（机械制造及其自动化专业论文）大型锻件荒加工用刀具动态强度分析及结构优化.pdf

c l a s s i f l e di n d e x ：t g 7 d i s s e r t a t i o nf o r t h em a s t e r d e g r e ei ne n g i n e e r i n g d y n a m i cs t r e n g t ha n a l y s i sa n ds t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o no fr o u g hm a c h i n i n g t o o li n m a c h i n i n gl a r g ef o r g i n g c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： y uz h o n g g u a n g l i ux i a n l i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n d a u t o m a t i o n d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 2 u n i v e r s i t y ： h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型锻件荒加工用刀具动态 强度分析及结构优化，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 裳闻独立进行研究工作所取得憋成果。据本人所知，论文中除已注明部分夕 不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：o ，各；俎匿期：；2 年3 胃3 ；皤 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 大型锻件荒加工用刀具动态强度分析及结构优化系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。论文的研究成果归晗 尔滨理工大学所有，本论文的研究志容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阗。授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文熊于 保密口在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上稆应方框内打) 日期：即衅3 月? 目 日期：瑚p 年j 月3 户 u 脚 、丸能 基舀 b ，孔 名 名 堑 签 者 】瑟= 怍 导 啥尔滨理工大学工学硬士学位论文 大型锻件荒加工用刀具动态强度分析及结构优化 摘要 重型切海主要考虑；提高工件的加工效率、设备利用率、降低戆耗。隧着 石油化工的发展，加氢反应器的材料不断更新，尺寸越来越大，要达到上面三 个方面要求，对重型刀具提出了更高难度。因此研究重型刀具结构、材料选择、 刀具强度及其物理场分布对于揭示重型切削基本规律具有较大的理论价值耪现 实意义。本文主要进行以下研究： 首先，在加工现场对筒节毛坯的表面恶劣条件进行分类统计，对工厂实际 荒加工筒节毛坯的过程进行跟踪，分析引起刀具过早破损失效的外在和内在因 素，为后续刀片设计提供优化方案，针对筒节毛坯荒加工的要求，对不同刀具 材料进行对比分析，选滋适合篱节荒加工工艺的刀具材料。 其次，对重型刀具强度进行理论分析，基于z o r e v n n 的重型车刀前刀 面应力分布模型和切削过程热传导理论，对筒节荒加工过程刀具承受动态机械 冲击载荷和热冲击载荷等问题进行分析。 再次，应用有限元软件对重型车刀结构进行应力场、温度场的研究，获得 刀具在切舞l 过程中应力场、变形及温度分布规律。 接着，利用先前对重型刀具结构的研究以及参数的优化，以s o l i d w o r k s 的 二次开发技术为基础开发出一套车刀刀片设计软件。 最后，将设计的新型刀具用到实际加工现场，与工厂原来的刀片进行切削 对比试验，验证新型刀片的结构以及参数优化的可行性。 关键词重型切削；物理场分布；刀具强度；参数化设计；c a d 系统 d y n a m i cs t r e n g t h a n a l y s i sa n ds t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o no fr o u g hm a c h i n i n g t o o li nm a c h i n i n g l a r g ef o r g i n g a b s t r a c t h e a v yd u t yc u t t i n gm a i n l yc o n s i d e r s ：i m p r o v i n g t h e m a c h i n i n ge f f i c i e n c y , u