上海交通大学硕士学位论文涂层刀具切削性能评价及其实验研究姓名.pdf
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1、上海交通大学硕士学位论文涂层刀具切削性能评价及其实验研究姓名:薛锴申请学位级别:硕士专业:航空宇航制造工程指导教师:陈明;许辉20080201上海交通大学硕士学位论文 摘要 I 涂层刀具切削性能评价及其实验研究 摘 要 涂层技术在切削刀具中得到越来越广泛的应用,性能优异的涂层可以显著改善刀具表面性能,提高其高温硬度、隔热性能、热稳定性、冲击韧性等,从而大幅提高了刀具的切削速度和寿命。刀具技术的发展日新月异,新型涂层和结构的刀具不断面世,对这些应用最新涂层技术和切削技术最新成果的新型刀具,进行准确有效的切削性能评价,给出涂层和刀具结构的适用性区间和最佳切削用量,可以大幅缩短研发周期,降低研发成本
2、,提高技术价值,是刀具研发过程中的一个重要环节。切削过程是一个高温、大应变、大应变率、高频振动、高速摩擦的材料失效过程,从机床特性、加工方式,到工件材料性质、刀具材料和几何角度等等,影响因素众多。本文针对广泛应用的刀具涂层工艺PVD 和 CVD 涂层,针对三种常见的加工方式铣削、钻削和车削,针对两种难加工材料车轮钢和淬硬模具钢,进行了系统的切削实验。分别从切削力、切削振动、切削温度、加工表面质量、切屑变形机理等方面,对不同涂层和不同结构的刀具的切削性能和失效机理做出了对比分析和基于实验结果的合理判断,并且给出了不同涂层、不同几何结构刀具在不同加工方式下的优化切削用量。基于切削实验和分析本文得出
3、以下结论:1.PVD 工艺的 AlTiN 涂层在模具钢的干式铣削中有较好的表现,在实验涉及的三种不同工艺和成分的 AlTiN 涂层中,纳米复合相结构涂层 AlTiN+Si3N4最适合在高速度小余量的情况下进行模具钢的精加工。2.PVD工艺的自润滑涂层AlTiNWC/C 在半封闭钻削模具钢时有着非常好的表现,有着较小的钻削力和较小的磨损。AlTiN(Al:N=2:1)富铝涂层在高温下发生了氧化和扩散,在表面氧化形成较厚的稳定致密的 Al2O3氧化膜,阻止氧化继续发生,这使得涂层的隔热性,高温硬度、热稳定性大为提高,适用于淬硬模具钢钻削。3.钻头的横刃是影响切屑的挤压变形的主要因素,通过优化设计横
4、上海交通大学硕士学位论文 摘要 II 刃的形状可以改进钻削断屑和排屑状况。4.CVD 复合涂层刀具车削车轮钢时,圆形刀片适用于负荷较大的粗加工,获得较大的材料去除率,断屑性能较好。而方形刀片用于能够较小切削用量的精加工,能获得较好的表面质量,断屑性能较差。5.切削速度是影响切屑变形的主要因素之一。在车削车轮钢时,在切削线速度较低的时候切屑呈带状,切削线速度较高时切屑呈锯齿形。关键词:刀具,涂层,切削性能,模具钢,车轮钢,切削用量 上海交通大学硕士学位论文 Abstract III CUTTING PERFORMANCE APPRAISEMENT AND EXPERIMENT STUDY OF
5、COATING TOOLS ABSTRACT Coating technology has been used widely in cutting tools,coatings with excellent properties could significantly improve the surface properties of tools,like the high temperature hardness,heat insulation property,thermal stability,impact toughness and so on,thus the cutting spe
6、ed and tool life could been improved obviously.Because of more and more novel coatings and new structures were used in cutting tools,the cutting performance appraisement of these new tools was necessary.Determination of the applicability and recommended cutting parameters of new tools would shorten
7、development period,cut cost of research,and increase technical value of products.Cutting process was complicated for its characters of high temperature,large strain,high strain rate,high frequency vibration,high-speed friction and materials failure.A lot of factors influenced the cutting process,lik
8、e the kinetic feature of machine tools,machining methods,work material,tool material,cutting tool geometry and so on.In this thesis,a series of cutting experiments had been completed,concerned of two kinds of typical coating processPVD and CVD coating,three kinds of machining methodmilling,drilling
