YG类硬质合金刀精车奥氏体不锈钢的刀具几何参数优化.docx
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YG类硬质合金刀精车奥氏体不锈钢的刀具几何参数优化
2012届本科毕业论文（设计）
论文题目：
YG类硬质合金刀精车奥氏体不锈钢的刀具几何参数优化
学生姓名：
所在院系：
机电学院
所学专业：
机械设计制造及其自动化
导师姓名：
完成时间：
2012年5月10日
摘要
奥氏体不锈钢是常温下具有单相奥氏体组织的不锈钢。
其组成成分中含铬、镍元素较多。
奥氏体不锈钢的切削加工性能很差，所以其加工质量的提高难度很大。
它在切削加工时,存在较多的的因素促使刀具磨损,如加工硬化、热传导率低等,极易使刀具出现磨损现象。
如崩刃、磨损等。
因而,奥氏体不锈钢属于一种较典型的难加工材料。
在切削加工时,必须合理选择刀具的品种和切削条件。
因此在加工时要通过采取一些措施提高工件的加工质量。
在此，主要从刀具的几何参数方面入手，利用正交实验法，通过实验优化刀具的几何参数，使得工件在精车时的加工质量提高。
关键词：
奥氏体不锈钢，精车，正交实验法，刀具几何参数。
Abstract
Austeniticstainlesssteelatroomtemperatureiswithsingle-phaseausteniticstainlesssteeloftheorganization.Itscompositioncontainingcr,nielementmore.Austeniticstainlesssteelcuttingprocessingperformanceisverypoor,soitsprocessingtheimprovementofthequalityofverydifficult.Whenitwascuttingprocessing,therearemanyfactorstopromotethetoolwear,suchasprocessinghardening,lowheatconductivity,isextremelyeasytomaketoolsappearwearphenomenon.Suchascollapse,wearoftheblade.Therefore,austeniticstainlesssteelbelongstoakindoftypicaldifficult-to-machinematerials.Incuttingprocessing,mustbeselectingcuttersandthevarietyofcuttingconditions.Thereforeintheprocesscantakesomemeasurestoimprovetheprocessingquality.Inthis,mainlyfromtheaspectsofgeometricparametersofthecuttingtool,usingtheorthogonalexperimentmethod,throughtheexperimentofoptimizingtoolgeometricparameter,makesthecarinthefineprocessingqualityimproved.
Keywords：
Austeniticstainlesssteel，Turning，Orthogonalexperiment，Toolgeometry
目录
1绪论1
1.1奥氏体不锈钢的机械性能和加工特性1
1.2提高奥氏体不锈钢加工质量的方法1
1.3刀具材料的选择2
1.4对刀具几何参数的要求3
2设计要求3
3正交实验法3
3.1正交实验法的内容与意义3
3.2试验方案的设计4
3.2.1试验目的与要求4
3.2.2试验指标4
3.2.3选因素，定水平4
3.2.4因素水平的确定4
3.2.5正交表的选择6
3.2.6表头设计6
3.2.7列实验方案6
3.2.8实验结果分析7
4结束语8
致谢8
参考文献9
1绪论
1.1奥氏体不锈钢的机械性能和加工特性
不锈钢材料的车削加工是机械工人培训的一个重要课题，在按金相组织分类的铁素体，奥氏体及马氏体三种不锈钢材料中，以奥氏体不锈钢的切削加工性能最差，所以其加工质量的提高难度很大。
不锈钢的机械性能。
由于不锈钢中含有高量的铬、镍,因而使材料的机械性能有了很大改变。
