PCD刀具高速铣削SiCp／Al复合材料的表面粗糙度研究

通过切削实验,研究PCD刀具铣削SiC颗粒尺寸较大、体积比含量较高的SiCp／Al复合材料时,切削速度、每齿进给量、切削深度对已加工表面粗糙度的影响,根据对实验结果分析得出切削用量对已加工表面粗糙度的影响规律．     

硬质合金涂层刀具铣削SiCp/Al复合材料刀具磨损研究

SiCp/Al复合材料因含有大量SiC硬质颗粒而使其切削加工性较差。针对该材料的高速高效加工问题,利用硬质合金涂层刀具对体积分数为20%的SiCp/Al复合材料进行面铣,通过单因素实验,研究了切削速度、进给量和轴向切削深度对刀具前刀面和后刀面的磨损过程的影响,以及刀具磨损萌生、扩展演化规律。结果表明:在硬质合金涂层刀具精加工SiCp/Al复合材料过程中,刀尖与工件表面的接触先是凸圆弧面接触,然后变成凹圆弧面接触,最后变成平面接触;刀具磨损随切削速度和轴向切深的增大而增大,而随进给量的增大而减小;硬质合金涂层刀具失效的原因主要是后刀面的耕犁磨损,后刀面最大磨损量VB_(max)超过了0.6 mm,而后刀面磨损的主要原因是磨粒磨损和涂层剥落。     

立方氮化硼等刀具加工淬硬钢的切削性能探讨

本文探讨了立方氮化硼(CBN)、陶瓷、硬质合金刀具精车55~#淬火钢(HRC45～55)时的刀具耐用度和加工表面粗糙度的变化规律.研究表明:在本文的试验条件下,陶瓷刀具比 CBN 刀具耐用度高,而用 CBN 刀具切削可以得到极佳的表面粗糙度.在一定条件下,一些刀具的耐用度随切削速度的升高而提高,对于 CBN 刀具来说,其原因是高速下磨损带上形成的保护膜减轻了刀具磨损.文章还揭示了工件材料硬度、刀具几何参数、切削用量等因素对加工表面粗糙度的影响.文章对于在无积屑瘤的切削条件下切削速度和工件硬速度对加工表面粗糙度的影响提出了新的见解.     

钛合金TC4的切削温度场分析及刀具磨损研究

在硬质合金刀具切削加工钛合金过程中,刀具磨损是限制刀具寿命的主要因素之一,而切削温度与刀具磨损、加工精度和工件加工表面的完整性密切相关。因此,研究切削过程中的切削温度变化规律及刀具磨损规律有助于提高生产率,降低生产成本。借助Deform-3D有限元软件,对硬质合金刀具切削钛合金过程中的切削温度场及刀具磨损进行了仿真分析,得出了切削速度、进给量、切削深度和刀具前角的动态变化对切削温度的影响规律以及刀具磨损量随切削温度的变化规律,此规律对切削参数的选择和刀具寿命及磨损的研究具有重要的指导作用。     

基于最小表面磨损率的铁基高温合金车削加工研究

根据最小表面磨损率理论,使用涂层硬质合金刀具对铁基高温合金GH2132进行了干式车削试验。采用单因素法优选切削参数,建立了最小表面磨损率条件下切削力、切削温度及表面粗糙度与切削用量之间的关系,借助电子扫描显微镜(SEM)对试验中产生的加工现象和刀具磨损机理进行了阐述。试验结果表明:刀具在进给量f=0.1 mm/r,切削深度ap=0.1 mm,切削速度v=90 m/min条件下切削时,刀具磨损强度最低,消耗最少,切削路程最长,加工精度最高;刀具的磨损机理前期以涂层剥落为主,后期主要表现为疲劳引起的切削刃崩刃。     

P20钢与718钢切削加工共性研究

从切削力、刀具磨损、表面粗糙度3方面进行实验研究,找出P20钢与718钢的切削共性,从而得到预硬型塑料模具钢的加工特性。结果表明,对主切削力影响较大的是切削深度和进给量;当切削速度超过80—90m／min时,表面粗糙度明显降低;与45钢相比,这类模具钢的刀具耐用度较差,且刀具主要磨损形态是磨料磨损。     

碳化硅颗粒增强ZL201合金复合材料磨损性能研究

研究了碳化硅颗粒增强ＺＬ２０１合金复合材料在干摩擦和油润滑摩擦条件下的磨损性能。结果表明：复合材料的耐磨性高于基体合金,随碳化硅含量的增加,其耐磨性逐渐增强。在油润滑条件下,载荷越大,碳化硅含量越高,复合材料的耐磨性越优于基本合金。复合材料的磨损机理是微切削磨损、表层剥落和磨粒磨损的综合作用。     

