（材料学专业论文）刀具涂层材料与涂层刀具的应用.pdf

摘要 ； 机械制造工业是制造业最重要的组成之一，它担负着向国民经济的各个部门提 供机械装备的任务。我国现代化建设的发展速度在很大程度上要取决于机械制造工 业的发展水平，因此，从这个意义上说，机械制造工业的发展水平是关系全局的。 机械制造中的加工方法很多，其中材料去除加工精度较高、表面质量较好，有很强 的加工适应性，是目前机械制造中应用最广泛的加工方法。材料去除加工又可分为 切削加工和特种加工，切削加工是利用切削刀具从工件上切除多余的材料，这就要 求切削刀具的硬度要比工件高得多。刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部 分几何参数及刀具的结构。目前生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金， 高速钢强度高、韧性好，但硬度与耐磨性比硬质合金差；硬度合金硬度与耐磨性较 好，但强度与韧性比高速钢差，而涂层刀具是在高速钢或硬质合金基体上涂覆一层 难熔金属化合物，涂层刀具表面硬度高、耐磨性好，其基体又有良好的抗弯强度和 韧性，涂层硬质合金刀具寿命可提高l 3 倍，涂层高速钢刀具寿命可提高1 5 l o 倍。 涂层刀具可以进行干切削，即无需在加工中使用切削液，从而节省资源，节约材料， 降低能耗，减少排放，减轻对人及周围环境的污染，实现机械加工过程的绿色化， 干式加工对刀具材料要求很高，它要求材料要具有很高的红硬性和热韧性，良好的 耐磨性、耐热冲击和抗粘结性，现在立方氮化硼( c b n ) 、聚晶金刚石( p c d ) 、超细晶 粒硬质合金等超硬材料已经广泛应用于干切削。实验表明，干式切削理想的条件应 该是在高速切削条件下进行，这样可以减少传到工件、刀具和机床上的热量。经过 大量的研究，高速钢和硬质合金经过p v d 、c v d 涂层处理后也可以用于干切削，且 成本较立方氮化硼( c b n ) 、聚晶金刚石( p c d ) 、超细晶粒硬质合金等超硬材料要低。 实验表明，在加工铝硅合金和淬火钢中，涂层刀具与未涂层刀具相比寿命有大幅度 提高。本文通过切削实验，发现在高速干切削的加工条件下影响零件加工的表面粗 糙度的主要因素是进给量，从加工表面质量出发，通过实验寻求切削用量最佳参数。 关键词：涂层材料；涂层刀具；切削用量；切削性能；刀具寿命； a b s t r a c t m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fm a n u f a c t u r i n g , b e a r st h e m i s s i o nt op r o v i d em a c h i n e r i e sa n de q u i p m e n t sf o re a c hd e p a r t m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y t h e p a c eo fm o d e ：m i z a t i o no f o u rc o u n t r yd e p e n d sm a i n l yo nt h ed e v e l o p m e n to fm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y t h e r e f o r e ，f r o m t h i ss e n s e ，t h em a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi sr e l a t e dt ot h e d e v e l o p m e n to ft h ec o u n t r y a m o n gt h ew a y so fm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i n g , m a t e r i a l r e m o v a lp r o c e s s i n gh a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sh i g hp r e c i s i o n ，b e a e rs u r f a c eq u a l i t ya n d i n t e n s es e l f - a d a p t i n g m a t e r i a lr e m o v a lp r o c e s s i n gc a nb ed i v i d e di n t oc u r i n gp r o c e s s i n ga n ds o m e s p e c i a lp r o c e s s i n g c u r i n gp r o c e s s i n g , w h i c hi st oc u tt h ee x t r am a t e r i a lf r o mt h ew o r k p i e c ew i t ht o o l s ， r e q u i r e st h eh a r d n e s so fc u r i n gt o o l sm u c hh i g h e rt h a nt h ew o r k p i e c e t h ep e r f