍全嚣系统的研究，以缀小我国在p c b n 刀具的疲用水乎 上和国外的差躐，提高浅国在相关领域的产品的竞争力。 。2 。3p c 翻刃爨疆态翅期技式黪焘 ( 1 ) 切削力的特点 刃具 j 1 一1 。7 i _ ii a l l 7 j ：1 “i ， 嚏a 肇， 图1 2 硬态切削区的形状和切削力特征 f 培1 2 f i g o f c u t t i n g a f e a a n d t h ec h a r a c t e r o f c u t t i n g f o r c e 曹永泉：p c b n 刀鼹干湿切削淬硬钢对比研究 硬态切削大多数应用在精加工过程中，切削厚度较薄，切屑的形成主要产生在刀尖 瓣疆半较窝甓棱之溺熬熬壤，热强1 2 获示精密疆态韬粼区豹形装及甥潮力懿褥薤。 目前，关于硬态切削过程中的切削力，国内外学者作了大量的研究正作，得出了很 多重要熬结论。a b d u l l a h 礴a l f 2 l l l 2 2 l 对有受壤棱懿甥浆刀爨送学甥剡蕊囊惑，将援澍区分 为三个部分进行分析：童切削区，金属梦e 区和第二变形区，并指出倒棱对径向力影响较 大。巴嚣a b r a om e n d e s 媾1 2 1 分攒选用魄瓷刀炙、低c b n 含量秘鑫c b n 含量豹p c b n 刀 舆切削a i s l 5 2 1 0 0 轴承铜( 硬度6 2 h r c ) 时发现：饪向切削力最大，其次是擞切削力和轴向 切削力；糖加工时切削力约为精加工时躲6 9 倍；切削力与进绘量、切削深度靼匿刀 两磨损鬣成近似线性关系：当切削速度增大时，切削力稍有下降。德国阿亨工业大学眠 k s n i g 教授圈通道用陶瓷刀具秘p c b n 刀具切削l o o c r 6 潞硬轴承钢的切削力对比实验， 研究了稍潮速度、切削深度和避给量对切削力的影响趋势，研究表明主仞削力和轴向力 的变化与切深呈线性增长趋势，丽径向力增长缓慢，不同的迸给疑对切削力的变化影响 趋势一致，轴自力的增长速率稻低于主韬箭力和径自力，而当避给量很小髓，会出现径 向力大予主切削力的现象。日本中山一雄教授【1 卅认为提商切削速度使切削力有所下降的 燕要涿函是切削漱度舞蠢便工锌塑性灌强( 邵金耩的硬爱函切潮澈度酶律用丽降低) ，不 过这种性质的变化仅限予一定的切削速度范围，当切削速度超过2 0 0 m m i n 时，切削力 并不港下降趋势变铯。跨尔滨瑾工大学翊献裢教授嘲基q 采用芷交试验对镯麓力豹影响黉 索进行研究，得出了切削速度、切削深度、进给爆和工件硬度对应切削力的三维曲面， 凌试验条锋下褥爨了圭魏黼力交织撬律蒸本符合传统金灏翡凝理论戆绪论。 ( 2 ) 金属软化效应 硬态于式切燃潋毳重热萋穆瞰l ，簌糖浆热戆角疫塞发，淬溪镄瓣瑗态于式露裁凝理裁 魁被切削金属层的软化作用机理，切削温度对金属软化效应起决定性作用，即工件硬度 夔镯削瀵度夔秀舞夏降低，共遴一步影峨曩杰爨工袭夏豹形藏及其震量。鬓羚，硬态韬蜊 存在一个临界硬度概念，即在临界硬度两侧切削原理有擞著的不同。刘献礼教授在聚 鼹立方氨纯硼刀舆及其皮爆1 1 0 】书中指凑，当工传硬度低予h r c 5 0 时，农任意切削条传 下，随着工件材料硬度的增加，切削温度增加；当工件磷度高于h r c s o 甘寸，随着工件材 料硬度的增加，切削涅魔却有下降的趋势，由此鞭定h r c s 0 是切削枫理产生变化的惬赛 点，即工件材料硬度低予h r c s o 时，切削机理符合一般的切削理论，当工件料硬度高于 h r c 5 0 时，切削枫理因金属软化效应的产生而发嫩变化，由此导致切削力、已加工表厦 残余应力分布和囱层的产生情况发生变化等，这一结论醴由g c r l 5 轴承钢的硬态干式切 削实验彳簪斟证明滞曰f 2 4 。 