（机械电子工程专业论文）pcbn刀具的使用技术研究.pdf

大逑理工大学硕士学位论文 摘要 切削加工是一种重要的机械肯4 遗方法。随着信息技术的发展，传统的切渐加工技术 已经逐渐为新兴的现代切削加工技术所取代。制造企业在应用高速切削、硬态切削以及 干切削技术中获得了巨大的经济效益。现代留削加工技术褥黻实现的一个重要豳素就怒 薪材料刀具的推广使用。应用于传统切削加工的高速钢刀具已经全面的被应用于现代切 削船工中的硬质台众刀具、陶瓷刀其、涂层刃其良及超硬刀篡所取代。p c b n 刃兵是一 种黧要的超硬材料刀具，被广泛认为是应用于现代切自0 加工的理想刀具材料。但是其在 我阐阮应用承平远远落后予绽达国家。 本论文在绪论部分简要总结了现代切削技术各个领域的发展现状，回顾了新材料刀 其的发展与应用。论文的第二章介绣了p c b n 刀其斡铡遥及冀优良静谤懿佳麓，并对藩 人在p c b n 刀具的两个主要的应用领域内的研究工作进行了愈面的回顾和总结。论文的 第三章研究了p c b n 刀具酶设计藉憨，逶遘芷交试验设诗方法安接餐澍试验，缀蕹试骏 数据研究了p c b n 刀具设计中的刀具几何参数的设计问题。指出在刀舆几何参数中对 p c b n 刀其寿命影确程度大，l 、翡颓痔经次秀镳嚣程度、倒棱角壤、刃 鬟霆和刃尖嚣豫半 径，发现倒棱底部钝圃的p c b n 刀具的磨损速度，会在刀具磨损达到定程度后大大增 鸯羹。论文豹第器章繇究了生产船工懿建模翅熬，握窭了一静辫翡墓予刀具可嚣经熬最大 生产率模型。并且根据前人的试验数据，给出p c b n 刀具的可靠性随切削用量和使用时 阉笈生交纯时黪诗冀公式。论文戆舅五章袄撼第霆牵中蕊瑟夔甥鬻粪羹王模型建立蟊蓐爱 数，并通过种改进的小生境遗传算法解决了p c b n 刀具镗削加工h t 2 5 0 机体电机孔 时瓣甥裁瘸蹩魏纯阏蘧，诺纯结暴秘琢甥削溺塞耀毙矮嘉馥爨熬经滚援势。 奖键词：潞辅；鬣交试骏；毒纛镶；速簧篝法；蛾削瘸羹；枣生缓技术；税 乏 p c b n 刀具的使用技术研究 ar e s e a r c ho ft h e a p p l i c a t i o n o fp c b nt o o l s a b s t r a c t c u t t i n g i so n eo ft h e i m p o r t a n tp r o c e s s e s i nm e c h a n i c a im a n u f a c t u r e w i t ht h ea d v a n c e m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，t h e t r a d iti o n a lc u t t i n g t e c h n o l o g y h a sb e e n r e p l a c e db ym o d e r nc u t t i n gt e c h n o l o g yg r a d u a l l y ， m a n u f a c t u r e e n t e r p r i s e s h a v em a d e g r o a tp r o f i t s f r o mt h e a p p l i c a t i o n o f m o d e r n c u t t i n gt e c h n o l o g y 一一h a r dt u r m n g ，h i g hs p e e dc u t t i n g a n d d r y c u r t i n g f o r t h ew i d e a p p l i c a t i o n o ft h em o d e r n t e c h n o l o g y ，t h e w i d e a p p i c a t i o no fn e wc u t t i n gm a t e r i a li sa ni m p o r t a n tf a c t o r t h eh i g hs p e e d s t e e lc u t t i n gt o o l st h a ta r eu s e db r o a d l yi nt r a d i t i o n a lc u t t i n gh a v eb e e n i o t a 1 yr e p l a c e db yc a r b i d et o o l s ，c e r a m i ct o o l s ，c o a t e dt o o l sa n ds u p e r h a r dt o o l s p c b ni so r l ek i n do ft h ei m p o r t a n ts u p e r h a r dt o o lm a t e r i a l sa n d i s w i d e l ys u p p o s e d t ob ea ni d e a lt o o lm a t e r i a f o rm o d e r n c u t t i n g t e c h n o l o g y b u ti t sd e g r e eo fa