o r m a n c eo fc u r i n g t o o l sd e p e n d so nt h em a t e r i a lo ft h et o o l s ，t h eg e o m e t r yp a r a m e t e r so ft h ec u r i n gp a r ta n dt h es t r u c t u r e o ft h et 0 0 1 c u r r e n t l yt h em a i nm a t e r i a lu t i l i z e di nt h ep r o d u c t i o no fc u r i n gt o o l si sh i g h s p e e ds t e e l a n dh a r da l l o y h i g h s p e e ds t e e li so fh i g hs t r e n g t ha n dg o o dt o u g h n e s s ，b u tt h eh a r d n e s sa n dw e a r r e s i s t a n c ea r ew o r s et h a nh a r da l l o y ；h a r da l l o yi so fg o o dh a r d n e s sa n dw e a l r e s i s t a n c e ，b u tt h e s t r e n g t ha n dt o u g h n e s sa r ew o r s et h a n t h eh i g h s p e e ds t e e l t h ec o a t i n gt o o l ，t h es u b s t r a t eo f h i g h s p e e ds t e e lo rh a r da l l o yc o a t e dw i t hal a y e ro fr e f r a c t o r ym e t a lc o m p o u n d s ，i so fh a r ds u r f a c e ， g o o dw e a l r e s i s t a n c ea n di t sm a t r i xh a sg o o db e n d i n gs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s t h el i f e t i m eo fc o a t e d h a r da l l o yt o o lc a nb ei n c r e a s e db y1 - 3t i m e s ，w h il ec o a t e dh i g h - s p e e dt o o lc a nb ei n c r e a s e df r o m 1 5t o10t i m e s c o a t e dc u r i n gt o o lc a nd od r yc u r i n g , t h a ti s ，w i t h o u to fc u r i n gf l u i di np r o c e s s i n g , t h e r e b yc a l ls a v er e s o u r c e s ，s a v em a t e r i a l ，r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，d r a i nc o n t a m i n a t i o n ，a n d p o l l u t i o nt ot h es u r r o u n d i n ga n da c h i e v et h ef r i e n d l ym a c h i n i n gp r o c e s s d r y t y p ep r o c e s s i n g ，h i g h d e m a n d i n go ft h em a t e r i a lo ft o o l ，r e q u i r e sm a t e r i a l st ob eo fh i g hr e dh a r d n e s sa n dt o u g h h e s so fh o t , g o o dw e a rr e s i s t a n c e ，t h e r m a ls h o c ka n da n t i - c a k i n g n o w , s u p e r - h a r dm a t e r i a l ss u c ha sc u b eb o r o n n i t r i d e ( c b n ) ，p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d ( p c d ) a n du l t r a - f i n eg r a i n e dc e m e n t e dc a r b i d eh a v eb e e n w i d e l yu s e di nd r yc u r i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei d e a lc o n d i t i o no fd r yc u r i n gi s h i g h s p