切削速度对精车AISIH13淬硬钢切削行为的影响

为了探究淬硬钢的切削加工性能,采用YW2A细晶硬质合金刀具精车淬硬AISIH13钢,光学照相仪、测力仪（YDC-Ⅲ89B）、工具显微镜(XGJ-1) 、扫描电镜(JSM5800LV)及便携式粗糙度仪（TR100）用于试验检测,分析了切削速度对切屑形成、切削力、刀具磨损及零件表面粗糙度的影响规律。结果表明,随着切削速度增大,切屑由连续性带状向C型节段演变,切削力、刀具后刀面磨损及工件表面粗糙度值均呈减小趋势;在试验切削速度范围内,前刀面以粘结磨损和氧化、扩散磨损为主,切削温度是主因,而后刀面以疲劳剥落为主,机械应力起主导影响。     

Turning Affected Layers of GH4169 with Worn Tools

车削GH4169过程中的刀具磨损与表面影响层研究

孙剑飞^1,2,3*,侯广厦¹,王天明¹,陈五一^1,2

（1.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院,北京 100191;

2.先进航空发动机协同创新中心,北京 100191;

3.北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心,北京 100191）

创新点说明：

本文创新提出切削时间范围、刀具磨损状态、表面残余拉应力水平间的映射关系,以及刀具磨损状态、表面残余应力层、表面变质层间的映射关系。一方面,通过控制刀具的切削时间范围,找到一种新的表面完整性预测与控制策略;另一方面,从工件表面完整性的角度提出一种新的刀具磨损评价方法。

研究目的：

切削加工是一个动态过程,在切削条件一定时,刀具磨损问题会引起工件表面完整性的差异,这种表面完整性的不一致性严重影响了航空发动机关键结构件的疲劳性能。本文研究旨在通过控制刀具磨损状态,实现对工件表面完整性的一致性控制,并从工件的角度实现对刀具磨损状态的评价。

研究方法：

(1) 在、、的切削参数下进行车削实验。以切削距离55mm (切削时间约7.37min)为一个切削单元,使用6个全新的涂层硬质合金车刀片分别进行1~6个切削单元下的切削实验,保留所有刀片和已加工表面以进行检测分析;

(2) 获取6个刀具的磨损状态,包括前刀面磨损、后刀面磨损,得到刀具磨损曲线、磨损率以及相邻两个切削单元间的磨损变化率;刀具形貌和后刀面磨损量VB的检测分析使用Dino-Lite AD4113T数码显微镜及其配套软件进行。

(3) 对6个刀具在各自最后一个切削单元下获得的已加工表面进行残余应力检测,得到表面残余应力沿深度方向的分布规律;残余应力的检测分析使用PRISM激光小孔电子散斑干涉残余应力分析仪及其配套软件进行。

(4) 对6个刀具在各自最后一个切削单元下获得的已加工表面进行制样与变质层检测,得到变质层形态及厚度的变化规律;变质层的检测分析使用OLYMPUS OLS4100共聚焦显微镜及其配套软件进行。

(5) 对6个刀具在各自最后一个切削单元下获得的已加工表面进行表面粗糙度检测,得到表面粗糙度的变化规律;表面粗糙度的检测分析使用TIME 3220移动式粗糙度测量仪及其配套软件进行。

研究结果：

(1) 刀具处于初期磨损的切削时间约为6min,在切削时间30min左右时发生剧烈磨损,但在45min以前磨损量增长较为稳定。根据不同切削时间下磨损量的变化率对刀具磨损范围进行划分,获得五种刀具磨损状态：S1 (0-15min);S2 (15-22min);S3 (22-30min);S4 (30-37min);S5 (37min以后)。由于初期磨损时间较短,本文将其归入S1状态下,不作单独考虑。

(2) 不同刀具磨损状态下获得的加工表面残余应力虽不尽相同,但在深度方向上整体呈现出明显的“勺”型分布趋势,轴向和周向的应力曲线基本吻合。用拉应力峰值来表征残余应力水平,发现随着刀具磨损量的增加,残余应力水平与刀具磨损量的变化率存在一致性规律。

(3) 已加工表面10以内存在加工变质层,变质层内材料沿周向产生拉伸变形。随着刀具磨损量的增加,加工表面变质层的厚度与周向表面残余应力层的厚度存在一致性规律。

(4) 表面粗糙度是评价加工表面完整性的重要指标。随着刀具磨损量的不断增加,表面粗糙度Ra略有增大但增幅较小,在S5状态下粗糙度激增,表明刀具已经不适合继续进行切削加工。刀具磨损对粗糙度指标Rz的影响更大。