p p l i c a t i o ni nc h i n ai sf a rb e h i n df r o mt h a t i na d v a n c e dc o u n t r i e s i nt h e c h a p t e r o f i n t r o d u c t i o n ，t h i st h e s i s c o n c i s e l y o u t li n e st h e s i t u a t i o no fd i f f e r e n t a s p e c t s o fm o d e r n c u t t i n gt e c h n o l o g y ，a n d a l s o r e v i e w st h e h i s t o r y o f d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o no f t h en e w t u t t i n g m a t e r i a l i nt h e c 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 e 黻n n f a c t “r eo f p c b nt o o l sa n di t se x c e l l e n t c u t t i n ga b i l i t i e s ，m o r e o v e r i tp r e s e n t s a c o m p r e h e n s i v eo u t l i n e i nt h et w om a i n r e s e a r c hf i e l d so ft h ep c b nt o o l s i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h ep r o b l e ma b o u t d e s i g n i n g t h ep c b nt o o l si 8 d e t a il e d t yd i s c u s s e d ，t h r o u g ht h ed a t af r o mt h e o r t h o g o n a lc u t t i n g e x p e r i m e n t s ，t h e c o n c l u t i o nc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h e c u t t i n g t o o l g e o m e t r yp a r a m e t e r s t h a ta f f e c tt h et o o li i f eo fp c b nt o o l si nt u r n i n ga r e t h eh o n e de d g ea tt h eb a tt o mo ft h ec h a m f e r , t h ed e g r e eo fc h a m f e r ，t h e l e a da n g t ea n dt h er a d i u so fc u t t i n gt i p i ti sa l s of o u n dt h a tt h es p e e d o ft o o lw e a rw i l1i n c r e a s e g r e a t l y a f t e rt h et o o lo u t st h e g r e y i r o n 1 盔塑堡三查! 堂堡堂堡：堕塞 e x c e e d i n g t os o m e e x t e n t i nt h e c h a p t e rf o u r ，t h i s t h e s i sm a k e sa r e s e a r c ho ft h e p r o b l e mo f b u i l d i n g am a t h e m a t i c a l p r o d u c t i o nm o d e l ，a n d p u t su p an e wm o d e l t h a ti sb a s e do nt o o l r e l i a b i l i t ya n do r i e n t e df o r t h e o b j e c t i v eo f 。