摘   要

　　淬火钢是典型的耐磨和难加工材料，采用陶瓷刀具实施高速硬车削工艺可改变传统切削一淬硬一磨削制造工序，能有效地提高工件的疲劳强度及生产率、降低能量消耗。陶瓷刀具高速切削淬火钢的切削力、切削温度及切屑等切削过程特征信息的变化规律是衡量陶瓷刀具高速切削稳定性、提高加工效率及加工表面质量的重要依据。探明陶瓷刀具切削过程变化规律有助于选择机床、刀具、切削参数，xx切削过程的振动、优化陶瓷刀具结构及监控高速硬车削过程等。本文在实验的基础上对高速硬车削过程进行了研究，针对高速车削淬火钢Crl2的特点，建立了动态切削力数学模型及表面微观形貌数学模型。

　　采用北京清华紫光方大高技术陶瓷有限公司生产的新型复合A1203雎J瓷刀片FD22及北京科技大学研制的A1203基陶瓷刀片ST在CJKl640数控车床上对淬火钢Crl2进行了一系列高速切削实验。

　　实验结果表明径向切削力{zd0}，其次是主切削力和轴向切削力;切削力随切削深度、进给量的增大几乎呈线性增大;采用三组稳态切削试验法，建立了动态切削力数学模型;刀具主、副偏角对各切削分力的分配影响很大，因此其对切削过程稳定性的影响很大。高速硬车削的切削力随切削速度的变化和工件硬度的变化规律有别于普通的切削理论，研究其影响因素及其变化规律可为陶瓷刀具结构和刃口的制备、切削参数的选择、切削过程控制提供理论依据，对于指导生产实践有着重要的参考价值。

　　通过切屑信息研究了切削参数、刀具几何参数及工件材料对切削温度、切屑形态的影响，发现对切屑形态及切削温度影响{zd0}的是工件硬度，其次是刀尖圆弧半径，{zh1}是切削速度、进给量;通过对切削力信号的小波分解，初步证实了切屑形态及形成与动态切削力有内在联系。

　　通过对已加工表面粗糙度及表面二维微观形貌的测量，结合对切削过程各影响因素的分析得出刀具与工件之间的相对振动对表面粗糙度影响{zd0}，其次是进给量，刀尖圆弧半径，工件材料特性;依据金属切削理论及机床运动学，建立了表面微观形貌数学模型，并结合试验验证了模型的有效性。

　　关键词

　　陶瓷刀具，高速硬车削，切削力，表面微观形貌，仿真

　　1  绪 论

　　1.1课题的背景

　　机械制造业是国民经济和社会发展及国防建设的物质基础，它是国民生产总值的主要组成部分，是国家综合实力的重要标志。进入20世纪80年代后，机械制造业面临市场需求动态多变、产品更新周期缩短、品种规格增多、批量减少和可持续发展等新特点。为适应这一新形势，高效率、高质量、高柔性、绿色化和信息化己成为机械制造业发展必然的趋势。切削加工技术是机械制造业中应用最广泛的基础技术之一。各国从事切削加工的人数众多，耗资十分惊人。因此，大力提高切削加工的生产效率和质量，降低生产成本，对适应机械制造业新的发展特点，促进国民经济和社会发展及国防建设有着极其重要的意义。

　　在制造技术中，伴随着信息技术的发展，一方面是发展了以数控机床为基础的加工自动化技术;另一方面，在加工工艺和加工方法上也发展了许多新工艺、新技术，比较典型的有高速加工技术、精密和超精密加工技术、高能束加工技术(激光、水射流、离子和电子等)以及虚拟制造技术等等。制造技术的发展，大幅度地提高了劳动生产率，改善了产品质量，降低了生产成本，为社会创造了巨大的物质财富。近年来随着刀具材料的发展、机床性能的提高、测量技术、计算机技术和网络信息技术的迅猛发展，金属切削加工已进入了一个崭新的发展阶段，智能制造、数字化加工、纳米切削和虚拟加工已成为现实，切削加工效率及其精度也得到了显著提高。随着产品竞争的日益激烈，加工条件对零部件的机械和其它性能的要求越来越高，零部件构成材料也发生了一些变化，难加工材料和新型材料的高效切削加工以及伴随产生的许多传统切削加工技术难题影响着机械制造的效率和产品质量，有的甚至引起了环境污染，这些已成为工业企业界普遍关心的问题，多年来一直没有彻底解决。

　　高速硬切削是指对高硬度材料进行的高速切削加工。随着超硬刀具材料的出现及发展，各种超硬刀具材料性能逐渐提高，加工工艺不断完善，并且高速切削加工机床设备也不断进步，高速硬切削技术得以向实用化发展，并在一定程度上可取代磨削加工。硬切削领域主要涉及工模具、轴承、齿轮、机床、工程机械、汽车制造业及航空航天工业等。模具制造业的大量生产实际表明，高速硬切削技术可显著提高生产率及加工表面质量(如已加工表面形成残余压应力而且硬度略有提高)，减少后续工序，降低生产成本。深入揭示高速硬切削过程中发生的各种热、机械、物理现象的本质，及其同切削条件、材料切除率、加工表面质量、刀具寿命等之间的关系，可更充分地发挥高速硬切削技术的优势，提高切削加工的效益。20世纪70年代后期，工程技术人员和工业界对高硬材料的切削加工都产生了很大的兴趣。在这一领域，国内外对硬切削的切削机理、加工表面质量和刀具材料等进行了大量的研究，有的成果已在生产中应用多年。例如我们多年来在生产实际中用陶瓷刀具精加工20CrMnTi渗碳淬硬的直齿锥齿轮(HRC60～62)等方面获得重大经济效益。

　　淬火钢是指金属经过淬火后，组织为马氏体，硬度大于HRc50的钢，是典型的耐磨和难加工材料。它在难切削材料中占有相当大的比重，广泛应用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件或工模具，如轴承、齿轮或者轧辊，冲头等。淬火钢传统的加工方法是磨削，但磨削效率低，砂轮及磨削液消耗量大、成本高、粉尘和废液污染程度严重，很难适应产品竞争激烈和经济飞速发展的要求。而采用高速硬切削加工{zh1}成型表面，不仅提高表面质量、形状精度(不仅表面粗糙度低，而且表面光亮度高)，而且用于复杂曲面的模具加工更具优势。随着超硬刀具材料性能的提高和价格的调整，经济的精密切削加工淬火钢已成为现实。采用陶瓷和PCBN刀具直接切削硬度大于HRC50的淬火钢，可获得小于13µm的尺寸精度，Ra=0.3µm和Rz=6～16µm的表面粗糙度，从而有效的减少淬火钢的精磨工序。上世纪80年代中期以来，国内外相继开始研究加工效率较高、成本较低的“以车代磨”工艺，但淬火钢的切削加工性很差，要获得合理的刀具寿命及达到磨削工艺的同等精度仍非易事。

　　提高切削加工效率和加工精度是切削加工永恒的主题，制造业的经济性要兼顾到环境。淬火钢的以车代磨工艺是一种不采用切削液的干式切削，避免了采用切削液带来的负面影响，可有效降低能量消耗、节省机床的附加费用。因此，深入研究面向环保的高速硬切削工艺——陶瓷刀具切削淬火钢的加工机理及其相关技术符合我国政府在《中国21世纪议程》明确提出的要开发和生产“绿色产品”嘲，严格控制生产过程对环境的污染的要求，有益于推动陶瓷刀具的应用和发展，有助于提高切削效率和产品竞争能力，对推动先进制造技术和我国经济的发展起着积极的作用。

下载全文：