结论：

本文使用涂层硬质合金刀具,在、、的切削参数下,对镍基高温合金GH4169车削过程中的刀具磨损与表面影响层状况进行了研究。主要得到以下结论：

(1) 刀具总的切削时间应控制在37min以内,在6min左右时迅速进入正常磨损阶段,在30分钟左右时进入剧烈磨损阶段。按照刀具磨损量的变化率,可分为五种刀具磨损状态：S1 (0-15min);S2 (15-22min);S3 (22-30min);S4 (30-37min);S5 (37min以后)。

(2) 加工表面影响层的性质受副后刀面处的刀尖磨损影响严重。在连续切削过程中,由于刀具磨损的存在,刀尖位置发生偏移,实际切削深度减小,已加工表面和刀具副后刀面间的接触状态发生变化。

(3) 以刀具磨损状态为纽带,形成切削时间与残余应力水平间的映射,可实现对表面残余应力的预测。0-15min：周向450MPa,轴向330MPa;15-22min：周向360MPa,轴向120MPa;22-30min：周向560MPa,轴向300MPa;30-37min：周向100MPa,轴向60MPa;37min以上：周向320MPa,轴向470MPa。当工件残余应力水平低于400MPa时,可认为对应的刀具切削状态良好。

(4) 在15-22min和30-37min的刀具切削时间范围内,能够获得表面影响层状态较为一致的已加工表面,因此该处于该时间范围内的刀具应被用于关键零件结构的加工中。在切削时间37min以后,已加工表面粗糙度剧增,此时刀具不再适合继续用于加工,需及时更换。

关键词：刀具磨损,残余应力,加工影响层,表面完整性,高温合金

     

氮铝钛表面涂层刀具技术在切削加工中的应用

采用氮铝钛(TiAlN)涂层硬质合金刀具对不锈钢、模具钢进行切削实验,并与未涂层硬质合金刀具的寿命作比较.研究了TiAlN涂层刀具与未涂层硬质合金刀具在不同的切削参数下的刀具磨损状况,利用扫描电子显微镜对磨损后的刀具表面形貌进行了分析.同时深入研究TiAlN涂层刀具的切削长度与刀具磨损量之间的定量关系.结果表明:TiAlN涂层刀具有优良的物理性能、力学性能和很高的耐磨性能,与未涂层刀具相比,大幅提高了刀具的耐用度,是切削不锈钢、模具钢等难加工材料的理想刀具材料.     

刀具磨损过程中已加工表面质量变化的研究

金属切削加工过程中,刀具必然会发生磨损,但刀具的磨损规律多种多样,磨损的原因也各不相同。只有找出不同切削刀具、在不同切削条件下刀具磨损与已加工表面质量的变化规律,才能为金属切削加工提供指导依据．并进一步实现对金属切削加工过程的有效控制。为此,笔者进行了硬质舍金薄切削铝舍金的实验,以探究硬质舍金刀具磨损过程中已加工表面质量的变化规律,以及刀刃钝圆半径的变化与刀具磨损状态之间的联系。实验研究发现,刀具磨损过程中,已加工表面粗糙度、轮廓支承长度率与刀刃钝圆半径的变化规律相似。     

基于单颗磨粒划切试验的SiCp/Al复合材料表面去除机理研究

碳化硅颗粒增强铝基（SiCp/Al）复合材料中含有不规则碳化硅颗粒使得材料内部形成大量非理想截面,为材料表面的有效去除带来困难. 为了揭示材料去除机理,进行SiCp/Al 复合材料单颗磨粒变切深划切的表面去除仿真分析和试验验证. 研究结果表明,界面破坏对表面创成有重要影响,存在铝合金基体撕裂、界面分离,碳化硅颗粒裸露、裂纹扩展、破碎脱落、压入铝合金基体、碎片滑擦材料表面等去除过程,碳化硅颗粒中部大面积破碎脱落形成凹坑,并在刀具推挤作用下对材料进行二次切削,使铝合金基体表面形成非连续裂纹. SiCp/Al复合材料中由于铝合金基体的存在,实际划切深度小于名义切削深度. 研究可以为SiCp/Al复合材料去除机理与加工研究提供一定借鉴.     