e e dc u r i n g ，w h i c hc a l lr e d u c et h es p r e a do f t h eh e a to nt h ew o r k p i e c e s ，t o o l sa n dm a c h i n et o o l s m a n ys t u d i e sr e v e a lt h a th i g h s p e e ds t e e la n dc e m e n t e dc a r b i d ec o a t e db yp v d ，c v dc a na l s ob eu s e d i nd r yc u r i n g ，a n da r em u c hc h e a p e rt h a ns u p e r - h a r dm a t e r i a l ss u c ha sc u b eb o r o nn i t r i d e ( c b n ) ， p o l y c r y s t a i l i n ed i a m o n d ( p c d ) a n du l t r a - f i n eg r a i n e d c e m e n t e dc a r b i d e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a ti nt h ep r o c e s s i n go fa i s ia l l o ya n dh a r d e n e ds t e e l ，t h ec o a t e dt o o lh a s al o n g e ri i f e t i m et h a n t h eu n c o a t e do n e i nt h i sp a p e qf r o mt h ec u t t i n ge x p e r i m e n tw ef i n dt h a ti ti sf e e dr a t et h a ta f f e c t st h e s u r f a c er o u g h n e s so fp a r t su n d e rh i g h - s p e e dd r yc u r i n gc o n d i t i o n s t h ea i mi st of i n do u tt h es u i t a b l e p a r a m e t e r sf o rc u n i n g sf r o mt h ee x p e r i m e n t sb a s e do nt h es u r f a c eq u a li t yo f t h ep r o c e s s i n g k e yw o r d s ：c o a t i n gm a t e r i a l ；c o a t e dt o o l ；c u r i n gp a r a m e t e r s ；t o o ll i f e t i m e ；c u t t i n gp e r f o r m a n c e 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：韧两指日期：栅碍年牛月熬目 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密r m ，在年解密后适用于本声明。 不保密 ( 请在以上方框内打”) 论文作者签名：栖赢娟 日期：加口罗年孕, e 1 ) - te l 导师签名：能寺匕日期：巧年拥铂 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 青岛大学硕士学位论文 引言 随着制造业的发展，采用高强度、高硬度、高耐磨性、高耐热性和高化学稳定 性等材料越来越多，它们的加工难度较大，虽然可以使用硬质合金涂层、金刚石、 立方氮化硼和陶瓷等刀具加工，但这些刀具价格昂贵，又不抗冲击，所以一般工厂 采用不多。淬火钢的硬度一般在4 5 h r c 以上，材料硬度高、塑性变形性差、切削阻 力大、切削温度高，加工刀具容易磨损，切削很困难；高硅铝合金具有较高的高温 强度、良好的热稳定性和高的耐磨性，是一种理想的耐磨材料，近年来高硅铝合金 在汽车、摩托车、军工及航天等领域得到了广泛的应用l l j 。因此，探讨这些难加工 材料的切削加工性能，选择合适的刀具材料十分必要。 本文应用试验的方法，通过不同涂层材料的刀具进行切削加工，在保证加工质 量的前提下，寻求切削加工的最佳参数。 目前，金刚石涂层刀具1 2 】多选用钨钴类硬质合金( w c c o ) 或氮化硅( s i n ) 等陶瓷 材料作基体。s i n 陶瓷基体与金刚石的热膨胀系数相近，二者之间的附着性能较好， 但s i n 陶瓷的韧性较差。w c c o 硬质合金是当前应用最为广泛的刀具材料，它不仅 具有较高的硬度和红硬性，而且韧性较好，能够被加工成各种复杂形状的刀具。金 刚石涂层与硬质合金基体的结合，可以有效地解决传统刀具材料硬度与韧性之间的 矛盾，使金刚石涂层刀具既有金刚石的硬度和耐磨性，又有硬质合金的强度和韧性。 硬质合金基体的不足之处在于基体中作为粘结相的c o 具有催石墨化的作用，对金刚 石涂层的质量及涂层与基体之间的附着力有不利影响。以w c c o 硬质合金为基体的 金刚石涂层刀具是当前研究和发展的主要方向【3 j 。 