t i l i z a t i o nr a t eo fe q u i p m e n t , r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , t h em a t e r i a l so fh y d r o g e n a t i o nr e a c t o rc o n s t a n t l yu p d a t e d ， m o r ea n dm o r el a r g es i z e , t oa c h i e v et h ea b o v et h r e er e q u i r e m e n t s ，ah i g h e rd e g r e eo f d i f f i c u l t yf o rh e a v y - d u t yt 0 0 1 s ot h es t u d yo fh e a v y - d u t yc u t t i n gs t r u c t u r e , m a t e r i a l s e l e c t i o n ，c u t t i n gt o o l ss t r e n g t ha n dp h y s i c a ld i s t r i b u t i o ni nr e v e a l i n gt h eb a s i cl a w s o fh e a v yc u t t i n gh a sg r e a tt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h ef o l l o w i n gs t u d i e sa r ed o n e ： f i r s t ，s e p a r a t es t a t i s t i c sa r ed o n e o nt h er o u g hs u r f a c eo f t h ec y l i n d r i c a ls h e l lh a r s h c o n d i t i o n si nt h ep r o c e s s i n gs i t e ，弧ea c t u a lp r o c e s s i n go fc y l i n d r i c a ls h e l l sr o u g h m a c h i n i n gi nt h ef a c t o r yi st r a c k e d ，a n a l y z i n ge x t r i n s i ca n di n t r i n s i cf a c t o r so ft o o l p r e m a t u r eb r e a k a g e ，o p t i m i z a t i o ns c h e m ew a sp r o v i d e df o rt h es u b s e q u e n tb l a d e i n r e q u i r e m e n t so fc y l i n d r i c a l s h e l l sr o u g hm a c h i n i n g ，d i f f e r e n tt o o lm a t e r i a l sw e r e a n a l y z e d ，t o o lm a t e r i a l sa r es u i t a b l ye l e c t e di nr o u g hm a c h i n i n gt e c h n o l o g yf o r c y l i n d r i c a ls h e l l 。 s e c o n d ，t h e o r e t i c a la n a l y s i so fh e a v y - d u t yc u t t i n gi n t e n s i t y ，t h eb a s e dz o r e v n n ， h e a v yl a t h et o o lr a k ef a c es t r e s sd i s t r i b u t i o nm o d e la n dt h ec u t t i n gp r o c e s so fh e a t c o n d u c t i o nt h e o r y w i t h s t a n dt h el o a do ft h ed y n a m i cm e c h a n i c a li m p a c ta n dt h e r m a l s h o c kl o a d so nt h et o o lo ft h ec y l i n d r i c a ls h e l l sr o u g hm a c h i n i n gf o ra n a l y s i s 。 