1、潍坊学院本科毕业论文I摘 要随着现代科学技术和生产的发展以及机床性能的提高，使得切削速度越来越高，切削温度也随之升高，其中陶瓷刀具因其良好的抗氧化性能和高温力学性能成为了高速切削刀具材料的首选。从陶瓷刀具的发展特点及注意问题进行了较详细的分析叙述。高速切削加工是实现高效和精密、超精密切削的一种新的加工技术,刀具是实现高速加工的关键因素之一。本文介绍了陶瓷刀具的性能特点,高速切削加工中陶瓷刀具切削用量以及刀具参数的选择。本文通过对高速切削加工的介绍；陶瓷刀具性能、种类、适合加工的工件材料的介绍。选定了 45 号钢（调质）作为切削工件材料，与陶瓷刀片 P1、T 16、T c 进行了切削实验研究，得
2、出了相应的寿命曲线和寿命方程式，对各种刀具的使用范围进行了讨论。本文还通过陶瓷刀片的切削试验研究,找到比较理想的切削参数。采用合理刀具几何参数, 采取减小切削厚度的措施, 扩大了陶瓷刀具的应用范围。试验表明, 稀土补强陶瓷刀具材料, 能使陶瓷刀具抗破损能力提高约 20%。在不同切削条件下,疲劳裂纹和热裂纹是陶瓷刀具破损的主要原因。采取有效措施能减少陶瓷刀具破损, 提高刀具寿命。通过对陶瓷刀具的切削实验研究，得出了提高延长陶瓷刀具寿命的措施，综合分析了陶瓷刀具的切削寿命，对高速切削陶瓷刀具寿命进行了深入研究。关键词：高速切削 陶瓷刀具 破损磨损 寿命研究 潍坊学院本科毕业论文IIABSTRACT
3、Along with the development of modern science and technology and the development of production and improve the performance of machine tool, the cutting speed is more and more high, the cutting temperature is increased, the ceramic tool because of its good antioxidant properties and high temperature m
4、echanical properties of high speed cutting tool materials have become the preferred. From the ceramic cutting tool development characteristics and problems are analyzed in detail in the. High speed machining is to achieve high efficiency and precision, ultra precision cutting is a new processing tec
5、hnology, cutting tool is one of the key factors to realize high speed processing. This paper introduces the characteristics of ceramic cutting tools in high speed machining of ceramic cutting tools, cutting and cutter parameters selectionThis article introduced the high speed cutting; ceramic cuttin
6、g tool performance, variety, suitable for processing of the workpiece material analyzed. Selected 45steel (modified) was cut by ceramic blade P1, T16, Tc were cutting experiments, the appropriate life curve and life equation, for a variety of tool use are discussed.This article found the ideal cutti
