金属切削刀具可靠性的研究毕业论文 1.docx

金属切削刀具可靠性的研究毕业论文 1.docx

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金属切削刀具可靠性的研究毕业论文1

金属切削刀具可靠性的研究毕业论文

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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

Abstract

Thecuttingofmetalcuttingtoolgeometryparameterandaveryimportantrelationship,buttodeterminecuttingtoolmaterialthebasicbodystrengthandtoughness.Thehardnessandwearresistance,heatresistance.Thispaperintroducesthecommonlyusedmetalcuttingtoolmaterialanditstypicalbrandofthesefeaturesmakeitadetailedunderstandingofeachtoolmaterialsuitableforprocessingtheworkpiecematerial,tohelpuserschoosereasonable,soastogivefullplaytothecuttingperformanceofthecuttingtoolandthecuttingtoolreliabilityresearch

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

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

结论……………………………………………………………………………………………20

致谢……………………………………………………………………………………………21

参考文献………………………………………………………………………………………22

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。

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η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：

vc=πdn/1000m/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），则常以其平均速度为切削速度，即：

vc=2Lnr/1000m/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=fzznmm/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）/2mm

式中dw—工件待加工表面直径（mm）；

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=bDhDmm

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≈fapmm2

刀具的组成部分

•

•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

•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．

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况的不同和切削条件的改变，F、F对F的比值在很大的范围内变化。

　　切削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

具在切削时的磨损是切削热和机械摩擦所产生的物理作用和化学作用的综合结果。

刀具磨损表现为在刀具后面上出现的磨损带、缺口和崩刃等，前面上常出现的月牙洼状的磨损，副后面上有时出现的氧化坑和沟纹状磨损等。

当这些磨损扩展到一定程度以后就引起刀具失效，不能继续使用。

刀具逐渐磨损的因素，通常有磨料磨损、粘着磨损、扩散磨损、氧化磨损、热裂磨损和塑性变形等。

在不同的切削条件下，尤其是在不同切削速度的条件下，刀具受上述一种或几种磨损机理的作用。

例如，在较低切削速度下，刀具一般都因磨料磨损或粘着磨损而破损；在较高速度下，容易产生扩散磨损、氧化磨损和塑性变形。

刀具寿命

　　刀具由开始切削达到刀具寿命判据以前所经过的切削时间叫做刀具寿命（曾称刀具耐用度），刀具寿命判据一般采用刀具磨损量的某个预定值，也可以把某一现象的出现作为判据，如振动激化、加工表面粗糙度恶化，断屑不良和崩刃等。

达到刀具寿命后，应将刀具重磨、转位或废弃。

刀具在废弃前的各次刀具寿命之和称为刀具总寿命。

　　生产中常根据加工条件按最低生产成本或最高生产率的原则，来确定刀具寿命和拟定工时定额。

切削加工性

　　指零件被切削加工成合格品的难易程度。

它根据具体加工对象和要求，可用刀具寿命的长短、加工表面质量的好坏、金属切除率的高低、切削功率的大小和断屑的难易程度等作为判据。

在生产和实验研究中，常以作为某种材料的切削加工性的指标，它的含义是：

当刀具寿命为分钟时,切削该材料所允许的切削速度。

越高，表示加工性越好,一般取60、30、20或10分钟。

加工表面质量

通常包括表面粗糙度加工硬化残余应力、表面裂纹和金相显微组织变化等。

切削加工中影响加工表面质量的因素很多，例如刀具的刀尖圆弧半径进给量和积屑瘤等是影响表面粗糙度的主要因素;刀具的刃口钝圆半径和磨损及切削条件是影响加工硬化和残余应力的主要因素。

因此，生产中常通过改变刀具的几何形状和选择合理的切削条件来提高加工表面质量。

切削振动

　　切削过程中，刀具与工件之间经常会产生自由振动、强迫振动或自激振动（颤振）等类型的机械振动。

自由振动是由机床零部件受到某些突然冲击所引起，它会逐渐衰减。

强迫振动是由机床内部或外部持续的交变干扰力（如不平衡的机床运动件、断续切削等）所引起，它对切削产生的影响取决于干扰力的大小及其频率。

自激振动是由于刀具与工件之间受到突然干扰力（如切削中遇到硬点）而引起初始振动，使刀具前角、后角和切削速度等发生变化，以及产生振型耦合等，并从稳态作用的能源中获得周期性作用的能源，促进并维持振动。

通常，根据切削条件可能产生各种原生型自激振动，从而在加工表面上留下的振纹，又会产生更为常见的再生型自激振动。

上述各种振动通常都会影响加刀表面质量，降低机床和刀具的寿命，降低生产率，并引起噪声，极为有害，必须设法消除或减轻。

切屑控制

　　指控制切屑的形状和长短。

通过控制切屑的卷曲半径和排出方向，使切屑碰撞到工件或刀具上，而使切屑的卷曲半径被迫加大，促使切屑中的应力也逐渐增加,直至折断切屑的卷曲半径可以通过改变切屑的厚度、在刀具前面上磨制卷屑槽或断屑台来控制，其排出方向则主要靠选择合理的主偏角和刃倾角来控制。