t h i r d ，b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，t h es t u d yo fc o r r e s p o n d i n gf o r c ef i e l d ， t e m p e r a t u r ef i e l da r ed o n ef o rh e a v yl a t h et o o ls t r u c t u r e ，d i s t r i b u t i o nl a wo f t h et c i o l i nt h es t r e s sf i e l d ，d e f o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r ei nt h ec u t t i n gp r o c e s sa r eo b t a i n e d f o u r t h ，f o rt h ep r e v i o u ss t r u c t u r ea n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no fh e a v y d u t yt o o lt o i l 。 哈尔滨理工大学工学硕士学镪论文 篁曼曼曼冀舞曼皇麟拦曼曼曼篡烹曼寡鼎篁曼曼曼燃鼍曼i i i i i i 。一, ii寰鼎鳖 s o l i d w o r k ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya sb a s i st od e v e l o pas e to fl a t h e t o o lb l a d ed e s i g ns y s t e m l a s t l y , t h ed e s i g no fn e wc u t t i n g t o o lu s e df o r t h ea c t u a lp r o c e s s i n gs i t e ， c o m p a r i s o nt e s tw i t ht h ef a c t o r ) , b l a d ec u t t i n g , v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h en e w s t r u c t u r ea n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no ft h eb l a d e k e y w o r d sh e a v yc u t t i n g ，p h y s i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o n , t o o l ss t r e n g t h ，p a r a m e t r i c d e s i g n ，c a ds y s t e m 一姒。 啥尔滨理王大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 第l 蠢绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 重型切诲4 刀具的因内外发展与应用情况。2 1 3s o l i d w o r k s 二次开发研究现状3 1 4 课题研究的主要内容4 第2 肇重型切削技术基础研究。5 2 1 高温高强度钢2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 的可切削性研究5 2 1 12 2 5 c r - l m o - o 2 5 v 钢材料的特性一s 2 1 2 切削用量对2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢切削力影响研究6 2 ，1 32 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢切削温度分布特性7 2 。2 刀片基体材料研究与优选。9 2 2 1 车削刀具材料种类与类型一9 2 + 2 2 重型车削工件材料与刀具材料匹配分析1 0 2 3 车刀结构优化设计1 2 2 3 1 刀片形状优化选择1 2 2 3 2 车刀后焦的优讫设诗1 3 2 + 3 3 车刀主偏角的优选1 4 2 4 本章小结1 5 第3 耄重型车刀的动态强度分析1 6 3 1 重型切削刀具动态强度理论1 6 3 2 重型切海l 载荷特性研究1 7 3 2 1 荒加工条件下的切削力特点1 7 3 + 2 2 重型车刀切削热载荷特性研究2 0 3 3 重型车刀有限元分析2 2 3 3 1 切削过程中的应力场分析2 3 3 3 2 切削区域的温度场分析2 6 哈尔滨理工大学工学硕学位论文 3 3 。3 切削区域的耦合场分析2 8 3 碡本章小结3l 第4 章重型率刀设计软件的开发3 2 4 1c a d 软件平台的选择3 2 4 1 1 开发软件的选择3 2 4 1 2 开发方式的选择3 2 4 + 2s o l i d w o r k s 软件二次开发原理介绍3 3 4 2 1s o l i d w o r k sa p i 的对象j 3 3 4 2 2v b 创建s o l i d w o r k s 对象3 4 4 2 3 文件操作3 5 4 3s o l i d w o r k s 的二次开法设计过程3 6 4 3 。