7、ng parameters by the ceramic blade cutting experimental research. The reasonable geometric parameters of cutting tool, to reduce cutting thickness measures, expand the scope of application of ceramic tools. Experiments show that rare earth reinforced ceramic tool material, can make the ceramic cutti
8、ng tool breakage resistant capacity of about 20%. Under different cutting conditions, the fatigue crack and crack are the main causes of the damage of ceramic cutting tools. Take effective measures to reduce the ceramic cutting tool breakage, improve tool life.Based on the experimental study of cera
9、mic cutting tools, the increasing extension of ceramic tool life measured, a comprehensive analysis of the ceramic cutting tool, high speed cutting tool life of ceramic were studied.Key words: High speed machining; ceramic tools; Damage and wear; Study on the life 潍坊学院本科毕业论文目录摘 要 IABSTRACT II引言 .1第
10、1 章 高速切削加工现状与陶瓷刀具 21.1 高速切削加工技术的发展现状 21.2 高速切削陶瓷刀具应用前景 .21.3 陶瓷刀具概况 21.3.1 陶瓷刀具的种类 .21.3.2 陶瓷刀具的切削性能 31.3.3 适合陶瓷刀具加工的材料 3第 2 章 陶瓷刀具适合的加工工件材料 32.1 P1、T 16、 TC 陶瓷刀具的性能 32.2 45 号钢材料属性 42.3 45 号钢的热处理 42.4 45 号钢和陶瓷刀具的匹配性能 .52.5 钴基合金的材料属性 52.5.1 钴合金的耐高温性 52.5.2 钴合金的耐磨损性 52.5.3 钴合金的热处理 .62.5.4 钴合金与陶瓷刀具的匹配性
11、能 62.6 本章小结 .6第 3 章 陶瓷刀具高速切削参数选择及影响 63.1 合理的选择切削用量 63. 1. 1 切削速度的选择 63. 1. 2 进给量的选择 73. 1. 3 切削深度的选择 73. 2 合理选择刀具几何参数 73. 3 陶瓷刀具的适应性研究 车削 45 号碳钢 83.3.1 试验设备及实验条件 83.3.2 试验方法 .83.3.3 实验结果与讨论 .9潍坊学院本科毕业论文3.4 陶瓷刀具的切削力、切削热、切削温度 .123.4.1 切削力 .123.4.2 切削热的产生与传导 133.4.3 切削温度 .133.5 切屑的形成与形状 143.6 本章小结 15第
12、4 章 综合分析各参数下陶瓷刀具寿命 164.1 陶瓷刀具的切削实验 164.1.1 TC 陶瓷刀片对铬基合金和钴基合金的切削研究 164.1.2 陶瓷刀具的破损切削实验 174.1.3 陶瓷刀具的磨损形势和机理 184.1.3 陶瓷刀具的耐用度 214.2 陶瓷刀具适合的切削参数 .224.3 本章小结 22第 5 章 陶瓷刀具寿命分析 .225.1 陶瓷刀具加工各种工件时磨损分析 .235.1.1 Al2O3 基陶瓷刀具 235.1.2 Si3N4 基陶瓷刀具 235.2 提高刀具耐用度的措施 .235.3 本章小结 24第 6 章 结 论 .24参考文献 .252余国琮.化工机械工程手册
13、(下册)M.机械工业出版社出版，2002 254林明星. 电气控制既可编程序控制器M.机械工业出版社出版，2004 256朱东华,樊智敏.工程力学（）M.机械工业出版社出版，2004 258李庆余,张佳.机械制造装备M.机械工业出版社出版，2004 2510成大先.机械设计手册（第 1 篇）M.化学工业出版社出版，2004 2512成大先.机械设计手册（第 6 篇）M.化学工业出版社出版，2004 25谢 辞 .26潍坊学院本科毕业论文1引言高速切削加工是提高生产率的众多途径之一。为了提高数控加工的效率，目前国外许多飞机厂和发动机厂已采用高速切削加工来制造航空零部件，如长的铝合金零件、薄层腹板