现代人们已能用两位或三位数字编码的方式来表示各种切屑的形状，通常认为短弧形切屑是合理的断屑形状。

切削液

也称冷却润滑液，用于减少切削过程中的摩擦和降低切削温度，以提高刀具寿命、加工量和生产效率。

常用的切削液有切削油、乳化液和化学切削液3类。

生产应用

　　在设计和使用机床和刀具时，需要应用切削原理中有关切削力、切削温度和刀具切削性能方面的数据。

例如，在确定机床主轴的最大扭矩和刚性等基本参数时,要应用切削力的数据;在发展高切削性能的新材料时，需掌握刀具磨损和破损的规律;在切削加工中分析热变形对加工精度的影响时,要研究切削温度及其分布；在自动生产线和数字控制机床上，为了使机床能正常地稳定工作，甚至实现无人化操作,更要应用有关切屑形成及其控制方面的研究成果,并在加工中实现刀具磨损的自动补偿和刀具破损的自动报警。

为此，各国研制了品种繁多的在线检测刀具磨损和破损的传感器，其中大多数是利用切削力或扭矩、切削温度、刀具磨损作为传感信号。

此外，为了充分利用机床，提高加工经济性和发展计算机辅助制造（CAM）,常需要应用切削条件、刀具几何形状和刀具寿命等的优化数据。

因此，金属切削原理这门学科在生产中的应用日益广泛，各国都通过切削试验或现场采集积累了大量的切削数据，并用数学模型来表述刀具寿命、切削力、功率和加工表面粗糙度等同切削条件之间的关系，然后存入计算机,建立金属切削数据库或编制成切削数据手册,供用户查用。

数控刀具的可靠性

在切削过程中，刀具磨损刀一定程度，刀刃崩刃或破损，刀刃卷刃（塑变）时，刀具丧失其切削能力或无法保证加工质量。

刀具可靠性分析在规定的切削条件和时间内完成额定工作的能力（具有统计特征和随机特征）

刀具耐用度在规定的条件和时间内完成额定工作的概率

R（t）+F（t）=1

指刀具能达到规定的可靠度r时的耐用度，即

可靠耐用度R（tr）=r则tr=R¯¹（t）

金属切削刀具材料现状及其展望

随着全球机加工水平的不断进步，刀具生产制造技术的也在逐步发展，从刀具材料方面来讲，近代金属切削刀具材料从碳素工具钢、高速钢发展到今日的硬质合金、立方氮化硼等超硬刀具材料，使切削速度从每分钟几米飚升到千米乃至万米。

　　随着数控机床和难加工材料的不断发展，刀具实有难以招架之势。

要实现高速切削、干切削、硬切削必须有好的刀具材料。

在影响金属切削发展的诸多因素中，刀具材料起着决定性作用。

　　高速钢

　　高速钢自1900年面世至2000年，尽管各种超硬材料不断涌现，但始终未能动摇其切削刀具的霸主地位，2000年以后硬质合金已成为高速钢的“天敌”,正在持续不断地侵蚀着高速钢刀具的市场份额，但对于某些如螺纹刀具、拉削刀具等对韧性要求较高的刀具，高速钢仍可与硬质合金“分庭抗礼”,甚至占明显优势。

　　据有关方面统计分析，2004年我国生产高速钢7.8万吨，几乎占全球产量的50%,生产了约25亿件刀具，其中近20亿件低档出口。

2005年全国高速钢产量8.3万吨，其中低合金高速钢（钨当量6%~12%）占40%左右，刀具的生产、销售情况和2004年差不多。

从整体形势分析，目前最突出的矛盾是低档产品恶性膨胀，而高档产品严重短缺，或者说高端失守、低端混战，倘任其自由发展，高速钢刀具在切削领域的地位只会越来越低，甚至退出，将市场拱手让给外国佬。

　　人们习惯上将高速钢分为四大类：

　　1）通用高速钢（HSS）

　　以W18Cr4V为代表的HSS曾辉煌过一个世纪，为我国刀具行业做出过杰出的历史性贡献，但由于还存在不少弊端，现已逐步淡出市场；M2钢的市场份额已由上世纪90年代的60%~70%下降到目前的20%~30%;9341是我国自行研制的HSS,市场份额占20%左右，W7、M7等其他HSS产量比较低。