l 参数化设计3 6 4 3 2 用户界面设计3 7 4 。3 3 程序编写3 8 4 3 4 软件安全性4 0 4 4 本章小结4 l 第5 肇毅型重型车刀切削性畿研究4 2 5 1 切削实验4 2 5 1 1 实验条件和方案设计4 2 5 。1 2 实验结果对比与分析4 3 5 2 筒节荒加工最佳切削用量4 4 5 。3 本章小结钓 结论4 7 参考文献+ 。4 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文一5 2 致谢5 3 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 加氢反应器作为炼化关键设备，以制造工艺复杂、制造工序长、核心技术 难点多而被看做炼化装备制造能力的象征。加氢反应器是石油化工生产过程中 的重要组成部件，属于高温高压容器。其接触介质为硫化氢、氢气等腐蚀介 质，属于危险物品，因此对制造厂和工艺安排有严格要求。随着石油化工的发 展，加氢反应器向着大型化发展，其尺寸越来越大筒节，当然重量也就越来越 重，它的毛坯件直接锻造制成的，筒节表面存在许多锻造缺陷( 如图1 1 所示) ， 尺寸不均、加渣、铲沟、硬皮等给切削加工带来了极大的困难，在荒加工时， 切深不但大，而且呈不连续切削也就是断续切削，材料去除量多，切削加工率 低，切削力大( 切削力是中小型切削的4 0 5 0 倍) 、切削温度高，这对于一般 刀具很难承受住，所以我们应该合理选择工艺安排，达到高效生产的目的。 2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 钢中的f e 族元素与硬质合金刀具中的c o 在高温下亲和力 强，在高温高压下材料容易与刀具材料产生粘结，造成刀具粘结破损，降低刀 具寿命【， 。加氢反应器是石油化工的重要部件，对其进行高效切削加工的研究， 从一定程度上提高我国重型加工技术，提高重型切削加工效率，对我国石油化 工的发展具有重要的现实意义和战略意义【3 】。 锻造褶皱金属覆盖物 图1 1 不同锻造缺陷引起的不同刀具破损形式 f i g 1 一ld i f f e r e n tf o r m so f t o o lb r e a k a g ec a u s e db yv a r i o u sf o r g i n gd e f e c t s 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 本论文利用编程软件v b 对s o l i d w o r k s 的二次开发，开发出设计及优化的 刀片软件系统，提高了设计者对刀片设计精度及设计效率，同时为车刀的刀片 c a m 研究打下基础。重型车刀刀片设计c a d 系统的研究成功，在一定程度解 决了车刀刀片传统设计的设计精度低、工作量大、周期长等问题，通过参数化 设计，大大提高了设计效率。使用者只需要选择工件的材料，输入刀片的一些 基本参数用户便可以实现刀片的自动精确设计。故本系统的研究具有较高的经 济价值和市场开发潜力，同时也对提高我国刀具设计的精度、性能有其现实意 义。 1 2 重型切削刀具的国内外发展与应用情况 随着材料发展、制造精度的提高、高速高效数控机床的使用，推动了制造 业的快速发展，刀具也随之迅速发展，进入了高效、高效率、高精度发展阶段。 在此基础上刀具材料、涂层技术、刀具设计也得到发展【“】。各种难加工材料的 应用、对加工效率提高的要求，都对刀具提出了更高、更新的要求，照此发展， 在很长的时期内，切削加都会不断向前发展，并且不管材料和设计都会有更新 的发剧7 1 。 2 0 世纪中期，高速钢已经不能满足制造业的发展，硬质合金随之被研制成 功，硬质合金的高温硬度满足此时机械制造的发展需要，而且也提高了切削效 率，因而逐渐得到应用【引。 上个世纪末期，工件材料的更新和加工精度的提高，刀具材料也相继更新， 出现了氧化铝陶瓷，后来又有氮化硅陶瓷，人造立方氮化硼和人造聚晶金钢石 相继研究出来，他们以良好的高温硬度优于其他材料，陶瓷的硬度稍高于硬质 合金，但其韧性和可加工性则逊于硬质合金【9 】。 重型刀具的性能不只是刀具材料的材料特性，刃形适合与否起着很大的作 用，目前，对于硬质合金车道制造水平来说，国内和发达国家间的差距主要表 现在： 1 国产刀片材料刀具材料均匀性差、其刀具质量不稳定； 2 国内超硬工具刃磨制造装备技术落后，尚不能提供与国外公司相当的数 控刀具刃磨机床； 3 高精度复杂结构的超硬数控刀具设计制造技术不过关，如用于加工汽 车、航空航天关键零件的超硬数控刀具中国企业尚不能制造。 近年来在中国市场上活跃着世界五大刀具派系有：山特系：美国系；日本 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 系；以色列系；欧洲系。 山特系包括山特维克可乐满s a n d v i k 、山高( s e c o ) 、瓦尔特( w a l t e r ) 等。 