14、件、模具、钛合金零件等。目前，国外在高速切削加工方面除了进行工艺研究外，还着重开展了研制、发展和提供能够适应于高速切削加工用的高质量、高性能、高可靠性的加工设备和装置 1。其中，高速铣削加工可获得较高的金属切除率、很高的加工精度和良好的加工表面质量，因此在现代制造业中受到普遍重视，发展很快。高速铣削技术首先应用于航空制造业。在航空制造业中，高速铣削的主要加工对象为铝合金构件。高速切削技术已在工业发达国家得到广泛应用, 但是目前对高速切削基础理论的研究却严重滞后于应用研究,远未形成相对完整的理论体系。因此未来高速切削理论的研究应向高速加工基本规律、高速切削过程和切削成形机理以及高速切削虚拟技术等
15、方面进行深入发展。 当今应用的陶瓷刀具材料多为复杂陶瓷, 它是以一定的组分设计为基础,采用精选高纯超细的氧化物、 氮化物、 碳化物和硼化物等为初始原料, 依据增韧补强机理进行微观结构设计, 从而获得具有良好综合性能的各种先进陶瓷刀具材料。其中, 以Al2O3系和Si3N4系应用最为广泛。陶瓷刀具材料的优点是硬度高、 耐磨性好及耐高温, 特别适合加工高强度材料,对高速切削、 高精度加工有其独到之处,且具有优良的化学稳定性和抗粘结性； 刀具制造工艺简单、 刃磨方便、 价格低廉、 耐用度高。陶瓷刀具的缺点是材料的脆性大, 抗冲击载荷能力较差,常产生脆性破损(即崩刃)。在选择合理切削用量及刀具几何参数
16、、 改善刀具受力情况下,先进陶瓷刀具材料的应用能充分发挥其优势,取得较满意的加工效果。同时,通过实验研究,能有效控制刀具的破损,延长刀具的使用寿命。潍坊学院本科毕业论文2第 1 章 高速切削加工现状与陶瓷刀具1.1 高速切削加工技术的发展现状机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性和绿色制造的方向发展。在机械加工技术中，切削加工是应用最广泛的加工方法。据估计，占全球约 15%的机械产品都是由切削加工完成的。目前切削加工约占整个机械加工工作量的 90%以上。近年来，高速切削技术蓬勃发展，已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。高速切削包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给切
17、削等。高速切削能够大幅度提高生产效率和单位时间内材料切除率，改善加工表面质量降低加工费用。特别是 20 世纪 80 年代以来，高速切削技术是国内外的研究热点之一，各工业发达国家相继投入大量人力、财力、研究开发高速切削技术及相关技术，作为先进实用的先进制造技术有着强大的生命力 2。1.2 高速切削陶瓷刀具应用前景随着科学技术的发展，人们对切削加工提出了越来越高的加工要求，如对价格效率、加工精度和表面质量的要求，高速切削正是适应这种需求而发展起来的加工技术。高速切削的发展在很大程度上得益于现代刀具材料的出现及发展，合理的选择刀具材料是保证高速切削加工成功应用的关键。陶瓷刀具是现代切削加工中的一种新
18、型材料刀具，陶瓷刀具以其优良的切削性能和高性价比而受青睐，可用与车、镗、铣削加工以及孔加工刀具，被公认为是提高生产效率最有潜质的刀具。1.3 陶瓷刀具概况1.3.1 陶瓷刀具的种类按化学成份可以分为 Al2O3 基陶瓷和 Si3N4 基陶瓷两大类 3。按压方法可以分为冷压烧结法（CP） 、热压烧结法（ HP）和热等静压法(HIP)三种。用热压法制成的陶瓷在强度和硬度方面方面都比冷压法好，而且热等静压制成的陶瓷，其组织致密，强度较高，抗刃性好（韧性好） ，目前应用较多。（1）Al 2O3 基陶瓷Al2O3 基陶瓷按纯度和添加物得不同可以分为：白陶瓷、黑陶瓷、金属陶瓷和晶须增强陶瓷。它们各自的性能