9、and turning,and two kinds of difficult-to-cut materialwheel steel and hardened die steel.Through these experiments,cutting force,cutting temperature,cutting vibration,machined surface quality and chip formation were researched.Based on the analysis of experimental data,the thesis had obtained these
10、conclusions:1.The PVD coating AlTiN had good performance in dry milling hardened die steel.Among three AlTiN coatings with different composition and structures,nano-composited phase coating AlTiN was the best one.End 上海交通大学硕士学位论文 Abstract IV mills with this coating were suitable for finish machining
11、 of die steel.2.The PVD self-lubricating coating AlTiN WC/C had perfect performance in drilling hardened die steel,drills with this composited coating had lower cutting force and mild wear.AlTiN aluminum-rich coating was also suitable for drilling die steel,because of the oxidation and diffusion occ
12、urred in high temperature atmosphere,a stable and dense Al2O3 film formed,and would prevent the oxidation action going further,this film improved h igh temperature hardness,heat insulation property and thermal stability of coating.3.Chisel edge of drills influenced chip formation and chip removal si
13、gnificantly,optimization design of drills could improve chip removal in drilling.4.Round edge CVD composited coating insert was suitable for heavy duty rough turning,and led to higher material removal rate and better chip breaking;linear edge insert was suitable for finish turning,and led to better
14、surface quality but tough chips.5.Cutting speed influenced chip deformation significantly,lower speed led to steady state chips,and higher speed led to saw-tooth chips.KEY WORDS:Coating Tools,Die steel,Wheel steel,Cutting parameters,Tool wear,Chip deformation 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的
15、指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:薛锴 日期:2008 年 2 月 1 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保
16、密,在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。(请在以上方框内打“”)学位论文作者签名:薛锴 指导教师签名:陈 明 日期:2008 年 2 月 1 日 日期:2008 年 2 月 1 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 1 第一章 绪 论 1.1 课题研究背景 作为正处于工业化时期的中国,制造业是我国国民经济的支柱产业,是国家发展的基石,是国家竞争力的基础。2002 年,我国制造业工业增加值已达 36151 亿元,占国内生产总值的 34.5%;以制造业产品为主的工业制成品在我国出口总额中的比例稳步上升,从 1980 年的 50%上升到 2002 年的 90%,使我国成为以工业制成品出
17、口为主的国家,制造业已经成为我国出口的主要力量1。然而,和外国先进水平相比,我国制造业还存在阶段性的差距,主要表现在劳动生产率和工业增加值低。制造业总体规模仅相当于美国的 1/5、日本的 1/4 强;人均劳动生产率远远落后于发达国家,仅为美国的 1/25、日本的 1/26、德国的 1/20;工业附加值仅为 26%,远低于美国的49%、日本的 38%、德国的 48.5%。我国的制造业仍然停留在简单的模仿和低附加值的重复生产上2。美国、欧洲和日本等制造业发达国家在努力保持本国高新技术垄断地位的同时,正以降低生产成本和提高国际竞争力为最终目标,在全球范围内进行着新一轮制造业资源的优化配置,各国纷纷开