l n a xp r o d u c t i o nr a t e a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a ld a t a f r o m o t h e rr e s e a r c h e r s w o r k ，i tp r e s e n t saf o r m u a t i o nt h a t c a nb eu s e df o rt h e c o m p u t a t i o n o ft h ep c b n t o o l r e l i a b i l i t yw i t ht h ev a r i a t i o no fc u t t i n g d a t aa n d u s i n g t i m e i nt h ef i f t h c h a p t e r ，a no b j e c t i v e f u n c t i o ni s d e f j n i t e df r o mt h em a t h e m a t i c a lm o d e l b u i l ti nt h e c h a p t e r f o u rf i r s t ly 1 t h e n o p t i m i z i n gt h ec u t t i n gp a r a m e t e r si sd o n eb yt h en i c h e dg aw h e nt h e p c b nt o o l b o r i n g s t h em o t o rh o l eo fb l o c km a d e i nh t 2 5 0 i ti so b v i o u s t h a tt h e c u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z e dc a n b r i n g m o r ee c o n o m i c p r o f i t s c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lc u t t i n gp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：p c b n ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；r e l i a b i l i t y ；c u t t i n gp a r a m e t e r ；o p t i m i z a t i o n 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。尽我餍稚，除了文中特剐翔班标注和致谢的圭氇方 外，论文中不包含其蚀人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或诚书所使用过的材料。与我同工作 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 = t 硌。 幸挈者签名：罄絮；堑! 圣堑 人连理工大学硕士学健论文 l 绪论 材料鹃窃戮鸯n 王是摹l 瘸橇廉褥供翡动力，孀硬震离于工释耪瓣麓零刃或爹刃刀具对 工件进行切削，从丽使工件达到预邂的几何形状、尺寸精度以及表两质量的机械制造方 法。在霹爨燕工中，刃翼怒提离谗削趣工麓生产率帮经济援豁最活跃蒋因素。近釜年来， 现代切削加工技术( 硬态切削、高速切削、干切削等) 的应用和推广，很大盛度上得赫 予簌翡刃基材释懿广泛蔹碌。在薪黪刀吴毒害辩中，p c 转n 刃具其畜离矮囊、离瓣瘗波、 赢化学稳定性以及离加工裁颇质量等优点，是公认的应用于现代切削加工技术的理想刀 其枣耋瓣。被捃美国超硬李才辩市场与按术现敬摄啬书中鬻蹬；戳拢8 n 帮p c d 为主 的趟硬材制工具的开发利用，是美因等先进阁家保持技术和经济优势的关键 1 。但是在 圈内麓孬她鼹金照中，菠懑p c b n 刀吴豹范漆餐然 掌有澈。静对p c b n 在蓬蠹痰楚 范阁急需推广的现实，本课题的主戳任务为研究p c b n 刀县的使用技术。 l 。l 蕊我识鸯g 热工技术 现代切削加工技术的研究涵黢的内容非常广泛，包括磷速切削、硬态切削、高逋 切茸滞c 廉、薪刃其榜瓣和涂屡援术以及高蘧镑麓工落静磅究等等。现代蓊裁趣工按术黥 广泛应用，给制造业带来了新的经济活力。以模具行业为例：高速铣削和硬切削已缀魁 或熬戆实麓技术，校对低效耱电必花龆工，哥疆离生产效率3 潞s 溉，莠还麓疆少手 工抛光工作篷的6 0 1 0 0 ，从而把整个模热的生产周期降低了2 3 ，缩短了交货周期， 稳簿了受垃盼竞争力 2 】。 l ，l 。1 高速切削技术 送天= 十餐纪瓣年代以后，备工监裳达鬣家已在生产串秀始疵雳高速韬涛攘术。 高速切削技术的实现，涉及高速机滕、刀具、切削工艺、数控技术、切削动力学等多项 技术。商遮切毒速度不麓萃建瑟莱切凑速度静数懂束定义。不弼簸翡魏祭嚣，翼有 不嗣的高速切削速度范围。如高速铣削钢时切削速度的下限是5 0 0 。8 0 0 m m l n ，高速铣 副豁台囊时，谫裁速度斡下琵是3 0 0 0 - 5 5 0 0 r e r a i n 。不瘸戆工彳孛糖瓣豹大致高速留裁遮凄 范围如图1 ，1 所示。 蔫邃秘蓦l 吴有以下筑患【3 ，4 ，5 】： 1 ) 切削速度的提高，值材料切除效率增加，降低加工成本。 2 ) 韬粼速度提蔫，甥舔力隧之疆乡。这礴洚蘸离转速主辘懿功耗有甓曩影穗，笄 有利于低刚性和薄艟零件的加工。 p c b n 刀县的使技术研究 3 ) 高速切削平时采用小切深，大进给。从而使功削力降低，加工表面质量明显提 高，并有利于低羁h 性零件的女8 工。 4 ) 高速切削大量的切削热随切屑排出，加工工件的温升小，有利于降低工件的热 变形和减小加工的残罄内应力。 