鹳镯羁瓷疆 大连理王大学顼圭学位论文 硬态仞黼中秘屑的磷究是硬态留毒l 研究静煞熹之一。传统韵潮热工鹣对象多是未经 热处理的钢件，切屑形态多为连续型带状切屑，硬态切削直接加工淬硬聪的工件，其切 瓣形态较为褥舅| l ，翔圈1 。3 所承必锈凌形切藩。 圈1 3 硬淼切削的锯齿形切屑 f 毽。1 3s a w q o o t h e dc h i pp r o d u c e db yh a r dt u r n i n g 硬态甥翻孛惦霾鹣形态逶誉为锯齿形，强裁慰锈凌形甥属豹形残枫理还没蠢达成共 识，但总体上可归纳为两大理论体系：即突变性热爨剪切理论( 或缎热剪切理论) ( c a t a s t r o p h i ct h e r m o p ! a s t i cs h e a r ) 霸鼷期性断裂理论( p e r i o d i cb r i t t l ef r a c t u r e ) f 2 明。锯 齿形切属对切削过程有很大的影响：1 ) 由于锯齿形切屑带走的热量较带状切屑多，因 她切削濑疫摆对要低些；2 ) 由予切屑与刀具兹刀面的接触长度小，使绳前刀霹的磨损 主要集中在距刀刃很近的部分，因此对刃具强度提出了较高的蘩求：3 ) 形成销齿形切 屑对，材料的硬发高、韧性差，加上p c b n 刀具与被加工材料阋的摩擦系数小，加工过 程中很难形成积屑瘤，鞠此只瑟刀兵刃磨质量离，就会得蓟蘸好的表面褪糙度；4 ) 镰 泼状切屑还可导致切削力高频率地周期变化波动，增加了刀具麟损速度，降低了加工精 度和表瑟质量。 ( 4 ) 磨损机理与磨损形式 露豁关于硬i 基诱翻过程牵刀薅豹主蘩窘损梳理方蟊还存在麓一些分鼗，懿b o g g i o 2 9 1 等人研究认为：c b n 颗粒发生化学磨损怒p c b n 刀具磨损的主要原因，而粘结剂谯切削过 程中豹掰磨往黥鋈好予c b n 颡羧。b a r r y 裙b y m e ( 2 0 0 1 ) n 整学蠢赞同b o g g i o ( 1 9 9 6 ) 关 于c b n 刀具磨损主要怒由化学机理产嫩，他们指出粘接剂比c b n 颗粒更耐磨捌3 0 】。 z i m m e r m a ne ta l + ( 1 辨7 ) 潮诀菇c b n 穗甥疆串懿扩教怒圭要装刀具瘗援巍理。s 。y 。l u o 眦a l t l 3 】指出一种不同的磨损机联，粘结剂被工件材料中的硬质点摩擦掉，导致c b n 颗 粒囊落。纛n a r u t a k i 帮y a m a n e 2 0 1 逶过p c b n 刃具磨攫实验磅巍了癌援壤理，发瑷蛙予 加工不f 闭淬硬钢( 相同的硬度、在相同的切削条件下) 而言，刀具寿命会有很大的差距， 纯学期扩教过黎在刃县溪臻中越到了j # 誉重要静撂月。 营隶泉：p c b n 刀具干浸韬# 淬疆锅对魄研究 p c b n 刃其除了具有复杂髓壤损搬理秘，切割过程中的蘩攫澎式与抟绞鹣刀具瞧寿较 大豹差别。p c b n 刀具在甥剃j 连鬏孛熬主要詹按形式为；前刀鬣詹攒、看刃褥癀损、崩刃， 如图1 4 所示，荩中前、质刀面磨损区域均鞍小，主要集巾奁刀尖积负倒棱附近。煎刃 嚣磨损形式表现为月牙注癀损，帮在前刀霭上形成月牙形的凹坑，觳在刀其使用不久 就会出现于负镧棱靠近刀尖辩邋鹣部馥，且宽度很窄，露懿月雾洼蹙损主要认为是由于 刀炅奉| 料孛的b n 扩散剿切爨串或是糕结粼发生褥绻貉过程。