美国系主要以肯纳k e n n a m e t a l ，w i d i a 、s t a r 等为代表。 日本系包括三菱，住友、东芝、o s g 、黛杰、不二越、日立等。 以色列系包括i s c a r ( 伊斯卡) 、莫格索尔、瓦格丝等。 欧洲系主要以德国为主，包括m a p a l 、g u e h r i n g 、e m u g e 、t b t 、瓦格 纳等。 国内刀具企业也有了几个品牌，但是在总体实力上，跟国外有一定的差距， 不论在制造还是在设计方面都有待提高。 1 3s o l i d w o r k s 二次开发研究现状 s o l i d w o r k s 是由美国s o l i d w o r k s 公司开发的，它的目的就是面向中小型的 终端c a d 产品，它的操作界面以及风格跟w i n d o w s 有点相似，我们操作起来 比较随手。它是基于参数化实体建模设计工具，完全关联的三维实体模型，可 以创建带有或不带有约束，可以使用自动或用户定义的关联捕捉设计意图【1 0 】。 s o l i d w o r k s 软件是一款通用性的三维造型软件，虽然功能强大，但是它不是为 某个企业或者行业设计，如果用户想要另外的功能，只能自己开发，这也是 s o l i d w o r k s 公司为广大用户提供了方便，对s o l i d w o r k s 的进行二次开发， s o l i d w o r k s 公司为用户提供了免费的二次开发接口，供用户开发。 s o l i d w o r k s 软件面世尽管有点晚，但是也有不少学者以及工程人员对其进 行了二次开发，如东南大学机械工程系的朱强研究了s o l i d w o r k s 的o l e 技术， 介绍了s o l i d w o r k s 本身软件在提取特征等方面存在的不便，并用二次开发技术 开发一个实例，这对二次开发具有参考价值【1 1 ；贵州大学的杨勇主要是针对凸 轮进行的s o l i d w o r k s 的二次开发，利用v b 开发出s o l i d w o r k s 的插件形式，为 生产凸轮提高了设计效犁1 2 】；南京林业大学的邱承勋针对直接所研究的齿轮， 对s o l i d w o r k s 进行了二次开发，他采用的是尺寸驱动方法开发的齿轮设计软 件，对以s o l i d w o r k s 的尺寸驱动的开发方法具有参考价值【1 3 】；天津理工大学的 马会来利用v c + + 对s o l i d w o r k s 进行了二次开发，对螺纹钻具模块进行了研 究，加上数据库，开发出一个集设计和管理于一体的软件，这对利用v c + + 对 s o l i d w o r k s 的二次开发，具有重要的参考价值【1 4 】。这些人的研究成果，促进了 s o l i d w o r k s 二次开发技术的进步，值得借鉴，这些成果都是在自己本领域进行 开发的专用开发的。本文采用了v b 对s o l i d w o r k s 的二次开发，区别于以上的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 开发方法，是集成尺寸驱动和程序驱动于一体，不依托s o l i d w o r k s 的独立外在 程序，这样的好处是对刀具形状不同，可以更多选择，具有更高的灵活性。 1 4 课题研究的主要内容 本课题来源于“国家8 6 3 重点项目”( 课题编号：2 0 0 9 a a 0 4 4 3 0 2 ) 、重大专项 子项“大型铸锻焊件高效切削加工工艺及其系列刀具开发”( 课题编号： 2 0 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 0 6 6 0 3 ) 和国家自然基金项目“极端重载条件下大型特殊难加工 材料零件高效切削机理与刀片设计”( 编号：5 1 1 7 5 1 3 1 ) 。 本文结合课题需要，对切削大型筒节荒加工过程进行研究，结合有限元方 法，研究刀具切削过程的应力场，并利用s o l i d w o r k s 的二次开发开发出一套 车刀刀片设计系统。 本文的主要工作： 1 在加工现场对筒节毛坯的表面恶劣条件进行分类统计，对工厂实际荒加 工筒节毛坯的过程进行跟踪，分析引起刀具过早破损失效的外在和内在因素， 为后续刀片设计提供优化方案，针对筒节毛坯荒加工的要求，对不同刀具材料 进行对比分析，选出适合筒节荒加工工艺的刀具材料； 2 基于z o r e v n n 的重型车刀前刀面应力分布模型和切削过程热传导理 论，对筒节荒加工过程刀具承受动态机械冲击载荷和热冲击载荷等问题进行分 析，应用有限元软件对重型车刀结构进行对应力场、温度场的研究，获得刀具在 切削过程中应力场、变形及温度分布规律； 3 针对先前对重型刀具结构的研究以及参数的优化，以s o l i d w o r k s 的二 次开发技术为基础开发出一套车刀刀片设计系统； 4 将设计的新型刀具用到实际加工现场，与工厂原来的刀片进行切削对比 试验，验证新型刀片的结构以及参数优化的可行性。