5 ) 高遴切削可代替磨削用于淬硬工件的黼加工和半精加工，不仅明显掇高加工效 率，而且不用切削波，有利于环境傈护。 蚕i 1 离滚仞麓速度定义 f i g 1 1t h ed e f i n i t i o no fh i g hs p e e dc u t t i n g 虽然目前高速切削已经进入了实用阶段，但是高速切削的研究仍肖很多照需解决的 闷繇。螽赢速韬裁刃其系统安全莰诗戳、刀鬟锈a 留圜霄兹 l | 芷援透露、圭辜垂| 系统罱爨丽 且潜命短的问题等等。高速切削技术的发展趋势归纳起来主要有以下几个方筒 6 ，7 ， 8 ，9 ，l o 】： 1 ) 新一代高速大功率机床的研制。目前大多数高速机麻的结构怒串联丌链结构， 疆戏强节多，不容鬟菝褥毫戆总薅嚣l 爱帮优菠戆力学性能。楚速专死疼：爱辜垂| 技术也是毫遮 机床研究的关键之一，目前程主轴转速、加速度和功率等方面仍有很移问题有待解决。 2 ) 高遮凌凝掇溪鑫毒深入磅变。出于慰惑速甥削戆聿且理簸乏深入了解，霆此难以铡 定台理的工艺规范，而且也使在刀具的设计和制造时缺乏充分的理论依据。目前国内外 ，0 太进理一i 大学硕士学位论文 的研究人员迸行了大量的切削试验，研究高遵切削时的切自4 力、切削温度、切屑变形机 理以及加工质量等方砸的问题。 3 ) 适用于高速切削的刀具研究。主要包括新型刀具涂艨和刀具材料的研制以提高 刀具的耐热以及抗热冲击性能：刀具设计的c a d 技术及优化；刀具可靠性的研究；商 速切削刀具的系列化和标猴化以及刀舆切割时的监控技术等。 4 ) 建立高速切削数据库的研究。出于搿速切削在切削工艺安排、刀具几何参数选 用以及切削用量选撵方面与瞀通切削有较大麓剐，因此开发邋用于裔速切削静编程技术 以教根据高速机床的性能、工件材料、工件的几何形状、刀具的材料和设计参数、加工 要求等建立奇速切削数据库，对于离速切割技术酶舔广，将怒列裰大麓推动佟鬻。 5 ) 基于高速切削工艺的干切削绿色制造工艺的研究。随着地球环境压力的加剧， 绿色制造酯经成为人类社会对制造赦术发展瀚一个要求。 6 ) 难加工剌料的高速切削加工研究。随着航天、国防领域的新材料技术的发展， 新材籽研翎的速度大大增翮，其中校多薪丰孝料鲡铰台余、臻藜合会、纾维增强合成树穗 以及某些复合材料都是难加工材料。拓宽高速切削在难加工材料切削加工领域的应用， 羽于个国家静国陡稻兢天等事韭静发震，将骰赉巨大贡献。 1 1 2 硬态切削技术 硬态切澍技术怒指采罔越硬材辩刀其露硬度大予5 0 h r c 静淬硬铡等硬质材瓣遗行精 密切削的加工工艺 1 1 。与传统的磨削加工相比，硬念切削技术的优势如表1 1 所示。 表1 1 硬淼切削与磨削的e b 较 硬态龆翻瘗蒯 加工经济性切削成本低，仅为磨削的1 4 。金磨削效率低，加工周期长，磨床维 璃去除速凄篱，祝臻投资藏本绦。护袋本裹。 加工柔性柔性好，易加工形状复杂的零件。柔性差，当工件的外形和加工方向 变饯辩，只熊蠲痰登砂轮。 加工质量能够保证达到的尺寸精度1 4 u m ，表面热爨可能导致产生表面烧伤和 表瑟穰糙度r80 3 u m 、裂绞。霹瀑逐表嚣稷懿凄ra rz6 2 0 u m 。o 2 5 、rz 1 0 u m 以下。 环保特性霹实蕊于式署l 准于式切女l ，切瀛器酉会产生黪瘸稻冷去 】滚懿混合鞠，不 收和处理。 易分离和再利用，污染环境 一3 一 p c b n 刀具的使埘技术研究 由此可见，应用硬态切黼技术可以大大缩短工艺流程，增加工艺柔性，减少企业 设餐以及厂房成本娓投入，提高生产率，具有巨大麴经济潜力。另夕 ，硬悉切削过褪 中基本不使用切削液，有利于环境保护。因此它在降低企业处理切日0 废液的成本的同 时，又为企业带柬良好的社会效益。 同高德叨削一样，硬怒切箭也肖其大大区剐于传统切削加工的独特之处。由于被 加工材料的硬度较麓，因此，硬态切削过稷往往采用较小的切源。幽于是小切深的切 削，那么刀具切削金属仅仅发生在刀尖圆弧处。因此，应用于硬态切削的刀其必须瑟 经过刃口处理，采用倒棱刃或是钝朦刃的刃口形式以增加刃嗣的强度。刃口形式的改 变往切削过程的实赝变为刀其以大的负前角仞削余聪，而传统金属讶削中刀其往往采 用的是正前角切削。硬态切削过程中，切削区的温度也高于传统切自0 ，产生会属软化 效应以及囱艨等祷殊的现象。 巴西a b r a om e n d e s 博士分别选用陶瓷刀具、低c b n 含羹和高c b n 含量的p c b n 刀 其切削a i s l 5 2 1 0 0 轴承舔( 磺度6 2 h r c ) 瞳发现“硬态仞潮时，径向切潮力最大箕次是主 切削力和轴向切自0 力；当切削速度增大时，切削力鞘有下降。由于磺态切削时的径向 力穰大”f 1 2 1 。因此，要求梳床斡功率要大，系统霹经要好，防丘在硬态留潮热工过程 中发生振动而损坏刀具。 硬态翻自l 戆韬鬻澎成静磺究，楚疆态翻潮研究黪热点之。传统诱毒l 数麓工对象 是来经热处理的钢件，切屑形态多为连续型带状切屑。对于切屑形成的机理和建模魁 在金藩留澍豹m e r c h a n t 模翅或l e ea a ds h a f f e r 模黧戆萋戳上完戒瓣。疆态切罄壹绶 加工淬硬后的工件，其切屑形态如图卜2 所示为锯齿形切屑。 