高速切削加工陶瓷陶具寿命研究.docx

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高速切削加工陶瓷陶具寿命研究

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、T16、Tc进行了切削实验研究，得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

ABSTRACT

Alongwiththedevelopmentofmodernscienceandtechnologyandthedevelopmentofproductionandimprovetheperformanceofmachinetool,thecuttingspeedismoreandmorehigh,thecuttingtemperatureisincreased,theceramictoolbecauseofitsgoodantioxidantpropertiesandhightemperaturemechanicalpropertiesofhighspeedcuttingtoolmaterialshavebecomethepreferred.Fromtheceramiccuttingtooldevelopmentcharacteristicsandproblemsareanalyzedindetailinthe.Highspeedmachiningistoachievehighefficiencyandprecision,ultraprecisioncuttingisanewprocessingtechnology,cuttingtoolisoneofthekeyfactorstorealizehighspeedprocessing.Thispaperintroducesthecharacteristicsofceramiccuttingtoolsinhighspeedmachiningofceramiccuttingtools,cuttingandcutterparametersselection

Thisarticleintroducedthehighspeedcutting;ceramiccuttingtoolperformance,variety,suitableforprocessingoftheworkpiecematerialanalyzed.Selected45steel（modified）wascutbyceramicbladeP1,T16,Tcwerecuttingexperiments,theappropriatelifecurveandlifeequation,foravarietyoftoolusearediscussed.

Thisarticlefoundtheidealcuttingparametersbytheceramicbladecuttingexperimentalresearch.Thereasonablegeometricparametersofcuttingtool,toreducecuttingthicknessmeasures,expandthescopeofapplicationofceramictools.Experimentsshowthatrareearthreinforcedceramictoolmaterial,canmaketheceramiccuttingtoolbreakageresistantcapacityofabout20%.Underdifferentcuttingconditions,thefatiguecrackandcrackarethemaincausesofthedamageofceramiccuttingtools.Takeeffectivemeasurestoreducetheceramiccuttingtoolbreakage,improvetoollife.

Basedontheexperimentalstudyofceramiccuttingtools,theincreasingextensionofceramictoollifemeasured,acomprehensiveanalysisoftheceramiccuttingtool,highspeedcuttingtoollifeofceramicwerestudied.

Keywords:

Highspeedmachining;ceramictools;Damageandwear;Studyonthelife

目录

摘要I

ABSTRACTII

引言1

第1章高速切削加工现状与陶瓷刀具2

1.1高速切削加工技术的发展现状2

1.2高速切削陶瓷刀具应用前景2

1.3陶瓷刀具概况2

1.3.1陶瓷刀具的种类2

1.3.2陶瓷刀具的切削性能3

1.3.3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3

2.1P1、T16、TC陶瓷刀具的性能3

2.245号钢材料属性4

2.345号钢的热处理4

2.445号钢和陶瓷刀具的匹配性能5

2.5钴基合金的材料属性5

2.5.1钴合金的耐高温性5

2.5.2钴合金的耐磨损性5

2.5.3钴合金的热处理6

2.5.4钴合金与陶瓷刀具的匹配性能6

2.6本章小结6

第3章陶瓷刀具高速切削参数选择及影响6

3.1合理的选择切削用量6

3.1.1　切削速度的选择6

3.1.2　进给量的选择7

3.1.3　切削深度的选择7

3.2　合理选择刀具几何参数7

3.3陶瓷刀具的适应性研究—车削45号碳钢8

3.3.1试验设备及实验条件8

3.3.2试验方法8

3.3.3实验结果与讨论9

3.4陶瓷刀具的切削力、切削热、切削温度12

3.4.1切削力12

3.4.2切削热的产生与传导13

3.4.3切削温度13

3.5切屑的形成与形状14

3.6本章小结15

第4章综合分析各参数下陶瓷刀具寿命16

4.1陶瓷刀具的切削实验16

4.1.1TC陶瓷刀片对铬基合金和钴基合金的切削研究16

4.1.2陶瓷刀具的破损切削实验17

4.1.3陶瓷刀具的磨损形势和机理18

4.1.3陶瓷刀具的耐用度21

4.2陶瓷刀具适合的切削参数22

4.3本章小结22

第5章陶瓷刀具寿命分析22

5.1陶瓷刀具加工各种工件时磨损分析23

5.1.1Al2O3基陶瓷刀具23

5.1.2Si3N4基陶瓷刀具23

5.2提高刀具耐用度的措施23

5.3本章小结24

第6章结论24

参考文献25

[2]余国琮.化工机械工程手册（下册）[M].机械工业出版社出版，200225

[4]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，200425

[6]朱东华,樊智敏.工程力学（Ⅰ）[M].机械工业出版社出版，200425

[8]李庆余,张佳.机械制造装备[M].机械工业出版社出版，200425

[10]成大先.机械设计手册（第1篇）[M].化学工业出版社出版，200425

[12]成大先.机械设计手册（第6篇）[M].化学工业出版社出版，200425

谢辞26

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、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。

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）Al2O3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）Si3N4基陶瓷

Si3N4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HRA92.5～HRA94，这就大大提高它的切削性能和耐磨性[4]。

其优良的耐磨性，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1200℃～1450℃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800℃～1000℃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

2.1P1、T16、TC陶瓷刀具的性能

通过上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、T16、TC，进行高速干切削，着重对TC陶瓷刀具进行研究。

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、T16、TC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。

2.245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0.42～0.50%，Si含量为0.17～0.37%，Mn含量0.50～0.80%，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，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45～52HRC，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HRC42～46。

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，这样就能得到需要的表面硬度。

2.345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200～1000℃/S，临界温度相应提高，故淬火加热温度较常规淬火高出80～100℃，即880～920℃，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62～66HRC，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。

2.445号钢和陶瓷刀具的匹配性能

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该论文已经通过答辩

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。

2.5.3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。

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350m/min～1500m/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。

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/r～0.75mm/r，精加工取

=0.05mm/r～0.25mm/r,端铣时可取每齿进给量af=0.1mm/z～0.3mm/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/r～0.3mm/r,端铣取每齿进给量af=0.05mm/z～0.15mm/z。

对于陶瓷刀具应选用较小的进给量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2mm～6mm,通常取ap＞1.5mm；精加工时取ap＜0.5mm。

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,应选择一个最佳前角,后角也同理。

一