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章重型切削技术基础研究 重型切削主要考虑：提高工件的加工效率、设备利用率、降低能耗。针对 国内外先进的切削加工技术，设计新型重型刀片应从刀具材料、刀具几何参数、 刀具涂层以及他们之间的相互兼顾的关系。 重型车削是指切削深度a p _ l o m m ，进给量企o 5 m m r 的车削加工【l5 1 。在一 重的生产现场，他们的工艺安排一般切削深度a p = 3 0 m m ，切削用量是中小机 床l o 倍，所以切削力大，再加上工件表面的锻造缺陷，对刀具容易造成不可 估量的破坏，所以重型车刀的设计与普通的车刀设计不可能完全一样，它应该 具有自己的显著特点。 2 1 高温高强度钢2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 的可切削性研究 加氢反应器是石油炼制和石油化工装置中的关键设备，其尺寸巨大，以钢 锭作为毛坯的，一般在水压机上进行，大都采用自由锻造工艺，可加工性非常 差，表面状态恶劣：氧化皮、夹砂、夹渣、大裂纹、余量不均匀等锻造缺陷， 切削过程中，由于切削深度变化非常大，对刀具产生变频率、变载荷冲击。 2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 钢有很高的强度、塑性和粘结性属于难加工材料， 2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 钢材料的f e 元素与硬质合金刀具的中c o 元素在高温下的亲 和性很强，高效重载切削时刀具与材料的粘结非常严重，切削力非常大【1 6 】。因 此，为了更好的了解2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 钢切削加工性，我们可以在实验室的条 件下，从切削力、切削温度等方面研究。 2 1 12 2 5 c r 1 m o 0 2 5 v 钢材料的特性 2 2 5 c r - 1 m o - 0 2 5 v 钢被应用于炼油化工行业加氢反应器的简节壳体材料， 长期以来，2 2 5 c r - l m o 钢被广泛应用于炼油化工行业的加氢设备上，它具有良 好的抗氢性能、抗蠕变性能、塑性好、耐高温【1 7 】。2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢中含有 许多高熔点的元素，如c r 、面、n i 、m o 、v 等，c r 和m o 元素可以固溶在铁 素体中，起到固溶强化的作用，这样铁素体即保持了良好的塑性，强度也得到 了提高，因此在高温下仍能保持较高的强度【1 8 】。 2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢材料的的化学成分和物理性能分别如表2 1 和表2 2 所示。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表2 12 2 5 c r 1 m o 0 2 5 v 钢化学成分 t a b l e2 - 1t h ec h e m i c a lc o n s t i t u e n t so f 2 2 5 c r - l m o - 0 2 5 vs t e e l ( ) ( ) 元素cm n p s ism oc r t i 0 1 2 0 3 0 9 5 2 0 肛0 0 2 0 占比 0 0 0 9 9 1 2s 0 0 0 6 0 1 60 6 01 1 62 5 00 0 3 0 元素 n is na lc ua sbv 0 1 o 2 5 占比 o 0 0 6 s 0 0 3 0郢0 2 4 61 9 5 2 3 5 2 1 2 切削用量对2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢切削力影响研究 本节按照传统的切削力计算公式1 1 9 - 2 1 1 来计算切削2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢时 的切削力。 只= g x f x ( 1 舰+ 功 ( 2 - 1 ) 式中：e 为主切削力；为工件材料的屈服强度( p a ) ；( m m ) 为切削深 度；f 为进给量( m m r ) ；a 为系数；瑁为常数。 相关资料查询表明2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 钢是一种高强度钢，即吼值比较大， 由经验公式可以知道e 会较大，图2 1 t 2 2 】为在实验室条件下，车削 2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢、4 5 钢和4 2 c r m o ，我们用测力仪测量出改变切削深度r 、 进给量厂的时候的这三种材料的主切削力凡，然后根据数据画出r 的变化曲线。 图2 1 a 是在保证其他参数不变情况下，只改变，测得切削力数据，得 出三种材料的切削力变化趋势，但是切削力最大的是2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢。 