国内外对涂层刀具的研究已有十数年的历史【4 l ，目前己有的研究表明，采用涂 层刀具进行加工，不仅可以满足零件的加工质量要求，而且可以实现绿色加工，在 世界各国越来越重视环保的今天，相信涂层刀具的应用前景十分广阔。 青岛大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早硒记 1 1 金属切削技术的发展概况 制造业是人类财富在2 0 世纪空前膨胀的主要贡献者，可以说没有制造业的发 展，就没有人类今天的现代物质文明。有资料统计，美国财富的6 8 来自制造业， 2 0 0 0 年我国财政收入的三分之一来自制造业。我国现代化的发展速度在很大程度上 要取决于机械制造工业的发展水平，从这个意义上说，机械制造业的发展水平是关 系全局的l 引。 机械制造中的加工方法很多，按照工件在加工过程中质量的变化，可将加工方 法分为材料去除加工、材料成形加工和材料累积加工。材料去除加工是通过在被加 工对象上去除一部分材料后才制成一合格零件的。与其他方法相比，其加工精度相 对较高、表面质量相对较好，并且有很强的适应性，至今仍是机械制造业中应用最 广泛的加工方法，而且在未来相当长的时期内仍将占有重要地位。 材料去除加工又可分切削加工和特种) b n - r 两种加工方法。 特种加工主要是利用机械能以外的其他能量( 如光、电、化学、声、热能等) 直接去除材料的加工方法，目前常用的特种加工方法主要有电火花加工、电解加工、 激光加工、超声波加工等。 切削加工是利用切削刀具从工件表面切除多余的材料，使工件达到规定的几何 形状、尺寸精度和表面质量的一种机械加工方法。金属切削刀具是切削加工的基本 工具，其选择、使用与设计是工艺技术人员的基本技术技能。 金属切削理论的研究及刀具的设计历来为机械制造业高度重视。科学技术的发 展，也对金属切削加工提出了更高的要求。 金属切削作为一门技术，可以追溯到远古时代，而金属切削理论作为一门科学 进行理论研究还是近百年来的事情，目前的理论研究经过几代人的共同努力己取得 了相当的成就，但由于受科学技术水平的限制，还无法达到完全如人意的地步。 刀具技术的发展离不开对切削机理的认识。 金属切削原理的研究始于1 9 世纪中叶1 6 】。1 8 5 1 年，法国人m 科克基拉最早测 量了钻头切削铸铁等材料时的扭矩，列出了切除单位体积材料所需功的表格；1 8 6 4 年，法国人若塞耳首先研究了刀具几何参数对切削力的影响；1 8 7 0 年，俄国人季梅 首先解释了切屑的形成过程，提出了金属材料在刀具的前方不仅受挤压而且受剪切 的观点；1 8 9 6 年，俄国人布里克斯开始将塑性变形的概念引入金属切削；至此，切 屑形成才有了较完整的解释。1 9 0 4 年，英国人j f 尼科尔森制造了第一台三向测力 l 第一章绪论 仪，使切削力的研究水平向前跨越了一大步；1 9 0 7 年，美国人e w 泰勒研究了切削 速度对刀具寿命的影响，发表了著名的泰勒公式；1 9 1 5 年，俄国人乌萨乔夫将热电 偶插到靠近切削刃的小孔中测得了刀具表面的温度( 常称人工热电偶法) ，并用实验 方法找出切削区温度与切削条件间的关系；1 9 2 4 - - d 9 2 6 年，英国人e g 赫伯特、美 国人h 肖尔和德国人k 科特文各自独立地利用刀具同工件间自然产生热电势的原 理测出了平均温度( 常称自然热电偶法) ；1 9 3 8 1 9 4 0 年美国人h 厄恩斯特和m e 麦钱特利用高速摄影机通过显微镜拍摄了切屑形成过程，并且用摩擦力分析和解释 了断续切屑和连续切屑的形成机理；4 0 年代以来，各国学者系统地总结和发展了前 人的研究成果，充分利用现代技术和先进的测试手段，取得了很多新成就，发表了 大量的论文和专著。例如，美国人s 拉马林加姆和j t 布莱克于1 9 7 2 年通过扫描电 镜利用微型切削装置对切屑形成作了动态观察，得到用位错力学解释切屑形成的实 验根据。 我国的金属切削加工技术有着悠久的历史【5 1 ，它是从古代加工石质、木质、骨 质和其它非金属器物发展演变而来的。从殷商到春秋时期，已经有了相当发达的青 铜冶铸业，出现了各种青铜加工业，我国劳动人民在金属切削加工方面取得了辉煌 的成就。但直到解放前夕，由于封建制度的束缚、外国的入侵以及统治阶级的无能， 我国的金属切削加工技术处于十分落后的状态。新中国成立以后，金属切削科学和 加工技术才有了迅猛的发展。5 0 年代后期，各高校和科研部门在普遍建立金属切削 实验室的基础上，开展了有关金属切削的科学研究，在金属切削机理、切削力、切 削热、刀具磨损和耐用度、加工表面质量及切削液等方面都取得了一定的科研成果； 6 0 年代以后，机床、刀具制造业有了进一步的发展，硬质合金刀片生产初具规模， 同时涌现出大量新型先进刀具；改革开放以后，金属切削技术有了飞跃性的发展， 对切削理论的深入研究，取得了丰硕的成果，从而准确地掌握了切削规律。在刀具 材料方面研制了多种类型和规格的高速钢与硬质合金，产生了以钽、铌元素作添加 工剂的硬质合金、超细晶粒硬质合金、碳化钛硬质合金、钢结硬质合金、涂层硬质 合金以及多种超硬刀具材料。 1 2 现代刀具技术在机械工业中的应用 生产实践证明，刀具技术的革新，新型高效刀具在工业生产中的推广应用，是 全面提高机械制造工艺水平的关键措施之一。据有关资料报道，采用现代化先进刀 具，能使产品成本降低1 0 - 2 0 。硬质合金由焊接刀片变为机械夹固可转位刀片，被 誉为刀具的第一次革命；随着机床数控化与自动化，诞生了涂层刀片，并得到迅速 发展，被誉为刀具的第二次革命。