图i 2 硬态切削的锯齿澎切屑 f i g 1 2s a w t 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 。矗。 大运莲1 大学硕_ _ = 掌僚论文 这种切屑形态造成硬杰亡刀黼过獠中朗切拷# 力发生波动，给刀具淹命带来匿大彩n 峨 d a v i e s ，f i c k 和e v a n s 等人通过磷究提出了神计簿锯齿形切屑的彤戏频率 3 ： f ：v - r ( i 1 ) d 其中，秀镶鼗影谣震戆黟藏灏率，v 鸯弱蘩涟壤，r 为糖耩瀚去涂率，d 为枢邻麓 锯齿间的步长。通过计算，估计出锯齿形切削的形成频率为5 0 4 0 0 k h z 。然后利用聚 镰二二氟乙烯( p 礤0 滔赛器翡形翡震酝形成频率夫掇为1 0 4 k 鞑z 。 硬态切削的臣2 大的经济港力表现在它能够实现“以车代麟”。因此，硬态切削所能 达捌秘表藤辍罐袭嚣表蚕簇囊一壹是瑟究a 爨关鎏麓簿题。硬塞甥觏趣工亵酉麓鑫鼷磷 究，是硬悉切削技术研究的另一个热点。囱层具有离硬度、不易侵蚀、较簿、晶粒极 熟、严重鞭交、影感醐蓬艇蠢存在徽袈缓笱特征。瞧嚣缝绞逶寒塞怼奁材辫麓襄瑟，器 材料的磨损性能密切相关，直是磨损领域的一个研究焦点。y k e v i nc h o u 和c h r i s j 。媳n s 簿学者懑过强罄撰秘羟爨刀翼硬愁镯蘩5 2 1 0 0 镪磺究褒森谤骞g 衷瑟叁爱敬形 成，认为“白层的形成主鞭是一个涉及钢的盒相变化的快热一| 突冷进程” 1 4 。他们应 羽毯子j a e g e r 豹移动热源理论熬热量蒺型寒模拟蕊_ 互表蠹躲湛麦蕊露著蔽搀绘定临爨 温度的穿遴厚度估计白层的厚度，分析与实验结果吻合得很好。文尔辉等人采用p c b n 刃疑落划淬疆c c r l 5 骧承锻，茨骥“工磐袋瀑窝委裴层夔缎缓捺忿蠹垮驾努稚靛隐最马 氐体和结晶马氏体队及少濑的残尉舆氏体缌暇，转变为主蔡魑针状的马氏体、伴随大懋 桥蹬纂裂纯携帮少量趣残爨舆琵抟黪垒握缨缓” i 羽。热圈l 。3 瑟示。 ( a ) g o 茁1 5 轴承诵t t r c 6 2 的原始缀拣( b ) 己船工寝面自层的微观结辅 图1 3g c r l 5 轴承钢钓基体组织积白层组织( 1 4 0 0 倍) f i g t ，3t h es t r u c t u r eo fm a t r i xa n dw h i t el a y e ro fg c r l 5b e a r i n gs t e e l 。5 。 p c b n 刀具的使埘技术研究 总的来浇，我圈在现代切削加工技术领域的研究及应用方面和国外还有较大差距。 但鼹随着圈内对于现代切削翅工技术骚究支掩力度的提赢，以及国内对于现代切划加工 技术的逐渐重视，这些差距也正在逐渐缩小。 1 2 颥刀具材料技术的发艘与应捌 现代切削加工技术的发腥，必然要求与之相适应的刀具技术的发展。现代切削加工 中无论是裹速切削、疆态切女l 还是予切捌，刀其兹韬利巧缓与传统切燃加工嘏毙恶劣了 很多。传统的高速钢刀具基本已经无法适应现代切削加工的要求而被硬质合金刀具、陶 瓷刃具、涂瀑刃具裁超硬刃凝矮取代。理想鲍刃具耪糕应该典鍪裹的磺塞，较好的凝炊 释l 化学稳定性。但：j 爨憾的是，材料的硬度和韧性往往蹙向两个相反的方向发生变化。备 耪刀具越刳熬性自数9 毙如图1 4 瓶示。 圈1 4 各种刀麓材料的性能对院 f i g 。1 。4t h ec o n t r a s to ft h ep r o p e r t i e so fc u t t i n gm a t e r i a l s f i g u r e l 一4t h ec o n t r a s to f t h ep r o p e r t i e s & c u t t i n g m a t e r i a l s 12 1 硬质台金刀具 1 9 2 5 年s c h r o t e 发明硬质合众以后，磷质台金刀具在第二次鬣莽大战中得到广泛 应用。硬质合金是幽w c 、t i c 、t a c 、n b c 、v c 等淮熔金腾碳化物以及作为粘结剂的 铁族金属餍粉末冶龛方法制备而成。与高速锎箱眈，它其有鞍高豹硬滕、耐黪性和红磷 6 - _ 夭连莲一 夫学矮士学位论文 往：与陶瓷刀其和超硬材科糨眈，它其有较搿的韧性。碛质台金申难熔金属氯化物颗糖 豹大小以及难熔金属氧化物葶f ! 糙结剡的比率，对于碟矮合金驹性能有爨要影1 j 眦 近几年硬质合衾刃其技术静发餍主要表蕊在良下，l 个方筒 1 6 ，t 7 ，1 8 ： 1 ) 超细晶粒硬旗合金的研究和应用。繁通硬质台衾晶粒凄为3 5 u m ，绸龋粒硬斌 台龠晶粒鹰为l l 。5 u r n ，趣缅晶敉磷质台龛瓣晶粒震可达0 2 0 。5 u m 。通过缁佬硬旗 相黼粒度、增大硬威楣晶粒间的表瑚积、增强晶粒间结合力，可使硬膜合金刀具材利的 强度萃西舔露键均褥委# 提高。 2 ) 开发稀土硬质合盘。稀土元素具有独特的化学性能，是用途极广的含金添加 裁，萁氧纯镌是霞凝镌黥散强纯裁。只占台龛总量万分之死憝徽霪舔土，在酸藏台念糯 接相中分布越均匀，越有利于发挥稀土对粘按相的懿体强化作用，合的性能越好。但 是，稀元索在硬绶台金中熬俸爱蔽蘧及霹瓣疆骚台会赢潺注耱秘黟嫡等越题，还骞 待进步研究。 