在同样的实验条件下我们改变进给量，得出图2 1 b ，由图得出，这三种材料的 主切削力都随着进给量的增加而增加，其中2 2 5 c r - l m o - 0 2 5 v 的切削力仅次于 4 2 c r m o ，变化也比较明显。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 蚕 冬 墓 州 1 0152 o2 5303 5 40 a p ( m m ) a ) 切削力与切削深度的关系 蚕 耋 蕙 w 01o2o 30 405 f ( m m r ) b ) 切削力与进给量的关系 刀具材料：y w 2 几何参数：) ，产2 2 。x r = 7 5 。以= 0 8 m m 切削用量：v c = 6 0 m m i na ) f = o 3 m m r b ) a p = 2 m m 图2 1 车削三种典型钢材时的主切削力【2 2 】 f i g 2 1m a i nc u t t i n gf o r c eo f c u t t i n gt h r e et y p i c a ls t e e l s 2 2 】 根据上面这个实验数据，可以总结出，改变切削深度和切削速度对， 2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢的切削力影响较大。我们在实际加工的时候，可以从这两 个方面来安排工艺进而增加刀具的寿命。 由图2 2 可以看，随着切削速度v c 的改变，三种材料的主切削力凡发生 明显的变化，其中2 2 5 c r 一1 m o 0 2 5 v 钢的主切削力最大。 从以上实验数据得出，影响2 2 5 c r 1 m o 一0 2 5 v 钢的主切削力的因素中切削 深度锄和切削速度k 影响最大，切削深度和切削速度对切削力的影响大于进 给量，因此从减小切削力的角度出发，选择较大的切削速度较大的进给量 比大的背吃刀量更有力于2 2 5 c r 一1 m o 一0 2 5 v 的切削加工。 2 1 32 2 5 c r 一1 m o 一0 2 5 v 钢切削温度分布特性 2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 在切削过程中，变形热是在剪切平面里产生的，而摩擦 热是在刀具和切削与工件的接触面上产生的。冷却介质作用在前刀面及后刀面 上的非接触区里，也作用在切削与刀具的接触区上。在高温下 2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 钢材料的f e 元素极易与硬质合金刀具的中c o 元素在结合， 发生粘结，进而导致切削力非常大，切削功率大。2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢强度高， 塑性好，在切削过程中会产生大量的切削热，由于这种材料的导热系数小，导 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 热性较差，切削区域的温度很高( 可达1 0 0 0 。c 以上) 。 1 2 - - 7 - 、 1 0 - 8 6 0 2 0 4 0 6 08 01 0 01 2 0 v c ( m m i n ) 工件材料：1 2 2 5 c r 1 m o 0 2 5 v2 - 4 2 c r m o3 4 5 钢 刀具材料：y w 2 几何参数：y = 2 2 。x r = 7 5 。轳0 8 r a m 切削用量：a 。= 2 m m 户0 3 m m r 图2 2 车削三种典型钢料不同切削速度下的主切削力 f i g 2 - 2m a i nc u t t i n gf o r c eo fc u t t i n gt h r e et y p i c a ls t e e l sw i t hd i f f e r e n ts p e e d v c ( m m i n ) 工件材料：1 2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v2 - 4 2 c r m o3 4 5 钢 刀具材料：y w 2 几何参数：y 。= 2 2 。铲7 5 0k = 0 8 r a m 切削用量：口。= 2 r a mf = - 0 3 m m r 图2 - 3 车削不同钢材切削温度的对比 f i g 2 - 3t h ec o n t r a s to fc u t t i n gt e m p e r a t u r eo ft u r n i n gd i f f e r e n ts t e e l s 由图可以看到，在相同的切削条件下加工三种材料，2 2 5 c r - l m o 0 2 5 v 钢 的切削温度最大，4 2 c r m o 不锈钢次之，4 5 钢的温度最低，故筒节材料 2 2 5 c r - l m 0 0 2 5 v 钢加工性最差，而且由于切削温度高，其材质粘结性更大， 一8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0咖蝴瑚湖伽湖瑚姗o ( p s 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 刀具粘结破损更加严重。 