这样，不仅提高了刀具技术与自动化加工技术匹 配发展的适应性，反过来又促进了切削加工自动化水平的发展。 2 青岛大学硕士学位论文 自8 0 年代以来，计算机控制的自动化生产技术的高速发展，从形式上使得由过 去单一的刀具生产扩展为工具系统、工业识别系统、刀具寿命和尺寸监控系统，以 及刀具管理系统的开发与生产。从内容上分析，刀具技术的内涵b 大大扩充，刀具 技术研究的开发目标与任务，从过去单一切削功能的提高( 效率、精度、刀具寿命 等) ，扩大到整个自动化生产过程生产效率的提高，进而形成了刀具识别技术、监控 技术及管理技术。数控化也是8 0 年代刀具技术发展的一个特征。现代化数控机床 ( n c ) 柔性制造系统( f m s ) 投资很高，如何在最短时间内收回投资，最有效的措 施是在刀刃上下功夫，充分采用高性能刀具，并选用合理的切削速度，来提高生产 效率。用新工艺、新材料制造的现代化刀具，其经济切削速度已比2 0 年前提高l 倍， 金属切除率成倍增长，而切削加工工艺的领域也得到扩展，对于5 0 - , 7 0 h r c 的高硬 度、难加工材料以及某些精密、超精密加工领域，已不再是切削工艺的禁区【_ 丌。 1 3 选题的目的和意义 1 3 1 绿色制造的概念与意义 2 0 世纪后半叶，经济高速发展对材料、能源的无节制消耗，各种工业排放对环 境造成的大量污染已越来越多地引起世界各国的高度重视，如何在保持经济高速发 展的同时，进行绿色制造，减少环境污染已变成了一个世界性的课题，寻求新的制 造模式以实现制造业可持续发展是当前制造业面临的一个巨大挑战【8 l 。 绿色制造工艺技术是以传统的工艺技术为基础，并结合材料科学、表面技术、 控制技术等新技术的先进制造工艺技术。其目标是对资源的合理利用，降低成本， 减少对环境造成的严重污染。绿色制造是清洁生产的重要组成部分，根据绿色制造 “节约能源、节约资源、污染最小，有利环保 的指导思想，绿色切削应具备以下 特征： ( 1 ) 最大限度地节约能源 在切削加工过程的各个阶段所消耗的能源应最少，使能源得到最有效的利用。 ( 2 ) 最大限度地利用材料资源 绿色切削应尽可能减少材料的使用量和使用材料的种类。 ( 3 ) 最大限度地减少污染、保护环境 绿色切削从产品设计、加工工艺编制到切削加工、设备维护乃至切屑、废液回 收处理的各个过程中均应是低耗、对环境无负面影响或污染甚小。 机械制造在整个制造业中占有主导地位，尤其是面对中国逐渐成为世界的生产 制造基地，机械工业中的绿色制造技术显得尤为重要。如何在实际生产中实现机械 零件的绿色制造，是机械行业技术人员必须认真研究的课题。干式切削就是为了保 3 第一章绪论 护环境和降低成本而有意识地在机械加工中减少或完全停止使用切削液的加工方 法，能使企业经济效益和社会效益协调优化地发展。干式切削技术已成为金属切削 加工发展的趋势。 1 3 2 切削液的负面影响 金属切削加工中，常常使用切削液。切削液的主要作用是冷却、润滑与排屑， 改善加工过程的摩擦磨损状态，从而提高工件的表面质量，延长刀具的使用寿命【9 】。 然而，近几年随着社会环境保护和可持续发展意识的提高，人们己开始从切削液的 整个生命周期关注它所带来的一系列负作用【6 】： ( 1 ) 制造成本增加 随着切削用量的成倍增大，切削液的消耗量也大幅度提高，因而它在零件制造 成本中所占的比例也大大增加。据国外许多统计资料表明，切削液及切削液的供给、 保养、回收及切削废液的处理等费用加在一起，占总制造成本的1 6 左右，而刀具 消耗的费用仅占制造成本的4 。这个统计分析数据必须引起人们的高度重视，因为 在当今日益激烈的市场竞争中，降低产品的生产成本和销售价格，已成为企业生存 与发展的一个重要因素。 ( 2 ) 严重污染环境 切削液是金属切削加工中造成环境污染的一个重要根源。如乳化液不仅含有油， 而且含有烧碱、油酸皂、乙醇和苯酚等有害物质。如果这些切削液未经处理直接排 入外界，就会污染土地、水源和空气，严重影响动植物的生长，破坏生态环境，不 利于可持续发展战略的实施。 ( 3 ) 直接危害操作工人的身体健康 目前生产中广泛使用的水基切削液或多或少都含有对人体有害的化学成分。在 切削过程中，切削液受热挥发，形成烟雾，在车间工作区常常弥漫着难闻的异味。 切削液产生的油烟会引起工人肺部和呼吸道的多种疾病，切削液与人体直接接触会 诱发多种皮肤病，直接影响工人的健康。 为使金属切削加工尽可能地减少污染，人们提出了“绿色制造”与“清洁化生 产 的概念f 干切削是消除切削液污染，降低产品成本，实现清洁化生产的最有效 的途径。从2 0 世纪9 0 年代开始，国外对干式切削技术进行了大量研究，并应用于 实际生产取得了一定的社会效益和经济效益。 所谓干式切削【8 】就是为保护环境、降低成本而有意识地不使用切削液，在无冷 液条件下进行切削的加工方法。干式切削不是简单地停止使用切削液，而是要在停 止使用切削液的同时，保证高效率、高产品质量、高的刀具耐用度以及切削过程的 4 青岛大学硕士学位论文 可靠性，这就需要用性能优良的干切削刀具、机床以及辅助设施替代传统切削中切 削液的作用，来实现真正意义上的干式切削。 另外，对切削过程的大量研究也表明了切削液传统的冷却、润滑和排屑等作用 在很多加工过程中尤其是高速切削中得不到充分而有效的发挥。因此，人们试图不 用或少用切削液来改变这种状况，以适应清洁生产工艺和减小生产成本的要求。干 切削加工技术就是在这种情况下产生的一种先进加工方法。