蘑刀藩磨损主要表现为一 系列的凹痕，它是因为被加工工件材料内含有的硬质点对刀具后刀蘧的剽擦、磅磨作月 蔼形成酶，溜步 研究认为【3 硼捌：1 ) 精力面蘑损的程度主器受硬质点的种类、尺寸大小、 位餮分礤等的影响；2 ) 由予碳织物疆质点分毒不均匀、硬度援毫、硬度交化大，掰戳 在甥澍糕露硬度鹣苓溷工 孛材料时，刀罴瘥按程发毽商徽大的不同。 ( & ) 攘刃裁羼琴洼壤按婚) 蘑菇嚣磨撰( c ) 糍刃 ( a ) t h e c r a t e r w e a l o f r a k e s u r f a c e 氆) t h e f l a n k w e a r ( c ) c h i p p i n g 圈1 , 4p c b n 刀具磨损形式 f i g 1 4 t h e w e a r f o r m a t o f p c b n c u t t i n g t o o l s ( 5 ) 已加工表丽完熬往 硬态甥毒热工过程豹特煮是刀具承受豢辊械裁裁秘离热载蘅，因褥硬态韬潮鑫翻工 表瑟完整性( 包掭袭面裰糙度、尺寸精发、穗加工表磷硬识层深度、匠加工表嚣斡残余 应力分搬薅方藤) 是决定能否采用硬态切削作为糕热王手段的关键趣蘧。穗翦研究表爨 t 3 4 - 3 镌p c b n 刀其硬淼切削的加工精度基本上可以达到磨削加工的精度等级，而且硬态切 赵魄常规磨削菱戆保持工孛# 表露瞧然浆宠整牲。 表面粗糙度 在簧避车床上使用p c b n 刃具甥削加工5 0 6 0 h r c 的淬硬镪对，一般帮戬获撵表瑟 粗糙度为r z = 1 8 3 u m ( 相当于f 日标准的v 8 - 一v 9 ) 、r a = 0 5 m ( 椒当予旧橱；准约v 7 v 8 ) ，尺寸精度霹达到0 。0 1 4 r m ，穗当于数控瓣床麴置静精度等级，这迩是p c b n7 3 其“戳 车代磨”的一个熏癸困素。另外p c b n 刃其夜切潮硬度高煎工终蹲衾疆瑰“金瘸较豫效 应”，文券辉等人【3 8 】指出：在零嶷孵嚣刀瑟瓣擐情提下金属软仡效应对蠢加工袭瑶最量 大连理工大学硕士学位论文 有不良作用，精密硬态切削淬硬轴承钢g c r l 5 的后刀面磨钝标准v b 一般不宜超过2 0 0 u m ， 不同后刀面磨损量时材料的塑性侧流形式也有所不同，所以精加工中，应限制刀具后刀 面磨损量在较小的范围内。 表层残余应力 加工表面的残余应力状态直接影响零件的使用性能，同时也是衡量加工表面完整性 的一个重要指标。最新研究发现工件内部残余应力分布轮廓比表面残余应力对滚动摩擦 疲劳有着更重要的影响，较深的残余压应力有助于滚动摩擦疲劳寿命【3 9 】。我国学者采用 p c b n 刀具加工淬硬钢( g c r l 5 ) 发现已加工表面硬度有所提高，并产生一定的硬化深度， 零件表面层以下产生残余压应力，最大压应力位于工件表面以下5 0 u m 处酬。图1 5 所 示为加工零件从表层至基体的残余应力情况。 on 吆o , 0 4o mn 0 1 0 o 1 2 耱阱确睡寓 - - ； 图1 5 硬态切削与磨削的残余应力 f i g 1 5t h er e m a i n ss t r e s so f h a r dt u r n i n ga n dg r i n d i n g 硬态切削工件表面产生残余压应力【4 0 】，这有助于提高零件表面的抗疲劳性能，但是 当切削用量选择不当或者是刀具磨损过大时，被加工工件表面也会产生残余拉应力【4 1 】。 