HSS已占高速钢总量60%以上。

由于HSS的强韧性和较高的耐磨性、红硬性等优异性能，在丝锥、拉刀等刀具领域，还会牢牢守住一块地盘，不过阵地在逐年减少。

　　2）高性能高速钢（HSS-E）

　　HSS-E是指在HSS成分基础上加入Co、Al等合金元素，并适当增加含碳量，以提高耐热性、耐磨性的钢种。

这类钢的红硬性比较高，经625℃×4h后硬度仍保持60HRC以上，刀具的耐用度为HSS刀具的1.5~3倍。

　　以M35、M42为代表的HSS-E产量逐年在增加，501是我国自产的高性能高速钢，在成形铣刀、立铣刀等方面应用十分普遍，在复杂刀具方面应用也比较成功。

由于数控机床、加工中心、高难加工材料发展迅速，HSS-E刀具材料亦逐步增加。

　　3）粉末高速钢（HSS-PM）

　　和冶炼高速钢相比，HSS-PM力学性能有显着的提高。

在硬度相同的条件下，后者的强度比前者高20%~30%,韧性提高1.5~2倍，在国外应用十分普遍。

我国在上世纪70年代曾研制出多种牌号的HSS-PM,并投入市场，但不知何故夭折，现在各工具厂所用材料均系进口。

值得欣喜的是，河冶科技股份有限公司（原河北冶金研究院）已能生产HSS-PM,并小批量供货，效果不错。

由于资源日益枯竭和HSS-PM自身优良的综合性能及市场的需求，HSS-PM必将会有一个长足的进步。

　　4）低合金高速钢（DH）

　　由于合金资源越来越少、成套麻花钻出口及低速切削工具的需要，钢厂和工具厂共同开发出301、F205、D101等多种牌号的DH.2003年我国生产高速钢6万吨，其中DH两万吨，占高速钢的1/3;2004年DH占高速钢的40%,2005年、2006年仍呈增长势头。

但其中水分不少，有些根本不属高速钢，硬度也达不到63HRC,也被标以HSS.

　　硬质合金

　　机械制造业需要“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的经营理念，在当代刀具制造和使用领域，“效率第一”的理念已经取代了传统的“性能价格比”老概念，这一变化为高技术含量的高效刀具的发展扫清了障碍。

　　硬质合金不仅具有较高的耐磨性，而且韧性也较高（和超硬材料相比），所以得到广泛的应用，展望未来，它仍然是应用最广泛的刀具材料。

从历届机床工具博览会上可以看出，硬质合金可转位刀具几乎覆盖了所有的刀具品种。

随着科学技术的发展和刀具技术的进步，硬质合金的性能得到很大改善：

一是开发了提高韧性的1~2μm细颗粒硬质合金；二是开发了涂层硬质合金。

与高速钢刀具相比，硬质合金涂层刀具的市场份额增长幅度更大，因为在高温和高速切削参数下，高强度更为重要。

　　现代切削刀具，硬质合金大展其威，展望未来，刀具材料无疑是硬质合金的天下。

超硬刀具材料

　　超硬材料是指以金刚石为代表的具有很高硬度物质的总称。

超硬材料的范畴虽没有一个严格的规定，但人们习惯上把金刚石和硬度接近于金刚石硬度的材料称为超硬材料。

　　1）金刚石

　　金刚石是目前世界上已发现的最硬的一种材料。

金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性等性能，在有色金属和非金属加工中得到广泛的应用，尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，如轿车发动机缸体、缸盖、变速箱和各种活塞等的加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。

近年来，由于数控机床的普及和数控加工技术的高速发展，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及。

金刚石刀具现在和将来都是数控加工中不可缺少的重要刀具。

　　2）立方氮化硼（CBN）

　　立方氮化硼是氮化硼的同素异构体，其结构与金刚石相似，硬度高达8000~9000HV,耐热度达1400℃，耐磨性好。

近年来开发的多晶立方氮化硼（PCBN）是在高温高压下将微细的CBN颗粒通过结合相烧结在一起的多晶材料，既能胜任淬硬钢（45~65HRC）、轴承钢（60~64HRC）、高速钢（63~66HRC）、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工。

　　3）陶瓷刀具

　　陶瓷刀具是最有发展潜力的刀具之一，目前已引起世界工具界的重视。

在工业发达的德国，约70%加工铸件的工序是由陶瓷刀具来完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%~10%.由于数控机床、高效无污染切削、被加工材料硬等因素，迫使刀具材料必须更新换代，陶瓷刀具正是顺乎潮流，不断改革创新，在Al2O3陶瓷基体中添加20%~30%的SiC晶液制成晶须增韧陶瓷材料，SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹扩展方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展前途的刀具材料。

为了提高纯氧化铝陶瓷的韧性，加入含量小于10%的金属，构成所谓金属陶瓷，这类刀具材料具有强大的生命力，正以强劲势头向前发展，也许将来会自成一系，成为刀具材料家族新成员。

　　陶瓷刀具的主要原料是Al2O3、SiO2、碳化物等，它们是地壳中最富足的资源，发展此类刀具不存在原料来源问题。

因此，开发应用陶瓷刀具有重要的战略意义和深远的历史意义。

　　由于切削加工机床和切削技术的突飞猛进，迫使刀具被动式同步。

刀具材料的发展趋势，是向着高效率、高速度、高寿命方向发展。

在各种刀具材料的发展中，硬质合金（包括涂层硬质合金）一枝独秀；HSS将进一步萎缩；HSS-E增幅缓慢；HSS-PM将有长足的进步；DH还会继续膨胀扰乱市场，不过好景不长；超硬刀具材料有广阔的发展空间，将继续扩大应用比例。

形成了以硬质合金为主线，各种材料既有独特的优点和应用范围，又互相发展、互相竞争，又相互有所取代补充的整体格局。

结束语

根据制造业发展的需要，多功能复合刀