采用干切削技术不仅可 以减少切削液的环境污染，改善操作者的工作条件，而且省去了切削液的相关费用， 降低了切屑回收处理的成本。近年来工业发达国家非常重视干式切削研究。干式切 削加工这种新型加工方法是未来金属切削加工的发展趋势之一。 1 3 3 干式切削的实施条件 干式切削对刀具技术、机床技术、工艺技术及刀具材料都提出了新的要求 6 1 。 ( 1 ) 干式切削的刀具技术 1 ) 刀具应具有优异的耐热性能( 高温硬度) 与耐磨性能； 2 ) 尽量减小刀具与切屑间的摩擦系数； 3 ) 减少对切削液排屑作用的依赖。 ( 2 ) 干式切削的机床技术 切削热传出和切屑、尘埃的排出要迅速。 ( 3 ) 干式切削的工艺技术 应特别注意刀具材料与工件材料间的合理匹配。 ( 4 ) 采用新型的刀具材料1 5 j 近十几年，高硬度材料的出现，为干式切削提供了可能。干切削不仅要求刀具 材料具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结 性。目前应用于于式切削加工的刀具材料主要是：超细硬质合金、陶瓷、立方氮化硼 和聚晶金刚石等超硬度材料。超细硬质合金可以提高普通硬质合金的韧性，具有很 好的耐磨性和耐高温性，可制作大前角的深孔钻头和刀片，用于铣削和钻削的干式 加工。陶瓷刀具( a 1 2 0 3 ，s i 3 n 4 ) 、金属陶瓷( c e n n e t ) 等材料的硬度在高温下也很少降 低，即具有很好的红硬性，因此很适合于一般目的的干切削而无须冷却液【10 1 。但是 这类材料一般较脆，即热韧性不好，故不适用于进行断续切削。也就是说，陶瓷刀 具较适合用于进行干车削而不适用于干铣削。立方氮化硼( c b n ) 材料的硬度很高， 达h v 3 2 0 0 h v 4 0 0 0 ，仅次子金刚石，热传导率好，达1 3 0 0 w m k ，具有良好的高 温化学稳定性，在1 2 0 0 下热稳定性很好。采用c b n 刀具加工铸铁，可大大提高 切削速度，用于加工淬火钢，可以以车削代替磨削。聚晶金刚石( p c d ) 刀具硬度非常 高，可达h v 7 0 0 0 h v 8 0 0 0 ，热传导率可达2 1 0 0 w m k ，线膨胀系数小。p c d 刀具 5 第一章绪论 切削时产生的热能可以很快从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误 差。p c d 刀具比较适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。 ( 5 ) 采用涂层技术【l l j ： 对刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。近十年来，刀具涂层技术 发展非常迅速，涂层材料多达1 5 种，有的刀具在刀体上的涂层多达1 3 层。涂层工 艺也越来越成熟，随着材料科学技术的发展，现已解决了涂层与基体材料结合强度 低的技术难题2 1 。涂层刀具分两大类：一类是“硬”涂层刀具，如t i n ，t i c 和a 1 2 0 3 等涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。其中t i c 涂层刀具抗后刀面磨损的 能力特别强，而t i n 涂层刀具则有较高的抗“月牙洼 磨损能力。另一类是“软” 涂层刀具，如：m o s 2 ，w s 等涂层刀具。这类涂层刀具也称为“自润滑刀具【l 3 j ， 它与工件材料的摩擦系数很低，只有0 0 1 左右，能有效减少切削力和降低切削温度。 例如瑞士开发的“m o v i c ”涂层丝锥，刀具表面涂覆有一层m o s 2 。切削实验表明： 未涂层丝锥只能加工2 0 个螺孔；用t i a i n 涂层丝锥时可加工1 0 0 0 个螺孔，而m o s 2 涂层的丝锥可加工4 0 0 0 个螺孔。高速钢和硬质合金经过p v d 涂层处理后【1 4 1 ，可以 用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的c b n 刀具，在经过涂层处理后也可用 来加工钢、铝合金和其他超硬合金。 实际上，涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔 离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利【9 】。 表面光滑的涂层还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用， 因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。t i a i n 涂层和 m o s 2 软涂层还可交替涂覆，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性， 又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。在干切削技术 中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。 ( 6 ) 刀具几何形状设计 千切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中没有切削液， 刀具和切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角， 但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元， 这样使刀尖和刃口会有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时 减轻了冲击和月牙洼扩展对刀具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里 保持足够的结构强度。 近几年来，国外开发了许多大前角车削刀片( 如美国c a r b o l o y 公司推出的一种 m e 1 3 新型硬质合金刀片上的前角达3 4 0 ) 和带正前角的螺旋形刀刃铣削刀片( 这种 刀片沿切削刃几乎有恒定不变的前角，背前角或侧前角可由负变正或由小变大) ，旨 6 青岛大学硕士学位论文 在减少机床的驱动功率，并通过减小切削力，降低切削温度来满足干切削时对刀具 的要求i 。 1 4 本课题的主要任务 本课题主要任务是研究p v d 金刚石【i 卯、氮化钛涂层对硬质合金刀具切削力、断 屑性能、刀具寿命及加工表面粗糙度的影响，研究涂层刀具切削用量对零件的加工 质量及表面粗糙度的影响。 本课题研究的主要内容之一，是从提高刀具的切削性能为出发点，针对不同的 需求采用不同的涂层1 1 6 j ，并能对涂层的组分、百分比、结构及厚度在更大范围内加 以控制和改变，以适应不同的被加工材料和不同的切削条件。此外，涂层材料的细 微化是现代刀具涂层发展的另一个令人关注的趋势【1 7 1 ，纳米复合涂层正在越来越多 的地方得到应用。在未来，刀具涂层必须根据不断变化的现代切削应用条件来进行 系统的组合，这是一种与传统观念中的“在刀具上涂覆一层薄膜”截然不同且复杂 得多的系统工程方法，需要我们进行系统思考【墙】。 研究内容之二，是从减少切削污染的角度出发，提高刀具的表面性能。 随着机械加工工业水平的提高，对刀具提出了新的要求。除了提高使用寿命外 还要求减少切削时的污染，尽可能使用干切削。 目前制造业应用较多的以氮化钛为代表的涂层材料，此类涂层具有较高的摩擦 系数( 0 仙6 ) ，加工时与工件之间不断摩擦将产生大量热能。为避免刀具过热发生 变形影响加工精度和延长其使用寿命，通常使用切削液。要解决减少或免除切削液 带来的问题，则刀具涂层不仅应使刀具具有长寿命，且应有自润滑的功能【i 引。要做 到涂层的精益生产和清洁( 绿色) 生产，这是确保现代切削刀具成为高技术性能产 品的有效手段1 2 0 。 可以预期，我国的涂层刀具在不久的将来会步入一个快速发展期，会出现越来 越多的由我国自行加工的高性能涂层刀具，在不断地提高我国的切削加工技术水平， 发展我国现代制造业方面，发挥越来越大的作用。 7 第二章刀具材料及性能 第二章刀具材料及性能 ； 机械零件是同若干不同的表面所构成的，零件的加工过程实际上就是获得这些 表面的过程，机械制造中的加工方法很多，目前机械工业中材料去除的加工方法还 是占主导地位。材料去除加工与其它加工方法相比较，加工精度相对较高、表面质 量相对较好，并且有很强的加工适应性。切削加工就是利用切削刀具从工件上切除 多余的材料，形成切屑，从而得到所需要的加工表面，显然在切削加工中，切削刀 具的硬度要比工件的硬度高得多。而且伴随切削过程的进行，刀具要承受高温、高 压、摩擦和冲击的作用，刀具切削性能的优劣在很大程度上取决于刀具材料的性能， 当然刀具切削部分的几何角度、形状及刀具的结构对切削过程的影响也不容忽视。 总之，刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产率的影响极大。 2 1 刀具材料的性能【5 】 刀具切削部分的性能必须能满足以下要求 ( 1 ) 较高的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必须高于工件的硬度，并具有良好的耐磨性，刀具材料的常温 硬度通常要求在6 0 h r c 以上。 ( 2 ) 足够的强度和韧性 在切削加工中，刀具的工作环境不同，有时要进行断续切削，有时因工件毛坯 表面有氧化皮而使表面硬度提高，对刀具而言，要适应不同的切削条件，就要求刀 具具有足够的强度和韧性，要能够承受冲击和振动，不产生崩刃和断裂。 ( 3 ) 较高的耐热性 刀具材料在高温的作用下应有足够的硬度( 热硬性) 、耐磨性、强度和韧性。 ( 4 ) 良好的导热性和热冲击性能 刀具材料的导热性要好，有利于散热；耐热冲击性能要好，材料内部不得因承 受热冲击的作用而产生裂纹。 ( 5 ) 良好的工艺性和经济性 刀具材料应具有良好的锻造性能、热处理性能、刃磨性能等，便于刀具制造与 刃磨。 2 2 常用的刀具材料5 】 8 青岛大学硕士学位论文 刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼、金刚石及涂层刀 具等。碳素工具钢( 如t 1 0 a 、t 1 2 a ) ，合金工具钢( 如9 s i c r 、c 批) 因耐热性 差，仅用于手工或切削速度较低的刀具；目前常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。 l 、常用的刀具材料 1 ) 高速钢 高速钢是一种加人了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，有良 好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的，其耐热温度一般是 5 0 0 6 0 0 。