k o n i ge ta l 2 0 1 认为后刀面磨损的增加将会增加刀具与工件之间的摩擦，由此导致的巨 大的摩擦热是导致残余拉应力的主要原因，他们也指出由于增大摩擦而产生的热量将导 致工件表面更多的残余拉应力，但同时亚表面也会产生更多的压应力。m e n gl i u e ta l h 2 j 研究指出切削初期刀具磨损对被加工表面残余应力影响很大，随着刀具磨损的增加，残 余应力转向拉应力、工件亚表层残余压应力增加较多。另外，刀具几何参数对( 倒棱、 圆弧刃、钝圆刃等) 亚表层应力分布及应力分布轮廓曲线有很大的影响；较大的负前角 会产生较大的残余压应力，而且压应力在工件表层以下分布较深，切削深度并不影响残 余应力，增加进给量可以显著的增加残余压应力，所以合理的选择几何参数对获得良好 的工件表面质量具有重要意义田j 州。 白层 影响硬态切削已加工表面质量的另一个重要因素是“白层”，白层是伴随着硬态切 -篁、茕剧f啊篁雕 簧永泉：p c b n 刀舆干漫切淬硬锶对比霹究 粼过程掰形成静工件表艨帮驻表层静一种特殊缝绫形态( 翅图i 6 所示) ，困箕程光学盟 徽镜( 竣普遴电予显微镜) 下彗糯亮臼色雨褥名湖。南艨其有离硬度、不易侵蚀、较薄、 器粒极缨、严墼邈交、形残辩阕短程存农镞裂纹等特缝。 辫1 6 疆卷褥翻蠢耱工表帮瀚斑层 f i g 1 6t h ew h i t el a y e ro nt h eh a r dt u r n e ds u r f a c e 硬态切肖h 加工中被加工表面出现自滕，它直接影响到材料的磨损性能与零件的使用 寿命，直悬磨损领域驹一个研究焦点。目前认为：自艨特殊缭构的形成，是出于切削 过程中产生的热藏使被加工表面温度达到a v 相变温度后又被迅速冷却的激冷激熟效 应导致的【1 7 t1 1 8 1 。国内研究发现；自鼷的厚魔受切裁深璇、切澍速度及艨刀两蘑损影响 较大，而且只有刀具磨獭达到一定程度秘寸，被加正的零件表面才会有白滕出现，且自层 翁簿发麓刃其静麓损蓬线性臻麓。y k e v i nc h o u 帮c h r i sj e v a n s l l s l 等学者邋过爱蘑 损的陶瓷刀其硬态切渤5 2 1 0 0 诵研究硬淼仞瀚表面自层的形成，认为“囱层的形成主要 楚一个涉及销蘸金糯变纯酶快熬快冷过程”，德稍应疆簇于j a e g e r 豹移动熬滚理论鹣 熬量模羹来攘徽糯工袭稀静溢度范谣并裰据给定箍弄溢魔静穿逶厚度信计自层酌厚度， 分拆与蜜验缝累吻台褥缀好。文东糁等久【4 7 】f 4 8 l 袋用p c b n 刃荚臻粼淬硬g c r l 5 辘承锈， 发瑗“工释表藩帮亚表鬏虢鬃织虢态癌瀚匀分布豹稳箍玛氏体帮结晶马藩体疆及少萋静 残整奥茨体缎织，转变为主要是镀炊豹玛晁转、伴隧大鬃撰出黢碳他物耪少豢鹣残鐾奥 菠髂瓣金攘缀织”。a 。r a m e s he ta t t + s l 捂爨在孛绦锯裁遽发- f 麴瑟豹形袋囊要跫蠢手严整 购塑性变形便是靛细化的结果，瓤在巍逮下是层的形成主要是出于较高鲍热量导致最棚 转变戆缝累。 1 。3 席：课题的主要研究王作 目前，大多数已发表的论文都集中猩p c b n 刀具的干式硬态切削，并且指出千切削 对于p c b n 露其的应翊更其宥经济往，丽对p c b n 刃具湿留翻渗及缀少，帮使涉及也只建 停留在瓒论上，认为切削液对刀其只有害处，值实质上并没有迸行其体的、深入的实验 1 2 大连理工大学硕士学位论文 研究，而且据调查，纯粹的理论干切削在生产中还会遇到很多困难，而且一些所谓的新 式加工方法( 准干切削、低温冷却