毕业论文：金属切削刀具可靠性的研究.doc

1、 - 1 - 金属切削刀具可靠性的研究毕业论文 年 级 : 学 号 : 姓 名 : 专 业 : 指导老师 : - 2 - 摘要 金属切削刀具的切削性与几何参数有非常重要的关系，但能够决定刀具材料切削性能的基本身的强度和韧性。硬度和耐磨性，耐热性等。本文详细介绍了金属切削刀具的常用材料及其 金属切削刀具的基本识 的这些特征的分析使人们详细的了解每种刀具材料适宜加工的工件的材料，有助于帮助使用者合理的选择，以充分发挥刀具的切削性能和对金属切削刀具的可靠性研究 - 3 - Abstract The cutting of metal cutting tool geometry parameter an

2、d a very important relationship,but to determine cutting tool material the basic body strength and toughness. The hardness and wear resistance, heat resistance. This paper introduces the commonly used metal cutting tool material and its typical brand of these features make it a detailed understandin

3、g of each tool material suitable for processing the workpiece material, to help users choose reasonable, so as to give full play to the cutting performance of the cutting tool and the cutting tool reliability research - 4 - 目 录 摘 要 . 2 Abstract 3 第一章 金属切削刀具的基本识 5 1.1切削运动及切削要素 5 1.2 切削用量 6 1.3切削层参数 8

4、 1.4刀具的组成部分 9 1.5刀具的分类 10 第二章 金属切削刀具的可靠性 11 2.1.1金属切削的技术特点 11 2.1.2金属切削刀具可靠性 14 第三章 金属切削刀具材料现状及其展望 15 3.1 金属切削刀具材料现状及其展望 15 3.2 金属切削 超硬刀具材料 18第四章 涂层材料对于刀具切可靠性的影响 19 4.1 涂层材料 20 4.2 涂层材料对刀具切削性能的改善 21 结论 22 致谢 23 参考文献 24 - 5 - 一、零件表面的形成及切削运动 第一节 切削运动及切削要素 机器零件的形状主要由下列几种 表面组成： （ 1）外圆面 （ 2）内圆面（孔） ： 外圆面和

5、内圆面（孔）是以某一直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动所形成的表面。 （ 3）平面 :平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动所形成的表面。 （ 4）成形面 :成形面是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动所形成的表面。 1主运动 主运动使刀具和工件之间产生相对运动，促使刀具前刀面接近工件而实现切削。它速度最高，消耗功率最大。 2进给运动 进给运动使刀具与工件之间产生附加的相对运动，与主运动配合，即可连续地切除切削，获得具有所需几何特性的已加工表面。 各种切削加工方法（车削、钻削、刨削、铣削、磨削和齿轮加工等）都是为了加工某种表面而发展起来的，因此，也都有其特定的切削运动。

6、切削运动有旋转的，也有直行的；有连续的，也有间歇的。 切削时 ,实际的切削运动是一个合成运动其方向由合成切削速度角确定的。 切削用量 切削用量用来衡量切削运动量的大小。 在一般的切削加工中，切削用量包括切 削速度、进给量和背吃刀量三要素。 1切削速度 vc 切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度。单位为 m/s或 m/min. 若主运动为旋转运动，切削速度一般为其最大的线速度。可按下式计算： - 6 - vc=dn/1000 m/s 或 m/min 式中： d 工件或刀具的直径， mm； n 工件或刀具的转速， r/s或 r/min。 若主运动为往复直线运动（如刨削、插削等），则

7、常以其平均速度为切削速度，即： vc=2Lnr/1000 m/s 或 m/min 式中 L 往复行程长度（ mm） nr 主运动每秒或每分钟的往复次数， st/s 或 str/min 2.进给量 刀具在进给运动方向上相对工件的位移量称为进给量。 用单齿刀具（如车刀、刨刀等）加工时，进给量常用刀具或工件每转或每行程，刀具在进给运动方向上相对工件的位移量来度量，称为每转进给量或每行程进给量，以 f表示，单位为 mm/r或 mm/st （图 1-3）。 用多齿刀具（如铣刀、钻头等）加工时，进给运动的瞬时 速度称进给速度，以 vf 表示，单位为 mm/s或 mm/min。 刀具每转或每行程中每齿相对工

8、件在进给运动方向上的位移量称每齿进给量，以 fz表示，单位为 mm/z。 每齿进给量、进给量和进给速度之间有如下关系： vf=fn=fzzn mm/s或 mm/min 式中 n 刀具或工件转速， r/s或 r/min z 刀具的齿数。 3.背吃刀量 ap 在通过切削刃上选定点并垂直于该点主运动方向的切削层尺寸平面中，垂直于进给运动方向 测量的切削层尺寸，称为背吃刀量 ,单位 mm。 车削时，可用下式计算： dp=（ dw-dm） /2 mm 式中 dw 工件待加工表面直径（ mm ）； - 7 - dm 工件已加工表面直径（ mm ） 切削层参数 切削层是指切削过程中，由刀具切削部分的一个单一