从各项机械性能指标综合来看,不锈钢的机械性能是明显地高于一般钢材的。
因为其他钢材如果抗拉强度、屈服强度高,延伸率、断面收缩率和冲击值等项指标就会相应偏低;反之,延伸率、断面收缩率和冲击值等项指标就会相应偏高,抗拉强度、屈服强度便会相应降低。
而不锈钢的特点,则往往在于这两方面的指标都同时偏高。
这样,在一定程度上就形成了不锈钢难切削加工的特性。
奥氏体不锈钢材料的主要性能主要表现在一下几个方面。
第一，塑性大，加工硬化严重，易生成积屑瘤，使得加工表面质量恶化。
第二，导热系数小，加工时产生的热量多并且不容易导出，因此切削时温度比较高。
第三，由于切削温度高，加工硬化严重加上钢中有碳化物，形成硬质夹杂物，又容易与刀具发生冷焊，造成刀具磨损快，耐用度降低。
1.2提高奥氏体不锈钢加工质量的方法
要提高不锈钢的加工性能可以从以下几个方面加以改善：
首先要选择合适的刀具材料，不锈钢中有大量的耐磨元素，所以在零件加工过程中，刀具易于磨损。
如选择常用的YG、YT系列刀具则刀具耐高温耐磨不够，易产生扩散磨损，这主要是一方面YT、YG类合金的韧性、热导率小于YW类硬质合金刀具，另一方面由于不锈钢中的Ti和YT类硬质合金刀具中的Ti产生亲合作用，切屑容易把合金中的Ti带走，促使刀具易于磨损。
所以要在刀具材料中加入强碳化物形成元素（如Ta或Nb），这些元素与碳形成的化合物高温稳定性强，不易分解，可以大大提高刀具的使用温度，防止高速切削时由高温产生的扩散磨损，从而提高刀具的耐热性和耐磨性能。
其次在加工不锈钢材料时，采取优化刀具几何角度的方法。
在加工不锈钢材料的过程中选择合适的加工几何角度，是确保加工能有效进行的一种途径，由于不锈钢材料塑性好、硬度较低，且具有加工硬化严重的特点，必须选择合理的几何角度，才能确保加工的顺利进行。
在几何角度的选择中，选择较大的前角（一般为10～25℃）和较小的负倒棱[一般取（0.3～0.8）f*（-5o）]或过渡刃，刀具比较锋利；后角选择10～12℃，后角较大，后面与工件材料的接触面积较小，可减少后刀面与加工件之间的摩擦，减少了刀具后刀面的磨损。
为了便于加工过程中的断屑，还可以将前刀面磨得比刀柄上表面低h=1～2mm（如图示）或者磨出两重前刀面，可提高切削的断屑效果，从而提高刀具的耐用度。
最后，就是在进行材料加工的过程中，要选择适当的冷却介质，在采用硬质合金刀具加工零件的过程中，一般不采用加冷却液进行润滑与冷却的方式，但在进行不锈钢加工时，由于不钢加工过程中切削抗力大，消耗功率多，导热性能差，所以切削区域和刀面上的温度快速升高，所以）要选择恰当的介质进行合理的冷却处理来改善加工性能，实际的生产中，除了采用一些常见的冷却介质外，还采用煤油和酸醋作为冷却介质。
这主要是醋酸能和不锈钢中的多种元素发生化学反应，会软化被加工零件表面，在加工过程中有利于零件的加工；也可采用煤油来改善加工性能，这主要是由于煤油对加工表面的渗透性能较强，附着在刀具表面，加工时由于刀具与工件之间的摩擦产生高温，促使这种渗透，使零件加工的工艺性能得到改善。
另外，煤油是有机烃类物质，具有水溶性冷却介质所没有的清洗功能，能清洗表面的油污，使零件加工表面的清洁效果更好。
合理选择刀具材料、几何角度和选择理想的冷却介质对于改善不锈钢的切削加工性能，提高不锈钢材料的加工效率和加工件的质量是能够实现的。
合理选择刀具参数，对提高刀具的耐用度和工件的加工质量非常重要。
1.3刀具材料的选择
切削不锈钢时由于加工硬化严重、切削力大、切削温度高和刀具易磨损的特点，所以刀具应选择热硬性和耐磨性好的材料。
用高速钢刀具切削不锈钢时宜采用高性能高速钢，特别是含钴高速钢和含铝超硬高速钢，如W6Mo5Cr4V2Al等。
用硬质合金刀具切削不锈钢时，宜选用YN10、YW1、YW2、YM10、YM052、YG8N、YG813、YG532、YA6、YH1和YT798等牌号。
其中YT798抗冲击、抗热振性能好,适宜断续切削如铣削；YM10具有极好的耐高温性能和抗粘结性能，特别适宜耐热不锈钢的精加工。
需要注意的是，在生产中不宜用YT类普通硬质合金刀具,而宜采用YG类、YW类硬质合金刀具加工不锈钢（特别是含Ti不锈钢）。
因为，一方面YT类普通硬质合金的韧性、热导率与含Ti不锈钢的粘结强度系数等都小于YG类、YW类硬质合金刀具；另一方面由于不锈钢中的Ti和YT类硬质合金中的Ti产生亲合作用，切屑容易把合金中的Ti带走，促使刀具磨损加剧。