18、展先进制造技术的研究与开发。因而主要依赖廉价劳动力、占有大量资源的简单再生产已不能继续支撑中国制造业的可持续发展,必须要发展以优质、高效、低耗、清洁、无污染工艺为核心和基础的先进制造技术(AMTAdvanced Manufacturing Technology),随着信息技术的不断发展,先进制造技术一方面发展了以数控机床为基础的自动化加工技术,另一方面发展了新的加工方法和加工工艺,先进切削技术则是其中的典型。切削加工作为一种传统的加工方法和工艺,目前约占机械制造工作量的 30%40%,全世界每年约有 1 亿吨钢材通过刀具切削而成为切屑,全世界每年切削加工耗资约 2500 亿美元3。以刀具去除工
19、件材料的切削加工方法仍将在机械制造领域占据主导地位,为了适应先进制造技术更高的要求,先进切削技术获得广泛的研究和应用,比较典型的有(超)高速切削、干切削、硬切削等,相应于先进切削技术的更高要求,高效率、高精度、高可靠性和专用化的切削刀具获得空前的发展,使刀具材料、刀具结构、刀具涂层呈现出高技术的特征。上海交通大学硕士学位论文 第一章 2 1.2 切削技术的最新进展 1.2.1 高速切削技术 在高速数控加工中心与各种高性能的刀具材料及涂层技术发展基础上兴起的高速切削技术是一种先进实用的制造技术4。它具有:切削力小、工件热变形小、加工质量高、切削效率高、工序集约化以及降低加工成本等突出的优点,目前
20、已经在很宽范围的金属和非金属工件材料上得到应用5,具体见表 1-1。由于高速切削带来了巨大效益,国内外非常重视其研究:日本“先端技术研究会”把高速切削列入 21 世纪的四大先进制造技术之一6;德国把高速切削当代金属加工最重要的研究领域之一7;在美国,高速切削已经成为切削加工发展的主流8;我国把加工制造技术的发展方向定位于超精密、超高速及发展新一代制造装备9。由于高速切削是实现高效率制造的核心技术,工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说,高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术,所以,研究开发高速切削加工技术已成为现代切削技术面临的重大任务之一。表
21、1-1 高速切削的应用领域5 Table 1-1 Application of high-speed cutting 特性 应用领域 举例 轻金属、高温合金、钛合金 航空航天 切削效率高 钢及铸件 刀具和模具制造 精加工 光学及微细机械零件 表面质量好 特殊工件 螺旋压缩机 切削力小 薄壁件 航空航天、汽车、家庭用具 激励频率高 复杂工件的无振动加工 精密元件和光学工业 非延迟加工 精密件 切屑排热 冷工件 镁合金 高速切削(High Speed Machining,HSM 或 High Speed Cutting,HSC)的概念源于德国 Carl.J.Salomon博士,从 1924 年至
22、1931 年,他用大直径圆锯片对不同材料进行大量铣削实验发现10,随切削速度不断增加,切削温度上升到一峰值,随切削速度进一步提高,切削温度达到峰值后反而下降。切削温度达到峰值的切削速度称为临界切削速度。Salomon博士认为在临界切削速度两边有一个不适宜的切削加工区域,有的学者称之为“死区”(Valley of death)11-12。因为在该区域内刀具承受不了上海交通大学硕士学位论文 第一章 3 如此高温的作用。当切削速度继续提高,切削温度下降到刀具许可的温度范围,这时,刀具又可进行切削加工4。高速切削加工概念提出后,它的发展大致经历了四个阶段:高速切削加工理论研究和探索阶段(1931 年-
23、1971 年);高速切削加工应用基础研究探索阶段(1972 年-1978年);高速切削加工应用研究阶段(1979 年-1989 年);高速切削加工技术发展和应用阶段(1990 年-现今)13-14。最近 10 多年来,高速切削加工理论基础研究进一步深入,取得新的进展,主要是锯齿状切屑的形成机理10,高速切削加工钛合金时切屑的形成机理15,机床结构动态特性及切削颤振的避免16,多种刀具材料加工不同工件材料时的刀具前刀面、后刀面和加工表面的温度分布17-19,以及高速切削时切屑、刀具和工件切削热量的分配20,进一步证实大部分切削热被切屑所带走。切削温度的实验研究表明:现有的刀具材料高速切削加工时,
24、不论是连续或断续切削均未出现 Salomon理论中的“死区”21。1.2.2 干式切削技术 在环境保护和制造成本的双重压力下,不用或少用切削液,即:干式切削(Dry cutting)技术成为了国际上研究切削发展的新趋势。从 20 世纪 90 年代开始,国外对图 1-1.高速铣削中的切削温度 Fig.1-1 Cutting temperature of high-speed cutting 上海交通大学硕士学位论文 第一章 4 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。例如,通常车削铸铁时的金属切除率为 16cm3/min,而美国某公司利用陶瓷刀具或立方氮化硼
25、刀具进行高速干式车削可提高到 149 cm3/min;普通湿式挤压丝锥加工冷轧钢板上 M40.7 的通孔螺纹达 7000 个孔时即产生磨损和粘结,无法继续加工,而日本某研究所采用的干式挤压丝锥可加工孔达 50000 个以上22;日本三菱公司采用涂层高速钢干式齿轮滚刀滚切齿轮时切削速度可达 200m/min,是传统滚切速度的2 倍;美国格里森公司用硬质合金滚刀干切锥齿轮与传统高速钢刀具湿式滚切相比可减少切削时间 50%,且加工质量也有明显提高23;德国格林公司采用的钛基硬质合金钻头干式钻孔切削速度高于 200 m/min,同材料的铰刀干式铰孔所得工件表面比刃口锋利的未涂层细晶粒硬质合金铰刀铰出的
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