9、动作（如车削时工件转一周，车刀主切削刃移动一段距离）所切除的工件材料层。 切削层决定了切屑的尺寸及刀具切削部分的载荷。切削层的尺寸和形状，通常是在切削层尺寸平面中测量的。 1切削层公称横截面积 AD 在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，单位为 mm2。 2切削层公称宽度 bD 在给定瞬间，作用主切削刃截形上两个极限点间的距离，单位为 mm2。 3切削层公称厚度 hD 在同一瞬间的切削层公称横截面积与其公称宽度之比，单位为 mm。 由定义知： AD= bDhD mm 因 AD不包括残留面积，而且在各种加工方法中 AD与进给量和背吃刀量的关系不同，所以 AD不等于 f和 ap 的

10、积。只有在车削加工中，当残留面积很小时才能近似地认为它们相等，即 AD fap mm2 刀具的组成部分 - 8 - 刀面 刀头 -切削部分 刀刃 刀尖 刀杆 -用于装夹 前刀面 Ar 切屑流出时经过的刀面 后刀面 Aa 与加工表面相对的刀面 副后刀面 A a 与已加工表面相对的刀面 刀具的分类 (1)切刀 包括各种车刀、刨刀、插刀、镗刀、成形车刀等 (2)孔加工刀具 包括各种钻头、扩孔钻、铰刀、复合孔加工刀具 (如钻 -铰复合刀具 )等。 (3)拉刀 包括圆拉刀、平面拉刀、成形拉刀 (如花键拉刀 )等。 (4)铣刀 包括加工平面的圆柱铣刀、面铣刀等；加工沟槽的立铣刀、键槽铣刀、三面刃铣刀、锯片

11、钝刀等；加工特形面的模数铣刀、凸 (凹 )圆弧铣刀、成形铣刀等。 (5)螺纹刀具 包括螺纹车刀、丝锥、板牙、搓丝板等。 (6)齿轮刀具 包括齿轮滚刀，蜗轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、花键滚刀等。 (7)磨具 包括砂轮、砂带、砂瓦、油石和抛光轮等。 (8)其它刀具 包括数控机床专用刀具、自动线专用刀具等。 单刃 (单齿 )刀具和多刃 (多齿 )刀具； 标准刀具 (如麻花钻、铣刀、丝锥等 )和非标准刀具 (如拉刀、成形刀具等 )； 定尺寸刀具 (如扩孔钻、铰刀等 )和非定尺寸刀具 (如外圆车刀、直刨刀等 )； 整体式刀具、装配式刀具和复合式刀具等 形状、结构和功能各不相同的各种刀具都有功能相同的组成部分

12、 工作部分和夹持部分 工作部分承担切削加工，夹持部分将工作部分与机床连接在一起，传递切削运动和动力，并保证刀具正确的工作位置 - 9 - 金属切削刀具的可靠性 切削力 切削时刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，这些力组成合力 F，在外圆车削时 ,一般将这个切削合力 F分解成三个互相垂直的分力（图 3切削合力和分力 ） ：切向力 F它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常称主切削力；径向力 F在平行于基面的平面内 ,与进给方向垂直 ,又称推力；轴向力 F在平行于基面的平面内 ,与进给方向平行 ,又称进给力。一般情况下 ,F最大 ,F和 F较小 ,由于刀具的几何参数刃磨质量和磨损情 不 同。 切削

13、过程中实际切削力的大小，可以利用测力仪测出。测力仪的种类很多，较常用的是电阻丝式和压电晶体式测力仪。测力仪经过标定以后就可测出切削过程中各个分力的大小。 切削热 切削金属时，由于切屑剪切变形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都转变为热，这种热叫切削热。使用 切削液 时，刀具、工件和切屑上的切削热主要由切削液带走；不用切削液时，切削热主要由切屑、工件和刀具带走或传出，其中切屑带走的热量最大，传向刀具的热量虽小，但前面和后面上的温度却影响着切削过程和刀具的磨损情况，所以了解切削温度的变化规律是十分必要的。 切削温度 切削过程中切削区各处的温度是不同的，形成一个温度场切屑和工件的温度分布，这个温度