19、与纯度和添加物的不同而表现出不同的特点，在高速切削加工中起到很大的作用。（2）Si 3N4 基陶瓷潍坊学院本科毕业论文3Si3N4 基陶瓷可分为 Si3N4 陶瓷和复合 Si3N4 陶瓷。其中 Si3N4 陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，以高硬度、耐高温的特点而值得发展应用。而复合 Si3N4 陶瓷以 Si3N4 为硬质相，并加入少量的助烧结剂 Y2O3 经热压而成。大大提高了刀具的抗冲击性能和切削寿命。1.3.2 陶瓷刀具的切削性能（1）高的硬度与耐磨性氮化硅陶瓷刀片的室温硬度值已经超过了最好的硬质合金刀片的硬度，达到了HRA92.5HRA94，这就大大提高它的切削性能和耐磨性 4。其优良的耐磨
20、性，不仅延长了刀具的切削寿命，而且还减少了加工中的换刀次数，从而保证切削工件时的小锥度和高精度，尤其在数控机床进行高精密连续加工时，可以减少对到误差和因磨损引起不可预测的误差，简化刀具误差补偿。（2）很好的耐热性和抗高温氧化性陶瓷刀具在 12001450 时仍能保持一定的硬度和强度进行长时间切削，因此允许采用远远高于硬质合金刀具的切削速度实现高速切削。其切削速度比硬质合金刀具提高了 3 倍4 倍，因而能大幅度提高生产效率。（3）很高的红硬性一般硬质合金刀具在 8001000 时，其硬度将有一个突然降低的阶段，如 TY类刀具在 800升高到 1000时，其硬度由 HV910 降到 HV600，二
21、陶瓷刀具的硬度随温度的升高变化很小，即使在 1200时，硬度仍能达到 HRA80。（4）具有与金属极小的亲和力陶瓷刀具在熔化温度下与钢也不想反应，具有良好的抗粘结、抗氧化磨损能力，有较低的摩擦系数，因此减小了切削力，加工的工件具有良好的表面粗糙度。1.3.3 适合陶瓷刀具加工的材料根据以上对陶瓷性能的介绍得知，陶瓷刀具不能用于加工铝，而对灰铸铁、球墨铸铁、淬硬刚和某些未淬硬刚、耐热合金则特别适合 5。除了对刀具材料的要求之外，陶瓷刀具应用成功，还需要刀片刃口的外观及微观质量保证，并需要最佳的切削参数。 第 2 章 陶瓷刀具适合的加工工件材料 2.1 P1、T 16、T C陶瓷刀具的性能 通过上
22、一章对陶瓷刀具的性能、种类的研究讨论，我们在这选择具有代表性陶瓷刀具 P1、T 16、T C，进行高速干切削，着重对 TC 陶瓷刀具进行研究。潍坊学院本科毕业论文4陶瓷刀具的发明及应用大大提高了切削加工的能力和水平。陶瓷刀具具有优良的高温红硬性、耐磨性和化学惰性，是适用与高速干切削的主要刀具材料。由于高速干切削在加工机理和切削与较低速的常规湿式切削在加工机理和切削现象上存在很大差异。我们将对 P1、T 16、T C 陶瓷刀具对 45 号钢进行高速干切削实验对陶瓷刀具的破损进行研究；通过 TC陶瓷刀具对铬基合金和钴基合金的切削，对陶瓷刀具的磨损进行研究，从而对陶瓷刀具的寿命做出分析研究。2.2
23、45 号钢材料属性（1）45 号钢的化学成分和属性45 号钢的含 C 量是 0.420.50%，Si 含量为 0.170.37%，Mn 含量0.500.80% ， Cr 含量0.25%，Ni 含量0.30%。抗拉强度 600Mpa,屈服强度 355Mpa,伸长率 16%。（2）45 号钢的材料性能45 号钢虽焊接性能一般，但它是机械制造中广泛应用的中碳优质碳素结构钢。它具有良好的切削加工性能。通常在调质或正火状态下使用，它具有高的强度和塑性，经调质成索氏体时，却会出现淬透性差，水淬变形大，裂纹倾向敏感等问题，尤以40左右水淬时更为明显。（3）45 号钢的用途45 号钢可制造强度要求较高的零件，
24、如曲轴、轴、活塞销、工夹具等零件。这些零件的制造要求大多是零件表面的高硬度性、搞耐磨性，而心部具有高强度和高韧性，调质后进行高频或火焰表面淬火等 6。45 号钢经低温球化退火后，它可冷挤压为成形零件，如球头销、推力杆等。45 号钢是轴类零件的常用材料，淬火后表面硬度可达4552HRC，它价格便宜，经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，45 号钢还广泛用于机械制造等，这种钢的机械性能很好。但这是一种中碳钢，淬火性能不好，45 号钢还可以淬硬至 HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望发挥 45 号钢优越的机械性能，常将 45 号钢表面渗碳淬火，
25、这样就能得到需要的表面硬度。2.3 45 号钢的热处理对 45 号钢，我们采用高频淬火进行热处理。高频加热速度可达 2001000/S，临界温度相应提高，故淬火加热温度较常规淬火高出 80100，即 880920，甚至更高一些。因为加热速度快，组织细小，应力大，高频淬火有“超硬度”现象，可达 6266HRC，所以高频淬火件耐磨性高，疲劳抗力显著增大，而缺口敏感性较小。潍坊学院本科毕业论文52.4 45 号钢和陶瓷刀具的匹配性能通过以上分析，45 号钢由于其综合机械性能好、调质处理后其硬度可控制范围宽，因此用途十分广泛。但在转化为具体的模具前需对其进行热处理。钢的热处理是指通过钢在固态下加热、保