在生产实践中，经过反复摸索，我们选择了自贡硬质合金厂生产的YG532、813及YW2三种牌号作为不锈钢加工的刀片主要牌号。
1.4对刀具几何参数的要求
加工不锈钢时，刀具切削部分的几何形状，一般应从前角、后角方面的选择来考虑。
在选择前角时，要考虑卷屑槽型、有无倒棱和刃倾角的正负角度大小等因素。
不论何种刀具，加工不锈钢时都必须采用较大的前角。
增大刀具的前角可减小切屑切离和清出过程中所遇到的阻力。
对后角选择要求不十分严格，但不宜过小，后角过小容易和工件表面产生严重摩擦，使加工表面粗糙度恶化，加速刀具磨损。
并且由于强烈摩擦，增强了不锈钢表面加工硬化的效应；刀具后角也不宜过大，后角过大，使刀具的楔角减小，降低了切削刃的强度，加速了刀具的磨损。
通常，后角应比加工普通碳钢时适当大些。
提高刀具切削部分的表面光洁度可减少切屑形成卷曲时的阻力，提高刀具的耐用度。
与加工普通碳钢相比较，加工不锈钢时应适当降低切削用量以减缓刀具磨损；同时还要选择适当的冷却润滑液，以便降低切削过程中的切削热和切削力，延长刀具的使用寿命。
2设计要求
由于奥氏体不锈钢中含有高量的铬、镍等合金元素,其塑性、韧性、高温强度和硬度、加工硬化等机械性能有很大改变，给切削加工带来了很多问题。
本课题要优化出采用YG类硬质合金刀具精车奥氏体不锈钢的的刀具几何参数。
（1）奥氏体不锈钢的机械性能和加工特性分析；
（2）通过正交试验法设计实验方案并进行试验；
（3）相关实验结果分析，优化出用YG类硬质合金刀具精车奥氏体不锈钢时的的刀具几何参数（Kr、Kr'、yo、ao、λs）。
3正交实验法
3.1正交实验法的内容与意义
我们知道如果有很多的因素变化制约着一个事件的变化，那么为了弄明白哪些因素重要，哪些不重要，什么样的因素搭配会产生极值，必须通过做实验验证（仿真也可以说是实验，只不过试验设备是计算机），如果因素很多，而且每种因素又有多种变化（专业称法是：
水平），那么实验量会非常的大，显然是不可能每一个实验都做的。
能够大幅度减少试验次数而且并不会降低试验可行度的方法就是使用正交试验法。
正交实验法就是利用排列整齐的表-正交表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析，实现通过少数的实验次数找到较好的生产条件，以达到最高生产工艺效果。
正交表能够在因素变化范围内均衡抽样，使每次试验都具有较强的代表性，由于正交表具备均衡分散的特点，保证了全面实验的某些要求，这些试验往往能够较好或更好的达到实验的目的。
正交实验设计包括两部分内容：
第一，是怎样安排实验；第二，是怎样分析实验结果。
正交实验法在西方发达国家已经得到广泛的应用，对促进经济的发展起到了很好的作用。
在我国，正交实验法的理论研究工作已有了很大的进展，在工农业生产中也正在被广泛推广和应用，使这种科学的方法能够为经济发展服务。
3.2试验方案的设计
试验方案的设计包括以下几个部分：
（1）实验目的与要求
（2）试验指标
（3）选因素，定水平
（4）因素水平确定
（5）选择合适正交表
（6）表头设计
（7）列实验方案
（8）实验结果分析
3.2.1试验目的与要求
本实验的目的是通过改变刀具的不同几何参数，使在精车奥氏体不锈钢时，可以使加工出来的工件表面质量最好。
3.2.2试验指标
对于本实验来说，确定刀具的几何参数是否合理的指标就是测量工件已加工表面的粗糙度。
3.2.3选因素，定水平
刀具切削部分的几何角度，对于不锈钢切削部分的加工生产率，刀具的耐用度，已加工表面的光洁度，加工硬化等方面都有很大的影响。
对于刀具的几何参数，我们主要考虑五个方面，即前角、后角、主偏角、副偏角以及刃倾角。
因此，我们选择因素为5个，每个因素定为4个水平。
3.2.4因素水平的确定
（1）前角的确定
由于奥氏体不锈钢的加工硬化现象严重，故应尽量采用小前角。
从切削热的产生和散热方面说，增大前角可减小切削热的产生，切削温度不致于太高，但前角过大则因刀头散热体积减小，切削温度反而升高。
减小前角可改善刀头散热条件，切削温度有可能降低，但前角过小，则切削变形严重，切削产生的热量不易散掉。
合理的前角角度应选择在10—20度。
（2）后角的选则
因不锈钢的弹性和塑性都比普通碳素钢大，所以后角过小时，其切断表面与车刀后角接触面积增大，摩擦产生的高温区集中于车刀后角，使之车刀磨损加快，被加工表面光洁度降低以至产生毛刺。
故车刀后角要比车削普通碳钢车刀的后角稍大一些，但过大时又会降低刀刃强度，直接影响车刀的耐用度。