3 ) 开发镄结硬艨含囊。镑缭囊凄台金愚戳戆或t i c 露疆屡穗，隧台盎钢或高速镶 粉( 占6 0 一7 0 ) 为粘维相，用粉末冶禽的工艺制成的。其常温硬度可达h r c7 0 ，要稍潴 予麓蘧镪，露强囊帮瓣篷又蠢予酱避硬震台金，著基在i 基灾状态下窀逐可避行镶造和镯 削加工，适予制造结构复杂，对耐麟性、抗弯强度和使用寿龠要求较高的刀具( 如拽刀 帮篱羲讶裁游瑟镜刃等) 。 1 2 2 涂层刀具 就2 0 煎纪s 8 年代开始，溶层刀矮开始逐海鏖瘸予生产实藏当孛。遴过气稳莸获戴 其他方法，在硬质台金基体上涂覆厚度为几个微米的耐磨性瀚、化学稳定性好的薄层就 隶箴了涂瑟刀其。涂层刃其有效鞠瓣决了7 3 基褪辩笈震翡一对矛器；材瓣蔚硬凄、麓黪 性越高，强腹及韧性就越低。 涂瑟瑟窍攥高静渡凄鞫簿燕莲，并降惫了刀其与工髂蠢靛摩擦系数，蚕忿，渗屡刃 具比未涂层刀具可恩著地掇商使用搿命，通常涂层刀具的寿命可比未涂层刀县高2 3 蕾。藏舞，它魏逯霸淫广，一耪薄蛩静涂屡硬震台囊刀蔡豢可箍 王氕个等鼗隶涂屡刃嚣 的切削工作，从而可简化刀具管理。 涂凄技术是提离涂星刃矮性戆煞关麓。遁些年来涂落技术茇震豹主要髂觋在璐下咒 个方面 1 9 ： 1 ) v 0 粒p t d 鼹饕涂屡搜爨赛鸯避震，溶蘧嚣链黪膏重大戆援蔫； 2 ) p v d 的进展尤为引人注目，移种的工艺竞相推出各种不同功能的多元、多滕静 复台涂层，大大扩震了涂屡的座翔范潮，涂艨新晶霉申开发豹速度明显加抉； 。7 。 p c b n 刀具的使用技术研究 3 ) 梯度结构、纳米结构涂层的开发，涂层的性自取得了新的突破。图1 5 显示了 纳水复合涂层的加工效果。 闺1 5 纳米复含涂层的加工效聚 f i 9 1 5t h em a c h i n i n ge f f e c td fn a n o - c o m p o s l t ec o a t i n g s t 2 ，3 陶瓷刀县 陶瓷刀其在制造领域的广泛应用始自2 0 世纪6 0 年代。陶瓷刀其主要包括会属陶 瓷、氧化铝( a 1 2 。= o 基陶瓷、氮化穗基( s i a n 4 ) 陶瓷以及各种增韧陶瓷。陶瓷刀具的主 要优点是化学稳定憔好，与众属的亲和力小，扩散磨损较小 与所施工材料的摩擦系数 较低，从面减少了切削力和切削热，也抑制了切削过程中积屑瘤的形成；陶瓷刀具还烈 有较高的硬度和耐磨性，高瀛下仍熊保持良好的切削性能。溺此，陶瓷刀具在现代切翻 加工领域的应用正强变得| 三| 髓广泛。有资料农明“陶瓷刀具在国外大蹩应用于数控机床 配刀。在美缮，陶瓷刀具占众部刀蠡市场份额静3 ，在鞫本该份额为8 l 溉，在 德嗣约为1 2 。而目前国内陶瓷刀具的使用比例不超过刀具使用总量的1 ” 2 0 。 现代陶瓷刀具率孝秭多为笈相陶瓷，它是以一定的维分设计为基磷，采焉各举孛赢菇麓 细的氧化物、氮化物、碳化物和硼化物等为基本组分，并依搬不同的增韧补强机理进行 徽观结稿设计，觚丽得蜀良好的综合性髓。以下几癸陶瓷刀爨毒手耩褥在今蓐褥捌较大缎 展 2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 ： 1 ) 颥粒弥散补强复褶羯瓷刀其稀释。菇磷究关键在于鲡俘迸幸亍缝分设计，毽瑟各 种添加剂的组分设计。 2 ) 螽须增耘陶瓷刀翼謇芎瓣。磊髓的磅究重点在于魏俺遴步钱纯靠l 备工艺，设计 最健界面结合条件，并考虑到晶须增韧与其它各种增韧机制的协同效应问题，以获得材 料往能静最佳缓合。 8 - 大连理工大学硕一i 学侥论文 3 ) 陶瓷涂层刀具材料。这种涂偿刀具瞄前已在欧、美、日等国家广泛用作滚刀和 插撼刀等，但是它对材料的涂覆工艺要求较麓。 4 ) 梯媵功能陶瓷刀具柑料。借助于梯度功能材料的设计愚怒，采取合邋的制备工 艺，可以铡碍该类新型陶瓷刀具材料。目前的研究重点是如何针对刀其切削过程的各种 不闻条件进行材料的组分设计和工艺设计。 5 ) 纳米陶瓷刀具材料。纳米陶瓷刀具材料是一个全新的概念。它的提出，不仅在 陶瓷制备工艺上需甏调整或建立新的途径，在理论上也将丽以修正或建立薪瓣瑾论体系 以适应纳米尺度的引入而引起的变化。纳米陶瓷刀具材料作为一个全新的研究方向将魑 今后若干年酌必然发展趋势。 1 2 4 超硬材料刀具 趣硬材料刀具指的是焉天然单晶会剐石、人造聚鹣金西石、c v d 禽西石和蒙晶立方 氮化硼等材料制成的刀具。根据统计资料“目前世界上超硬刃具材料的年耗量大约以 8 0 1 0 0 速度增长” 2 5 。立方氮化硼与人造衾西石酶性能对眈翔表l 。3 所示。 表1 3 立方氮纯硼与人造金霹石的性能对眈 指标人造金刚石 c b n 硬度h v ( m p a ) 1 0 0 0 0 08 0 0 0 0 9 0 0 0 0 ， 理论密度( g c m 3 ) 3 。5 13 。4 7 l 结构晶格上力立方 l 墓罄露数 3 。6 5 73 。巷1 5 最小原子间隙( a ) 1 5 41 5 6 热稳定性( )7 0 0 - 8 1 3 0 0 一1 4 0 0 对铁族元素化学反应反应呈惰性 天然垒剐石是熬券土硬爱最毫黪糖屡。大子0 。5 毙拉静大鞭粒天然单晶金剐石可孀 作刀具进行糟密切削。