26、温和冷却，改变钢的内部组织，从而改变性能的一种工艺方法。45 号钢有着高强度、高硬度和良好的塑性的特点，当下金刚石刀具是对高强度、高硬度材料加工最好的刀具材料，但由于金刚石的价格昂贵，材料制取复杂的局限性，而陶瓷刀具却正好可以弥补金刚石刀具的不足，恰好特别适合对高硬度、高强度的材料进行加工。综合分析各方面的因素，所以 45 号钢最适合用陶瓷刀具加工。2.5 钴基合金的材料属性按 使 用 用 途 分 类 ， 钴 基 合 金 可 以 分 为 钴 基 耐 磨 损 合 金 ， 钴 基 耐 高 温 合 金 及 钴 基耐 磨 损 和 水 溶 液 腐 蚀 合 金 7。 一 般 使 用 工 况 下 ， 其 实
27、 都 是 兼 有 耐 磨 损 耐 高 温 或 耐 磨损 耐 腐 蚀 的 情 况 ， 有 的 工 况 还 可 能 要 求 同 时 耐 高 温 耐 磨 损 耐 腐 蚀 ， 而 越 是 在 这 种 复杂 的 工 况 下 ， 才 越 能 体 现 钴 基 合 金 的 优 势 。2.5.1 钴合金的耐高温性一 般 钴 基 高 温 合 金 缺 少 共 格 的 强 化 相 ， 虽 然 中 温 强 度 低 (只 有 镍 基 合 金 的50-75 )， 但 在 高 于 980 时 具 有 较 高 的 强 度 、 良 好 的 抗 热 疲 劳 、 抗 热 腐 蚀 和 耐 磨蚀 性 能 ， 且 有 较 好 的 焊 接
28、性 。 适 于 制 作 航 空 喷 气 发 动 机 、 工 业 燃 气 轮 机 、 舰 船 燃 气轮 机 的 导 向 叶 片 和 喷 嘴 导 叶 以 及 柴 油 机 喷 嘴 等 。2.5.2 钴合金的耐磨损性合 金 工 件 的 磨 损 在 很 大 程 度 上 受 其 表 面 的 接 触 应 力 或 冲 击 应 力 的 影 响 。 在 应 力作 用 下 表 面 磨 损 随 位 错 流 动 和 接 触 表 面 的 互 相 作 用 特 征 而 定 。 对 于 钴 基 合 金 来 说 ，这 种 特 征 与 基 体 具 有 较 低 的 层 错 能 及 基 体 组 织 在 应 力 作 用 或 温 度 影
29、响 下 由 面 心 立 方转 变 为 六 方 密 排 晶 体 结 构 有 关 ， 具 有 六 方 密 排 晶 体 结 构 的 金 属 材 料 ， 耐 磨 性 是 较 优的 。 此 外 ， 合 金 的 第 二 相 如 碳 化 物 的 含 量 、 形 态 和 分 布 对 耐 磨 性 也 有 影 响 。 由 于 铬 、钨 和 钼 的 合 金 碳 化 物 分 布 于 富 钴 的 基 体 中 以 及 部 分 铬 、 钨 和 钼 原 子 固 溶 于 基 体 ， 使合 金 得 到 强 化 ， 从 而 改 善 耐 磨 性 。 在 铸 造 钴 基 合 金 中 ， 碳 化 物 颗 粒 尺 寸 与 冷 却 速 度有
30、 关 ， 冷 却 快 则 碳 化 物 颗 粒 比 较 细 。 砂 型 铸 造 时 合 金 的 硬 度 较 低 ， 碳 化 物 颗 粒 也 较粗 大 ， 这 种 状 态 下 ， 合 金 的 磨 料 磨 损 耐 磨 性 明 显 优 于 石 墨 型 铸 造 （ 碳 化 物 颗 粒 较 细 ）， 而 粘 着 磨 损 耐 磨 性 两 者 没 有 明 显 差 异 ， 说 明 粗 大 的 碳 化 物 有 利 于 改 善 抗 磨 料 磨 损能 力 。潍坊学院本科毕业论文62.5.3 钴合金的热处理钴 基 合 金 中 的 碳 化 物 颗 粒 的 大 小 和 分 布 以 及 晶 粒 尺 寸 对 铸 造 工 艺 很
31、 敏 感 ， 为使 铸 造 钴 基 合 金 部 件 达 到 所 要 求 的 持 久 强 度 和 热 疲 劳 性 能 ， 必 须 控 制 铸 造 工 艺 参 数 。钴 基 合 金 需 进 行 热 处 理 ， 主 要 是 控 制 碳 化 物 的 析 出 。 对 铸 造 钴 基 合 金 而 言 ， 首 先 进行 高 温 固 溶 处 理 ， 温 度 通 常 为 1150 左 右 ， 使 所 有 的 一 次 碳 化 物 ， 包 括 部 分 MC型 碳 化 物 溶 入 固 溶 体 ； 然 后 再 在 870-980 进 行 时 效 处 理 ， 使 碳 化 物 (最 常 见 的 为M23C6)重 新 析 出