14、场影响切屑变形、积屑瘤的大小、加工表面质量 、加工精度和刀具的磨损等，还影响切削速度的提高。一般说来，切削区的金属经过剪切变形以后成为切屑 ,随之又进一步与刀具前面发生剧烈摩擦 ,所以温度场中温度分布的最高点不是在正压力最大的刃口处，而是在前面上距刃口一段距离的地方。切削区的温度分布情况，须用人工热电偶法或红外测温法等测出。用自然热电偶法测出的温度仅是切削区的平均温度。 刀具磨损 刀具的磨损和耐用度关系到切削加工的效率、质量和成本。本文 从磨料磨损、冷焊磨损、扩散磨损、氧化磨损及热电磨损五个方 面，分析它们对不同材料刀具产生磨损的原因。刀具在切削过程中 将逐渐产生磨损， 当刀具磨损达到一定程

15、度时，可以明显地发现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改 变，甚至产生振动。同时，工件尺寸也可能超出公差范围，已加 工表面质量也明显恶化。 刀具的磨损和耐用度关系到切削加工的 效率、质量和成本，因此它是切削加工中极为重要的问题之一。 在切削过程中，前刀面、后刀面经常与切屑、工件接触，在 接触区里发生着强烈的摩擦，同时，在接触区里又有很高的温度 和压力。因此，前刀面和后刀面随着切削的进行都会逐渐产生磨 损。切削过程中的刀具磨损具有下列特点：刀具与切屑、工件间 的接触表面 经常是新鲜表面；接触压力非常大，有时超过被切削 材料的屈服强度；接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达 800 1000 ，

16、对于高速刀具可达 300 600 。在上述条件下工 作，刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种形式的综合作用 结果，可以产生以下几种磨损形式。 - 10 - 1.热电磨损 1.热电磨损 工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区将产生热 电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。这种在热电势的作用下产生的扩散磨损，称为“ 热电磨损 ” 。试验证明， 若在工件、刀具接触处通以与热电势相反的电 动势，可减少热电 磨损。 总之，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损原 因和磨损强度是不同的。对于一定的刀具和工件材料，切削温度 对刀具磨损具有决定性的影响。 切削温度的高低取决于热的产生

17、和传出情况，它受切削用量、工件材料、刀具材料及几何开头等 影响。因此，通过合理选择切削用量、刀具材料及角度，可以减 少切削热的产生和增加热的传出。 有效地降低切削区温度是减少 刀具磨损的重要途径。 由于刀具磨损到一定程度， 将降低工件的尺寸精度和加工表 面质量，同时也将增加加工成本和刀具的消耗，因此，减少刀具 磨 损具有十分重要的现实意义。 2.扩散磨损 2.扩散磨损 扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑、工件与刀具接 触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了原来材料 的成分与结构，使刀具材料变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。 例如硬质合金切钢时，从 800 开始，硬质合金中的化学元素

18、迅 速地扩散到切屑、工件中去， WC 分解为 W 和 C 后扩散到钢中。 因切屑、工件都在 高速运动，刀具表面和它们的 表面在接触区保 持着扩散元素的浓度梯度，从而使扩散现象持续进行。于是，硬 质合金表面发生贫碳、贫钨现象。粘结 相 CO 减少，又使硬质合金中硬质相 (WC， TiC)的粘结强度降低。切屑、工件中的 Fe 则向 硬质合金中扩散，扩散到硬质合金中的 Fe，将形成新的硬度、 高脆性的复合碳化物。所有这些，都使刀具磨损加剧。除刀具、 工件材料自身的性质以外，温度是影响扩散磨损的最主要因素。 扩散磨损往往与冷焊磨损、 磨料磨损同时产生， 此时磨损率很高。 高速钢刀具的工作温度较低，与切

19、屑、工件之间的扩散作用进行 得比较缓慢，故其扩散磨损所占的比重远小于硬质合金刀具。 3.冷焊磨损 3.冷焊磨损 切削时，切屑、工件与前、后刀 面之间，存在很大的压力和 强烈的摩擦，因而它们之间会发生冷焊。由于摩擦面之间有相对 的运动，冷焊结将产生破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。 一般来说，工件材料或切屑的硬度较刀具材料的硬度低，冷 焊结的破裂往往发生在工件或切屑这方。但由于交变能力、接触 疲劳、热应力以及刀具表层结构缺陷等原因，冷焊结的破裂也可 能发生在刀具这一方，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而 造成刀具磨损。 冷焊磨损一般在中等偏低的切削速度下比较严重。研究表 明：脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；相同的金属或晶格类 型、晶格间距、电子密度、电化学性质相近的金属冷焊倾向小； 金属化合物比单相固熔体冷焊倾向小； 化学元素周期表中 B 族元 素比铁的冷焊倾向小。 在高速钢刀具的正常工作速度和硬质合金刀具偏低的工作速度下，正能满足产生冷焊的条件，故此时冷焊磨损所占的比重 较大。提高切削速度后，硬质合金刀具冷焊磨损减轻。