天然金刚石没有内部熙界，这样的均匀晶体结构使刀艇刃口理论 上可达至l 骚予缀约乎童痊与锋剩度。天然摹醴金剐霉旨刃具甥剡时载切薄能力强、糖瘦 高、切削力小。因此，它广泛应用予超精密加工领域如加工用于原予核反应堆及其它高 技术镞壤懿各种反懿缓、用于导弹袋火餐中鲍导虢赡螺、计舅枧硬盘鐾片、翻速器电予 9 p c b n 刀具的使州技术研究 枪等超精密零件等，对于一个国家的国舫事业具有重要作用。天然单晶余刚石刀具也广 泛应瑙于珠宝、钟表、仪器、光缆、红步卜线等工业领域，有着自夯独特的蔡他任何刀其 材料都无法替代的优势。 旱在o 年代，美凝就幂g 蠲人造金鞫g 石徽粉和人造e 8 n 镦耪在高温、高压、触媒帮 结合剂的作用下烧结成尺寸较大尺寸的聚晶块。后来为了解决了趣硬刀具材料抗弯强度 低，浮镶困难等闻题，攘出了余秘石或c b n 静磺质合会笈合片。它们是在硬溪合金基体 上烧结或压制一层0 5 m m 一1 m m 的p c d 或p c b n 制成，从而使超硬刀具的膨用进入实用阶 段。隧稽生产馥来静趣疆耱瓣刃坯尺寸蕊逐潺增大，超矮事孝糕刃蕻静到逡成本氇越寒越 低。这剥于超硬材料刀具的推广使用也怒到了积极作用。 嗣p c d 刀矮鸯叠工有色震帮嵩蕊 癀菲念瘸奉考糕靛效栗擞僵，窆癸爱予汽车毒l 遥簿行业 的铝合余件的加工。另外，它还广泛的应用于木材加工行业，p c d 木工刀具主要可分为 p c d 键泞蠹p c d 成形本王铣刀嚣大类。悉经残鸯传统豹瓣刀吴憨褒性能蘩代产茹。p c d 的性能主要依赖于它的_ | 波用场台和所涉及的加工过程，但牌号或晶粒尺寸的选择也会对 萁女g 工往8 产生一定影戆。总静寐浚，辉号越大，莫霹爨戆越妊；在捐接近爨刃嗣加工 量下，牌号越小则刃口质量越好。近年米焊接式p c d 刀具中发展较快的品种是带标准刀 橇黪p c d 刀具，如繁旗p c d 镌刀、p c d 键刀、p c d 铰刀等。刀秘黧式主要为圆柱橇、镬 柄和h s k 柄。这种刀具( 尤其是多齿刀具) 的特点是切削刃对刀柄的跳动小。 c v d 会嚣l 葛黑多鑫炊，厚约l ( 卜3 0 u m ，它其畜硬度裹、导热牲好、抗冲击、囊毒蛙 好、化学性能稳定等特点。其抗冲击性能优于p c d 刀具。c v d 余剐石刀具可以制作出比 p c d 刀具更为复杂懿凡侮形状，逶合于攘工镊等l 铁誊葶秘，其寿奄是泰汾层硬质合会刀 具的几十倍，不低于p c d 刀具的寿命，可逐步替代未涂屡硬质合众刀具和p c d 刀具。 立方氮芝硼对铁族元轰呈馕性，故p c b n 刃基最适台切剃下列工l 譬燃辩：各葺申淬硬 钢，包括碳素工具钢、合金工具钢、高逋钢、轴承钢、檬具钢等；各种冷硬铸铁和俐磨 铸铁：务璐铁基、镶基、链萎和其他热嚷涂( 焊) 零 牛。p c b n 刀是的性能搬与c b n 的粒 度、含艇及结合剂种类商关。按其组织大致可分为两大炎：一类怒由c b n 晶粒直接结合 嚣成，c b n 含璧多( 7 9 嚣以上) ，硬度寒，适用于掰热舍金、铸铁和铁系烧结金属的切肖i 加工；另一类是以c b n 晶粒为主体，通过陶瓷结合剂( 主臻有t i n 、t i c 、t i c n 、a 1 2 0 ：，等) 烧结丽贼，这类p c b n 中c b n 含爨少( 7 0 以下) ，硬度较低，适用于淬硬钢的切削加工。 p c b n 多角复合刀片的出现鼹超硬材料开发的一大进展e 2 6 。以往的p c b n 复合刀其 生产工艺是先制备出p c b n 复台片，再切割成小块，然磁焊接在鞭质合金基体上，其缺 1 0 犬连理j 犬学酸士学德论文 点怒存在焊接应力。现在能将p c b n 切自刃蕊接复合到合垒蕊体的多个部位上，消除了 焊接应力，技p c 删刃具豹寿命大大提高。 传统工具行业以生产供应准诧、通蕊亿的刀其为萋本特点。选埔刀具的遴罐“除了 少蹩特殊瓣装，尽攫选用标准刃具”的原则。但是到了八十年代以后，国外工具行业丌 始逐渐放弃传统的标准讫生产模式，转向适合现代释遥韭要求瓣“离精度、离效率、蠢 司嚣性和专用化”，即所谓“三高专”刀媳发展方向。但怒目前中豳工具行业仍然以 滚赞大量的原材料、能漾、劳动力为伐偷，生产大爨藏低价王其，憨体上霸 璧器刀买行 业的发展潮流背道粥驰。长此以往，必将影响到我国机械制造行业的健康发展。 1 3 本谋鼷的主要磷究工作 翔i # 所述，现代甥剞加工技术黪勰究对予缩小我凰同发达国家机械铡造 亍业之间的 茇矩具有羹要意义。为了缩小p c b n 刀具在我簪的实际应霜水平与围外相比乏筒存在淤 较大差距，本课题瓣主要研究工捧包括： 1 ) 研究了p c 滁刀其几何参数对刀具寿命的澎晌。采用正交试验设计方法谶行 p c b n 刀具簿逮切削h t 2 5 0 灼切剀试验，根据试验数据分析了各几何参数对p c b n 刀具簿 命的影响，提出舍壤的设诗汽b n 刀其时酶店何参数。通过对试验数据静运步分轿， 归纳出设计p c b n 刀典妁几何参数时潞要重点考虑问题。 2 ) 研究了现代自动优生产营最下豌堡产翔工建模藤寇。模瓠醮代隶l 逡企监对予刃 具馒熙提出的特殊嚣求，以p c b n 刀具分别切削不同树料和不同几何形状的工件为对缘 掇高了一种新的基于刀其可纛性斡最大生产率燕工模囊。荠蔽豁嚣太静试验数据，绘爨 了p c b n 刀具切削铸铁材料时刀具的可靠性随切削时间和切削用量变化时的计算方法。 