高速钢的制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃；锻造、热处理变形 小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍 占有主要地位。 高速钢可分为普通高速钢和高性能高速钢。 普通高速钢 如w 1 8 c r 4 v 综合性能较好，可用于制造各种复杂刀具。其切削速度一般不太 高，切削普通钢料时为4 0 - - - 6 0 m m i n 。 高性能高速钢 高性能高速钢是在普通高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元 素冶炼而成的。如w 2 m 0 9 c r 4 v c 0 8 ，综合性能及刃磨性均较好，其耐用度为普通高 速钢的1 5 3 倍。 粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是7 0 年代投入市场的一种高速钢，与普通高速钢相比，其强度 与韧性分别提高3 0 - - - 4 0 和8 0 9 0 。耐用度可提高2 3 倍，其特点是材质均匀， 韧性好，硬度高，热处理变形小，质量稳定，刃磨性能好，刀具寿命高，目前我国 处于试验研究阶段，尚未得到大规模的生产和使用。 2 ) 硬质合金 硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物( w c 、t i c 等) 和金属粘结剂( c o 、 n i 等) 在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达8 9 9 3 h r a ， 在8 0 0 1 0 0 0 时硬质合金还能进行切削，但其强度和韧性比高速钢差，其常温下的 冲击韧性仅为高速钢的1 8 1 3 0 ，因此硬质合金承受切削振动与冲击的能力较差。 硬质合金是最常用的刀具材料之一，常用于制造车刀和面铣刀，也可用硬质合金制 造深孔钻、铰刀和拉刀、滚刀等，其刀具寿命比高速钢高几倍到几十倍，但整体硬 质合金刀具成本高，其价格是高速钢的8 1 0 倍。 按g b 2 0 7 5 - - 8 7 ( 参照采用1 9 0 标准) 硬质合金可分为p 、m 、k 三类，p 类硬质 合金主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色作标志；m 类主要用于加工黑色金属 9 第二章刀具材料及性能 和有色金属，用黄色作标志，又称通用硬质合金；k 类主要用于加工短切屑的黑色 金属、有色金属和非金属材料，用红色作标志。 一 p 、m 、k ( 后面的阿拉伯数字表示其性能和加工时承受载荷的情况或加工条件) 数字愈小，硬度愈高，韧性愈差。 p 类相当于我国原钨钛钻类，主要成分为w c + t i c + c o ，代号为y t 。 k 类相当于我国原钨钻类，主要成分为w c + c o ，代号为y g 。 m 类相当于我国原钨钛钽钴类通用合金，主要成分为w c + t i c + t a c ( n b c ) + c o ， 代号为y w 。 3 ) 陶瓷 用于制造刀具的陶瓷材料有两类：氧化铝( a 1 2 0 3 ) 基陶瓷和氮化硅( s i 3 n 4 ) 基陶瓷。氧化铝基陶瓷硬度高达9 1 9 5 h r a ，耐磨性较好、耐热性好、化学稳定性 高、抗粘结能力强，但抗弯强度和韧性差；这种陶瓷用于精加工和半精加工冷硬铸 铁、淬硬钢很有效。氮化硅( s i 3 n 4 ) 基陶瓷有较高的抗弯强度和韧性1 2 ，适用于加 工铸铁及高温合金，切削钢料效果不明显。 a 1 2 0 3 系陶瓷刀具 a 1 2 0 3 系复合陶瓷刀具材料的研究进展主要集中在复合强化、纤维强化、复合增 韧补强、超细颗粒复合等方面，基本上都是以氧化铝系陶瓷为基础材料，通过采用 真空热压、静压等先进烧结工艺，添加碳化物、氮化物、氧化物、硼化物以及金属 等成分复合增韧补强，纳米复合1 2 2 1 、控制颗粒尺寸等措施，使得砧2 0 3 系陶瓷刀具 材料的断裂韧性和抗弯强度有极大的提高，适用范围亦日益扩大。目前新型a 1 2 0 3 系复合陶瓷刀具材料的研制仍是国内外的研究热点。 a 1 2 0 3 碳化物系陶瓷 目前刀具市场上应用较多的是a 1 2 0 3 t i c 复合陶瓷，主要用于切削淬硬钢和各 种耐磨铸铁。a 1 2 0 3 t i c 金属系复合陶瓷通过加入少量的粘结金属n i 、m o 等，提 高了a 1 2 0 3 与t i c 的粘结强度，可用于粗加工。s i c 晶须增韧a 1 2 0 3 基陶瓷刀具的应 用亦非常成功，可有效地用于断续切削及粗车、铣削和钻孔等工序中，适于加工镍 基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料。 a 1 2 0 3 硼化物系陶瓷 a 1 2 0 3 t i b 系复合陶瓷刀具材料在国外作为商品投放市场已有多年，己被证明是 高效加工某些难加工材料的理想刀具材料，其强度、韧性、耐热性和耐磨性均优于 a 1 2 0 3 - t i c 陶瓷刀具材料。t i b 颗粒与a 1 2 0 3 具有良好的化学相容性和物理匹配性， 且硬度高于t i c ，其复合刀具材料具有极好的耐冲击性和耐磨