32、 。2.5.4 钴合金与陶瓷刀具的匹配性能通过以上对钴合金的分析，得知钴基合金具有高强度、耐磨损性、耐高温性，根据上面对陶瓷刀具的分析，陶瓷刀具对高硬度、 、高强度、耐高温性合金的加工非常适合，它们的匹配性能非常好。 2.6 本章小结本章对陶瓷刀具、45 号钢和钴基铬基合金的了解。对工件材料的选择，热处理作了详细的介绍，从而了解了为什么 45 号钢是适合陶瓷刀具加工的工件材料，为什么陶瓷刀具适合加工钴基合金。第 3 章 陶瓷刀具高速切削参数选择及影响3.1 合理的选择切削用量切削用量直接影响加工生产率、加工成本、加工质量和刀具耐用度。选择切削用量时必须充分考虑陶瓷刀具硬度高、耐磨性好、耐热性好
33、等优点以及脆性较大、强度较低等缺点。正确选择进给量是成功应用陶瓷刀具的关键。3. 1. 1 切削速度的选择目前陶瓷刀具的切削速度已高达每分钟数千米，较高的切削速度(尤其在 350 m/ min1500m/min 范围内)往往可以获得良好的切屑形状 8。如在高速车削淬硬钢时, 可形成酥化的易于碎断的假带状切屑,使切屑易于清理。陶瓷刀具适于高速切削 ,切削速度过低,不仅不利于发挥陶瓷刀具的优越性,而且容易引起工艺系统动 ,使刀具崩刃, 严重时甚至无法切削。在一定速度范围内高速切削时, 切削温度的升高,能改变加工材料的性能,减少陶瓷刀具的破损,一般陶瓷刀具均采用干切削。3. 1. 2 进给量的选择进
34、给量对刀具破损的影响很大,选取较小的进给量,有利于防止或减少刀具的破损。潍坊学院本科毕业论文7进给量大小主要受刀具强度、工艺系统刚性及被加工表面粗糙度的影响，因为陶瓷刀具的强度比硬质合金刀具低,所以预选进给量时可选得小一些,通过试切逐步增大。车削普通钢和铸铁时,粗加工取进给量 =0.1mm/r0.75mm/r ，精加工取=0.05mm/r0.25mm/r,端铣时可取每齿进给量 af =0.1mm/z0.3mm/z。加工淬硬钢时随硬度的不同而选取不同的进给量,一般车削取 =0.1mm/r0.3mm/r , 端铣取每齿进给量 af =0.05mm/z0.15mm/z。对于陶瓷刀具应选用较小的进给量
35、和尽可能高的切削速度。3. 1. 3 切削深度的选择切削深度受机床功率和工艺系统刚性的限制。选择较大的切削深度可以缩短加工时间,应尽量选择一次走刀后切去大部分加工余量。一般粗加工钢和铸铁时, 允许的最大切削深度 ap 为 2mm6mm,通常取 ap1.5 mm；精加工时取 ap0.5 mm。加工淬硬钢一般为半精加工或精加工, 切削深度应较小。当工艺系统刚性较差时 , 应取较小的切削深度,以免引起振动使刀具破损。总体说来,用陶瓷刀具加工应选用较小的进给量和尽可能高的切削速度, 切削深度在系统刚性和加工工艺允许的前提下应尽可能选择较大值。3. 2 合理选择刀具几何参数合理的刀具几何参数, 是指粗加
36、工或半精加工时能保证刀具有较高生产率和刀具耐用度, 精加工时在具备较高刀具耐用度的基础上可保证加工出符合预定尺寸精度和表面质量的工件的刀具几何参数。虽然陶瓷刀具切削性能优良, 但是如果在使用中不能合理地选择其几何参数,仍不能很好地发挥其作用。在选择陶瓷刀具的几何参数时 , 除要考虑刀具的一般规律外,还应考虑陶瓷刀具特有的规律。根据陶瓷刀具脆硬的特点 ,保证其使用稳定可靠、不发生崩刃是选择陶瓷刀具合理几何参数的主要依据, 因此,高速切削时切削刃的前角应尽量取小值或取负值,后角可相应增大一些。但若前角很小或负值, 切削力将会上升,不易加工刚性较差的工件。为使陶瓷刀具具有足够的使用寿命和低的切削力,
37、应选择一个最佳前角, 后角也同理。一般前角 取-6 0,后角 取。 。816。3. 3 陶瓷刀具的适应性研究车削 45 号碳钢3.3.1 试验设备及实验条件试验设备：普通车床（10 马力，宝鸡机床厂 CS6140，不带调速装置） ；大型显微镜（上海光学机械厂，JGX2） ；透反射镜光显微镜（德国，Leitz I POL ） 。试验条件：刀杆（日本）：N11R33（1919140） 。刀具（中国）陶瓷刀片潍坊学院本科毕业论文8P1；陶瓷刀片 T16；陶瓷刀片 Tc。陶瓷刀片的材料及其主要性能见表 3.1。表 3.1 陶瓷刀片材料及其主要性能生产厂家产品符号 主要成分密度（g/cm 3）纯度(HR