粗加工时，对强力切削的刀具则要求切削刃口强度高，则应取较小的后角；精加工时，其刀具磨损主要发生在切削刃区和后刀面上，对于不锈钢这种易出现加工硬化的材料，其后刀面摩擦对加工表面质量及刀具磨损影响较大，合理的后角应为6—10度。
（3）主偏角的选择
主偏角的大小主要影响切削分力的比例关系如果主偏角过小，刀具的刀刃工作长度就会增加，散热性能提高，刀具受到高温的影响小，提高了耐用度，但是在车削过程中容易产生振动。
所以在车床、工件、刀具等刚性足够的情况下，可以采用较小的主偏角。
但是在加工不易切削的不锈钢时，可采用75度和60度来车削不锈钢，对于易切不锈钢可选用90度的主偏角刀具。
在本实验中，我们选择的主偏角范围是75度到90度。
（4）副偏角的选择
副偏角的作用是为了减少车刀同已加工面的磨擦。
但副偏角太大，刀尖角εr就会相应减小，因而会影响刀刃的强度和加速刀刃的磨损；减小副偏角，可以显著地减少车削后的残留面积，提高加工面的光洁度，但副偏角过小，切削面积就相应增加，容易引起切削过程中的振动。
所以，车削不锈钢工件时，为了增大刀尖角，增加车刀的强度，在不至于和工件已加工面相摩擦的情况下，尽可能采用较小的副偏角。
所以副偏角选择6度到12度。
（5）刃倾角的选择
刃倾角主要影响的是切削过程中切屑的形成和排屑的方向。
为了增强刀尖的强度，通常取的刀刃倾角取值应当根据材料的情况来确定，以提高刀尖的强度。
刃倾角用来控制切屑的排出方向。
这对不锈钢来说，也是很重要的，因为不锈钢切屑的能否顺利排出，往往直接影响加工效果。
当λs=0时，切屑基本上垂直于主切削刃方向排出；当刃倾角为+λs时，切屑流向待加工表面；当刃倾角为-λs时，切屑流向已加工表面。
所以粗车时，为增强车刀的刀尖强度和不影响加工质量，应选用负值；精车时，为使切屑不划伤已加工面，刃倾角应取正值。
因此合理的选择刃倾角的范围应该是在0度到10度之间。
因素与水平选定，列因素水平表如下表1：
表1因素水平表
水平
试验因素
前角（度）A
后角（度）B
主偏角（度）C
副偏角（度）D
刃倾角（度）E
1
10
6
75
6
0
2
13
7
80
8
3
3
16
8
85
10
6
4
19
9
90
12
9
3.2.5正交表的选择
正交表的选择是正交试验设计的首要问题。
确定了因素及其水平后，根据因素、水平及需要考察的交互作用的多少来选择合适的正交表。
正交表的选择原则是在能够安排下试验因素和交互作用的前提下，尽可能选用较小的正交表，以减少试验次数。
一般情况下，试验因素的水平数应等于正交表中的水平数；因素个数（包括交互作用）应不大于正交表的列数；各因素及交互作用的自由度之和要小于所选正交表的总自由度，以便估计试验误差。
若各因素及交互作用的自由度之和等于所选正交表总自由度，则可采用有重复正交试验来估计试验误差。
本实验是5因素4水平，因此可选择L16（45）。
3.2.6表头设计
所谓表头设计，就是把试验因素和要考察的交互作用分别安排到正交表的各列的过程。
在没有交互作用时，各因素可随机安排在各列上。
表2表头
列号
1
2
3
4
5
因素
A（前角）
B（后角）
C（主偏角）
D（副偏角）
E（刃倾角）
3.2.7列实验方案
表3正交实验表
试验号
因素
粗糙度（微米）
A（前角）
B（后角）
C（主偏角）
D（副偏角）
E（刃倾角）
1
1（10）
1（6）
1（75）
1（6）
1（0）
4.29
2
1
2（7）
2（80）
2（8）
2（3）
5.92
3
1
3（8）
3（85）
3（10）
3（6）
4.76
4
1
4（9）
4（90）
4（12）
4（9）
5.8
5
2（13）
1
2
3
4
8
6
2
2
1
4
3
9.51
7
2
3
4
1
2
6.28
8
2
4
3
2
1
4.99
9
3（16）
1
3
4
2
2.9
10
3
2
4
3
1
16.7
11
3
3
1
2
4
5.34
12
3
4
2
1
3
3.83
13
4（19）
1
4
2
3
6.44
14
4
2
3
1
4
6.32
15
4
3
2
4
1
17.28
16
4
4
1
3
2
23.84
K1
5.19
5.41
10.75
5.18
10.82
K2
7.2
9.61
8.76
5.67
9.74
K3
7.19
8.42
4.74
13.33
6.14
K4
13.47