2 2 刀片基体材料研究与优选 2 2 1 车削刀具材料种类与类型 刀具材料与工件材料息息相关，他们相互促进，相互发展，共同推动切削 技术的发展。随着各种机械产品的性能不断提高和生产量的增加，工件材料的 机械、物理性能及其加工难度加大，高效加工、高速切削的应用更广泛，加工 精度的要求不断提高，刀具材料也相应的得到发展【2 引。 图2 4 描述了多种刀具材料的特性。其中，纵轴表示的是高温硬度，横轴 则表示韧性。目前硬质合金，涂层硬质合金及t i c t i n 系列金属陶瓷是金属材 料市场的主打材料，这是由于它们在高温硬度与韧性方面达到了最佳的平衡。 _韧性 图2 4 各种刀具材料的位置关系 f i g 2 4a l lk i n d so fc u t t i n gt o o lm a t e r i a lp o s i t i o n 1 ) 高速钢。高速钢的出现促进了美国等发达国家制造业的发展，具有良 好的切削性能，因此就是现在高速钢也占有不少市场。 2 ) 硬质合金。硬质合金是碳化物( w c 、t i c 等) 的粉末在高温下烧结而 成，由于硬质合金具有良好的高温硬度，和较好的韧性以及他们之间的平衡关 系良好，成为金属材料市场中的主打刀具材料。 3 ) 超微粒硬质合金。超微粒硬质合金由亚微细粒的超微粒w c 与高钴c o 构成，在硬质合金中具有最高的抗弯强度。与相同硬度的普通硬质合金相比， 哈尔滨理工大学： 学硕士学位论文 抗弯强度约为后者的2 倍，具有高韧性，应用于钻头、立铣刀等要求具有锋利 刀尖的切削刀具中。 4 ) 金属陶瓷。制造金属陶瓷所使用的粉末成分与硬质合金基本相同，最 大的不同之处在于，硬质合金以w c 为主要成分，而金属陶瓷的主要成分则是 t i c ，并使用n i 作为结合金属。n i 与t i c 的结合强度高于钴( c o ) ，但是由于 结合力不如w c 与c o 强，因此缺点是韧性较低。 5 ) c b n 烧结体。这是将c b n ( 立方氮化硼) 的超高硬度物质的粉末放在 高温高压下进行烧结后制成的材料，它具有优异的高温特性。 6 ) 金刚石烧结体。金刚石是地球上硬度最高的物质，具有拉伸弹性模量 高、热膨胀系数低等特性。 2 2 2 重型车削工件材料与刀具材料匹配分析 本课题研究的2 2 5 c r 1 m o 一0 2 5 v 高温高强度钢是难加工材料，为了实现稳 定的切削加工，选择与工件材质、加工条件相匹配的刀具材料是非常必要的。 1 ) 高温硬度 切削加工即切削刃切入工件，将其中一部分切掉成为切削。众所周知，切 削刃必须具备显著高于工件硬度，否则切削加工是无法成立的。一般切削刃( 切 削刀具材料) 比工件的硬度高3 5 4 倍以上。在加工2 2 5 c r - l m o 一0 2 5 v 材料 的筒节的过程中，切削刃温度可达到1 0 0 0 。c 以上，因此作为重型切削刀具材料 必须具备高温硬度。图2 5 为各种刀具材料的高温硬度比较。 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 1 e 0 0 湿厦( ) 图2 - 5 各种刀具材料的高温硬度比较 f i g 2 - 5c o m p a r i s o no fv a r i o u sc u t t i n gt o o lm a t e r i a l s h i g ht e m p e r a t u r eh a r d n e s s 硬质合金中，加工钢用( p 系列) 硬质合金的高温硬度高于加工铸铁用( k 系列) 硬质合金。在荒加工筒节时，选择刀具的材料的高温硬度非常重要。金 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 刚石、金属陶瓷刀具的高温硬度高，高速钢在高温下硬度显得不够，硬质合金 的高温硬度还是比较好的。 2 ) 韧性 切削刃是否发生崩刃、破损等异常损伤的特性称为耐破损性或者韧性。在 荒加工筒节时，由于锻造的缺陷，导致切削深度不断变化，刀具受到巨大的冲 击载荷，这就要求必须具有良好的韧性。在上述材料中，陶瓷最差，硬质合金 较好。 3 ) 耐塑性变形性 切削过程中，切削刃会在切削热与切削阻力的作用下发生软化，处于容易 发生变形的状态。切削刀具材料本来具有优良的高温硬度，但是随着切削条件 的变化，切削温度达到1 0 0 0o ( 2 以上，切削阻力达到1 5 0 0 n 以上，在如此高温 高压下，刀具材料会发生塑性变形。塑性变形在c b n 烧结体、陶瓷等高硬度、 高温硬度不易下降的材料上最不太容易发生。硬质合金材料的也不容易发生。 4 ) 高温化学稳定性 高温化学稳定性是指高温下不容易发生化学反应的特性，包括与工件材料 的耐扩散性和大气中的耐氧化性等。扩散层失去了切削刀具材料原来健全的材 料特性，因此会附着在连续不断的擦过的切削背面而不断