38、15N)抗弯强度（N/mm 2）P1 Al2O3 3.95 96.5 450T16 Al2O3+TiC 4.48 97.0 700成都工具研究所 TC Al2O3+TiN 4.49 97.0 800刀片安装在刀杆的刀头上，其安装后的几何参数为（-5-5,5,5,15,15,0,8） ，括号中数值依次为：副前角、主前角、副后角、主后角、副偏角、余偏角及刀尖半径。切削参数为 =（0.1、0.2、0.3）mm/rev ,ap=1.0mm。被加工的材料（工件）为 45号钢（调质） 。试验后用夹持部分余料做了硬度试验，得到被切削半径范围的平均硬度：45 号钢(调质)HB235，工件尺寸为 。120600
39、刀具寿命仍以主后面最大磨损量 VB 到达 0.3mm 时为判定标准。3.3.2 试验方法试验均采用纵向进给切削，在切削一定时间（0.5min,1min,2min,5min）后，取下刀片在大型工具显微镜下进行观察测量。观察刀片的磨损形态、磨损过程及损坏形式。逐一画出后面的最大磨损量 VB 与切削时间的关系图，找出个种刀片在不同切削速度下的寿命值，作出各种刀片的寿命曲线，求出它们的寿命方程式。因车床调速装置，用轮流更换工作、刀具和调换车速的方法，保证每次实际切削速度与设定切削速度的相对误差在 ，实际切削速度的平均值与设定切削速度的相3%对误差在 。作图以设定切削速度为准。1%试验中采用了断屑块，对
40、前面磨损只进行了磨损的观察讨论，未作具体数值测量。3.3.3 实验结果与讨论（1）陶瓷刀具磨损形态显微分析刀具磨损形态观察分析是研究刀具寿命的基础。实验中将磨损量达 VB=0.3m m 后的刀片用透反射偏光显微镜放大 30 倍,对刀尖附近前面、后面和副后面进行照像,观察潍坊学院本科毕业论文9各种刀具在不同条件下的磨损形态。图 3.1、图 3.2 是 P1、T16 两种陶瓷刀片切削 45 号钢(调质)的磨损形态图。后面磨损呈短形型特征。副后面及后面的边界磨损较严重,在与前面的交界处有 0.1mm 深的沟状磨损 ,这对刀具寿命和工件表面粗糙度有很大影响。图 3.1 P1 陶瓷刀具的磨损形态 V=2
41、70m/min T=16min(2)陶瓷刀具的寿命分析为了研究上述陶瓷刀具寿命，利用成都工具研究所生产的 P1、T16、T c 三种陶瓷刀片，在对 45 号钢（调质）进行了车削试验，绘制出了三种刀片后面磨损过程曲线和综合寿命曲线。潍坊学院本科毕业论文10图 3.2 T16 陶瓷刀片磨损形态 图 3.3 后面磨损过程曲线V=270m/min T=16min P1图 3.4 后面磨损过程曲线 图 3.5 后面磨损过程曲线T16 Tc图 3.3、图 3.4、图 3.5 分别为 P1、T16、Tc 三种刀片在切削条件下车削 45 号钢时的主后面磨损过程曲线。图 3.6 则为寿命判定标准 VB=0.3m
42、m 时三种刀片的综合寿命曲线。由图 3.33.5 可知，三种刀片磨损情况大体一致。由图 3.6 可知，在中、高速域，刀片 P1 和 T16 的寿命大体相同；在低速区，P 1 的寿命比 T16 略低，T c 的寿命比 P1高 2030% 。潍坊学院本科毕业论文11图 3.6 综合寿命曲线（3）由上面的研究得出刀具寿命方程式，如表 3.2。表 3.2 三种陶瓷刀具的寿命方程式刀具种类工件材料VB(mm)寿命方程式VTn=CP1 45 号钢 0.3 VT0.42=830T16 45 号钢 0.3 VT0.41=810TC 45 号钢 0.3 VT0.49=1014（4）结论陶瓷刀具在切削过程中，寿命
43、与多个因素有关，切削参数、刀具几何参数、切削时间等都与刀具寿命紧密相关。1）刀具切削力合力随切削时间增加而增大，刀具的磨损与切削时间的关系和切削力有相同趋势。2）刀具初期磨损形貌主要是前刀面月牙洼磨损和均匀后刀面磨损，最后的失效形态为最大后刀面磨损达到 0.3mm。刀具磨损机理主要为粘结、扩散、氧化。3）在效率不变的情况下，适当提高切削速度，增大切削深度可以提高刀具寿命。潍坊学院本科毕业论文123.4 陶瓷刀具的切削力、切削热、切削温度3.4.1 切削力金属切削过程中，刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切削所需的力，称为切削力。切削力直接影响切削热、刀具磨损与耐用度，是影响工件的加工精度和