9.62
8.81
8.87
6.41
极差R
8.28
4.21
6.01
8.15
4.68
因素主次
A>D>C>E>B
优水平
A1
B1
C3
D1
E3
3.2.8实验结果分析
各组实验所观察出的粗糙度试验数据如下表：
表4实验数据表
1
19
8
40
56
13
5
-8
24
41
0
2
88
17
26
23
9
74
-6
2
0
-9
3
52
48
84
85
93
30
31
70
74
75
4
17
58
31
45
17
-1
38
11
24
-4
5
29
2
22
6
37
-2
-24
-7
-19
10
6
86
86
95
88
90
58
56
60
52
55
7
43
44
31
3
57
25
23
9
-21
34
8
70
62
61
69
56
49
42
48
49
44
9
19
17
6
50
83
9
7
-5
38
76
10
76
93
91
74
75
10
39
28
24
20
11
71
81
51
58
92
56
58
35
40
72
12
87
80
86
50
64
72
67
72
38
52
13
33
46
64
49
84
12
24
44
27
58
14
63
73
62
81
58
40
47
42
58
41
15
43
41
68
86
71
6
4
27
44
30
16
84
83
2
95
77
1
5
-76
12
-12
根据Rz=i*（H1+H3+H5+H7+H9-H2-H4-H6-H8-H10）/5；其中i取0.29，于是Rz（i=1,2，…，16）=4.29，5.92，4.76，5.80，8.00，9.51，6.28，4.99，2.9，16.7，5.34，3.83，6.44，6.32，17.28，23.84。
根据实验数据，算出各因素的K1，K2，K3，K4的值，以及极差R的值，找到主次因素为前角>副偏角>主偏角>刃倾角>后角。
优方案为A1B1C3D1E3。
即，刀具各个参数最优组合为前角10度，后角6度，主偏角85度，副偏角6度，刃倾角6度。
4结束语
本文利用正交实验法，不仅从理论上保证优化得到的切削参数合理、正确，更从实践上证明了优化结果的可行性。
通过这种优化，使奥氏体不锈钢在加工时能够选择合理的刀具几何参数，保证了加工的工件的表面质量。
致谢
本次毕业设计的开展和论文撰写的顺利进行得益于导师的细心指导和诸位同学不遗余力的热心帮助。
首先要感谢我的导师，在设计准备阶段给我方向性的指导和大量宝贵的第一手资料；在设计攻坚阶段出现困惑时，给了我关键性的技术支持；在论文撰写时又帮我查漏补缺，改正纠错，给予我热心的帮助。
另外在做设计期间，我还得到了其他许多老师和同学的热心帮助和支持，在此向各位老师和同学表示衷心的感谢。
参考文献
[1]程明凤.氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti的机械加工探讨[J]，煤矿机械第30卷2009年3月.莱芜市高级技工学校,山东莱芜
[2]朱淑萍,等.械加工工艺及装备[M].北京:
机械工业出版社,2002
[3]吴道全,等.金属切削原理及刀具[M].重庆:
重庆大学出版社,1994
[4]李企芳,等.难加工材料的加工技术[M].北京:
科学技术出版社,1992
[5]朱桂华.锈钢材料加工性能探索[J].大众科技2008年第11期.州工程职业技术学院，江苏常州
[6]孙东升.锈钢材料的车削加工[J].科技情报开发与经济，2002（05）
[7]王臣，赵坤.不锈钢的机械加工特性和方法探讨[J].《装备制造技术》2011年第6期
[8]张素芳.2Cr13不锈钢的车削加工.机械管理开发，2002（12）
[9]岳云志.析不锈钢切削加工的特性和要求[J].龙江农业工程职业学院，2006年12月
[10]张淑玲，杨桂娟.浅谈合理的刀具角度在不锈钢加工中的作用[J].陶瓷研究与职业教育，2006年第2期（总第14期）
[11]庄景法.何提高奥氏体不锈钢的切削加工质量[J].练技法，1999年11月
[12]伽晓义.质合金车刀切削加工不锈钢的问题分析[J].科技咨询导报，2007年
[13]高永明，山本勉.质合金材料及其涂层对不锈钢加工中刀具边界磨损的影响[J].日本黛杰工业株式
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