3 ) 应鼹，l 、生蟪遗传算法解决了咒雕刃暴毽戮女王h t 2 5 0 疆钵邀巍琵时浆据魏囊爨 优化问题。以解决幽于我国机床操作人员普遍缺乏对于p c b n 刀具的了解，而无法确定 谈蔫p c b n 刀具进行荔工时煞甥蠢参数羲超越。 p c b n 刀蕊的使j ： = 技术研究 2p c b n 刀具及其应用 】9 5 7 年美图孵公司越硬材料研究部辩r ；w 0 n t o r f 联想石器转化成盒刚石的道 理，采用姻缘的方法或功她合或立方氮化硼e 酬( c u b i cb 雕o nn it r i d e ) 微粉。立方氮 化硼c g n 的硬度仅次子金冈0 石，在所有的材料中辩在第二位。鼠六十年代襁曩七十年代 初期，翦苏联、英国、翦蠲德、黑本和我圆郡相继掌握了立方氮化硼的合成技术。7 0 年代出c b n 颗粒帮莱种稿缩齐筛l 成的聚晶立方氨纯褥p c b n 爨有良好盼留翻悭能。怼黥 刀典在离遮切削荻镪铁以及于切削滓硬铜方蕊相对于其他专才料刀具的优势更加明显。 2 1p c b n 刀具的锖救篷 2 1 ，l 疆_ 自镱造_ i 艺 立方飘化硼c b n 是氮化硼b n 的阿素弗构体之一，自然界不存在天然生成的c b n 。 c b n 逶豢 ；i j | 六旁氮纯矮趣n 取，懋继天工合戏余滔葛之蜃琏l 毽静第二释翘鼷糖料。剩 用商压商濑技术，在触媒存在的条件下，c b n 可用精构与石鼹相似的六方氮化硼转变而 豢撂。萁工艺漉程懿壅2 i 疑承2 7 3 。 匝嘲一圆一莲薹垂匿蔓薅一 圈一豳一圈一圈一豳一圆一 题酉嚣固一圃一圃一匿遁壁圃一 匦殛翻 瑟2 1c b n 晶体静祷l 遥王蘸 f i g ，2 1 t h ep r o c e s so fc b nc r y s t a l 在c b n 的制备设备方黼，国外澎采用两逝顶压机，国内劳采用六筒顶压机或四面顶 压枕。藤热方法是通过两个稽对预锤以大奄瀛与爱应高压滕船熟管饕缱，双面佼反应腔 的濑度上升到所需要的温度。 c b n 瀚高压合成丽澄n 原料有整密讶黪关系，蒸在转佬过程中的 亍为与澎髓一或怒 许多科学家关注的问题。鼹前研究工作多集中在c b n 的晶体生长方面，而在制备微晶烧 。 2 一 结体和透明烧结体方面对h b n 原料的影响作用还缺乏认识。为了获得简硬度商韧性高热 导率的c b n 致密烧结体，多莱用以h b n 为原料添加少量触媒潮时转化烧结的制备方法， “戮求添加的触媒羹应尽可能的少，并达到尽可能裔的转化率。在转化烧结过程中，不 周h b n 原料悔对c b n 的成核与h b n 的转化有麓重要的影q 向” 2 8 ，2 9 。国内周艳乎等人 研究表明“结晶度两和晶粒度细盼六方氮化硼易于转化，有剥于c b n 的成核” 2 7 。 触媒对c b n 的合成有重要影响。合成c b n 的触媒有很多种，如碱金属、碱土金属及 其氮化物、硼氮化物、硼化物、某浆箍类乃至氧化杨等等。吉林大学的张铁巨通过试骚 研究发现：合成c b n 晶体的颜色主嚣触媒的茅中类决定，合成窳件的变化可改变晶体中杂 质含量的多少，觚稀导致晶体颜色的深浅变化。对于立方氮化硼台成有效的触媒应该至 少具有以下特点 3 0 ： 1 ) i 溶解或分解六方氮化硼物质。 2 ) 能与六方氮化硼反应生成含氮硼中间产物的物质。 3 ) 最好是以上黼点性溪兼备盼纺质。 2 1 2p c b n 刀坯的制造工艺 p c b n 刀坯可以分为两覃孛：一释楚在离潞高压下篷接聚合生成的聚晶立方氮亿硼聚 合体，另一种是以硬质合金为基体，在硬质合会表耐聚合生成一层聚晶立方氮化硼而制 成所谓的p c b n 复合片。d eb e e r 公硝的部分p c b n 刃坯产品薪表2 1 所示。 表2 1d eb e e r 公司静部分p c b n 刀嚣产菇 艘哇转9 08a i 就封底霹毫接囊 毒褒凑努嶷的 r i t e 粥簸主，耱子弹袋，帮搿 锄性及耐濑性 燃。姻 6 繁期疑瓣会 a 1 禽 十底 脚强o5 02t i c 髓质台 垒 $ 纛 矮骞 ! 种形跃据蘑游按 刀黧 黻上述优点强，对梭角 翔邃骞嶷鼯熬缳耱瞧 p c b n 刀坯的铡遥方法有两释。“一释楚一次聚合法，矗接雳h b n 一次聚合生成 p c o n 刀坯。另一种是二次聚合法，先合成c b n 单晶，然后以其为原料经过高温、高压 1 3 p c b n 刀具的使艘术研究 烧继成聚晶及复合体。采用较多的最二次聚合法，二次聚合法中有加祜结剂和不加粘结 赛q 嬲秘方式，又以热糙结剂生产豹p c 8 n 刀坯较为普媳” 3 1 。 c b n 的粒度对台成p c b n 影响很大。小颗粒的c b n 晶粒能提供较大的反应表面积， 产生诱发转变和晶体外延生长，得到显微结构完全致整的p c b n 。制造切砖工鼹用的c b n 粒腱大约分为：租糍度2 0 3 0 u m ，中等粒度3 l o u a ，细粒度2 u m 强下。另外，“单 一檄度c b n 的堆授密度小，烧结的聚晶体体内孔隙大，困而耐磨性低。这种情况对于台 成阢队的c b n 的粒度越大时越为鼹著。而按密堆积理论确定粒度配眈的混合料由予堆 积密度赢、孔隙小，因而聚鼎体的耐磨性商” 3