44、表面质量以及工艺系统刚度的重要因素，是金属切削过程中的基本物理现象之一 9。（1）切削力的来源切削力的来源有以下两个（如图 3.7 所示）1） 克服切削层金属、切削和工件表面金属的弹性变形和塑性变形所产生的抗力。2） 克服刀具切削、刀具与工件表面间的摩擦阻力所需的力。（2）切削合力及分解上述各力的总和形成作用在刀具上的合力 F，即作用在刀具上的总切削力。为便于测量、计算和实际应用，常将合力 F 分解成 3 个相互垂直的分力。图 3.8 所示车削外圆时的切削合力与分力，3 个互相垂直的分力分别为 FC、Fp 和Ff。FC 主切削力、切削力或切向力。它相切于过渡表面且与基面垂直，并与切削速度 Vc
45、 的方向一致。 FC 在切削过程中消耗的功率最大，所以是确定机床的电机功率、计算车刀强度、设计零件所必需的。生产中所说的切削力一般都是指主切削力。Fp 切深抗力，或背向力。它处于基面内并与进给方向垂直。F p 虽不做功，但能使工件变形和震动，对加工精度和已加工表面质量影响较大。Ff 进给力或轴向力。它处于基面内并与工件轴线方向相平行，它是与进给方向相反的力。该力是检验进给机构强度、计算车刀进给功率所必需的。图 3.7 切削力的来源 图 3.8 切削合力与分解由图 3.8 可知，切削合力与个分力之间的关系为：F= 式(3-1)2+2由此可知，总切削力 F 的大小主要取决于主切削力 FC，F C
46、在各分力中最大。实际潍坊学院本科毕业论文13加工中，由于车到材料、工件材料、车刀几何参数、切削用量、车刀磨损和切削液使用情况等条件的不同，它们之间的比例可在较大范围内变化。3.4.2 切削热的产生与传导切削热和由它所引起的切削加工区温度的升高是切削过程中的又一个重要物理现象，它直接影响刀具的磨损和耐用度，限制切削速度的提高，影响工件加工精度和表面质量，从而影响刀具的寿命。(1)切削热的产生切削热是由切削功转变而来的，切削是所消耗的能量约有 98%99%转化为切削热。一方面，切削层金属在刀具的作用下发生弹性变形、塑性变形而耗功；另一方面，切削与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦系数也耗功，这两个方面
47、都产生出大量的热量。因此，切削时共有 3 个发热区域，即剪切面区、切削与前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区，如图 3.9 所示。一般地，切削塑性金属时，切削热主要来自剪切区的变形热和前刀面的摩擦热；切削脆性金属时，则切削热主要来自后刀面的摩擦热。若忽略进给运动所消耗的功，并假定主运动所消耗的功能全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热可由下式算出：Q= FCvc 式(32)式中，Q 是没秒钟内产生的热切削热，J/s；F C 是主切削力，N；v c 是切削速度，m/s。图 3.9 切削热的来源和传导3.4.3 切削温度（1）切削温度的分布工件、刀具和切屑上各点的温度是变化的，即形成了一个温度场
48、。再根据车削不同工件材料时，正交平面内前、后刀面上温度分布情况的研究，可以归纳出一些温度分布的规律：潍坊学院本科毕业论文141）剪切面上各点的温度基本一致，由此可以推断剪切面上各点的应力应变规律基本上变化不大。2）前刀面和后刀面上的最高温度都处在离切削刃有一定的距离的地方，这是摩擦热沿刀面不断增加的缘故。温度最高点出现在前刀面上。3）在剪切区域内，垂直剪切方向上温度梯度大。这是因为剪切滑移的温度很快，热量来不及传导出来，从而形成较大的温度梯度。4）垂直前刀面的切屑底层温度梯度大，距离前刀面 0.10.2mm 温度就可能下降一半。这说明前刀面上的摩擦是集中早切屑的底层，因此切削温度对前刀面的摩擦
49、系数有较大的影响。5）后刀面的接触长度很小，因此温度的升降是在极短时间内完成的，导致已加工表面受到一次热冲击。6）工件材料塑性越大，前刀面上的接触长度越大，切削温度的分布就越均匀些。工件材料脆性越大，最高温度所在的点离切削刃就越近。7）工件材料导热系统越低，刀具的前、后刀面的温度越高。这是一些高温合金和钛合金切削加工性低的主要原因之一。3.5 切屑的形成与形状从图 3.10 可以看出，切削速度对切屑的形态影响比较大。切削速度较低时，切屑呈大螺距的螺旋形状。随着切削速的提高，切屑形态发生变化，切屑的曲率半径显著增大，这是因为切屑变形系数在高速切削范围内随着切削速度的增大而减小的缘故。（a ）v=65 m/min （b ）v=85 m/min （c）v=105 m/min图 3.10 不同速度下切屑的形态（f=0.