ZA22／Al_2O_3f复合材料的机械加工与表面粗糙度

通过对ＺＡ２２／Ａｌ２Ｏ３ｆ复合材料机械加工表面粗糙度的研究，得知合理选择切削参数是提高加工表面质量、降低表面粗糙度的重要手段。高的切削速度、小的进给量及小的切削深度对提高该复合材料的表面质量有益。在同一车削条件下，该复合材料表面质量优于ＺＡ２２合金及４５＃钢，且表面粗糙度随着ＺＡ２２／Ａｌ２Ｏ３ｆ短纤维体积含量的增加而降低。表明了该复合材料具有良好的加工性     

(Mg_2Si+SiC_p)/Mg复合材料的耐磨性

利用SEM等技术观察了(Mg2Si+SiCp)/Mg复合材料和纯镁的磨损表面,对比研究了几种材料在不同载荷、不同磨粒尺寸情况下的磨粒磨损行为。结果表明:复合材料中的Mg2Si和SiC增强颗粒能够起到较强的支撑作用,且不易破碎和脱落,很大程度上抑制了塑形变形的出现,抗磨损能力有了明显的提高;随着碳化硅含量的增加,磨损性能成上升趋势,且经过热挤压的复合材料要比铸态的磨损性能好;(Mg2Si+SiCp)/Mg复合材料的失效机制主要是磨粒磨损。     

带断屑槽的硬质合金刀具干车削40Cr钢的切削性能

采用带断屑槽的硬质合金刀具干车削40Cr钢,研究了此种刀具车削40Cr钢,刀具前后刀面的磨损机理,分析了切削参数(切削速度和进给量)对刀具寿命和切削温度的影响.结果表明:此种硬质合金刀具干车削40Cr钢的磨损机理为剥离磨损、粘结磨损、氧化磨损和微崩刃;随着切削速度的增加,刀具磨损率降低;低速时切削速度的增加,提高了切削温度,当切削速度大于120m/min时切削温度随之降低;进给量的增加,能够提高刀具断屑槽的利用率,减小切屑对刀具主切削刃的正压力,降低切削温度,改善进给量的增加对刀具寿命的影响.     

铣削508Ⅲ钢不同涂层对刀具切削性能影响

核电水室封头部件属于难加工零件,材料为508Ⅲ高强度钢。针对铣削加工过程中刀具切削性能差、寿命短与加工效率低等问题,首先对涂层硬质合金刀具进行切削仿真,从切削温度和应力方面,分析涂层对刀具切削性能影响;然后进行铣削508Ⅲ钢涂层刀具磨损实验,通过刀具磨损观测及前刀面形貌分析,探究涂层对刀具磨损与刀具寿命的影响;最后进行涂层性能对比实验,讨论不同类型涂层、涂层厚度和不同涂层热扩散率对硬质合金刀具铣削508Ⅲ钢切削过程影响。研究结果为铣削水室封头硬质合金刀具开发及核电零件高效加工等提供技术支持。     

高硅铝摩托车活塞切削加工性能研究

探讨了高硅铝AL—22%Si合金摩托车活塞切削加工时刀具的磨损规律和工件表面粗糙度的影响;讨论了刀具材料、切削刃几何参数和切削用量对该材料切削的影响规律。结果表明:对上述参数进行合理选择能大大改善高硅铝AL—22%Si合金的切削加工性能。     

新型铣刀铣削碳纤维复合材料毛刺抑制机理

针对碳纤维复合材料铣削时易产生毛刺等加工缺陷的问题,分析了新型铣刀抑制毛刺产生的切削机理。选用未涂层的普通立铣刀、交错刃立铣刀、菱齿型立铣刀以及金刚石涂层的菱齿型立铣刀,在相同切削条件下对碳纤维复合材料进行侧铣试验。通过对加工表面质量、刀具磨损以及刀具寿命的对比分析得出:交错刃立铣刀和菱齿型立铣刀能有效抑制工件表面毛刺的产生;由于菱齿型立铣刀参与切削的刃数比交错刃立铣刀多,抑制铣削毛刺产生的能力最好;金刚石涂层菱齿型立铣刀的使用寿命最长,其后刀面磨损缓慢,适合碳纤维复合材料的铣削加工。     

OoW冷却方式对涂层立铣刀具高速加工钛合金Ti-6Al-4V切削特性的影响

冷却方式在切削难加工材料的过程中扮演了一个非常重要的角色,例如加工钛合金.本文对一种称谓“OoW”的冷却方式在AlCrN/AlTiSiN涂层立铣刀加工钛合金Ti-6Al-4V过程中对刀具的切削特性的影响进行了研究.在不同水含量（1.5,3.0,4.5 L/h）润滑油含量（20,30,50 mL/h）和润滑剂类型（1000-20、2000-30合成酯、2000-10脂肪醇）的条件下,对刀具的磨损、切削力、切削温度、工件的表面粗糙度以及切屑形态进行了研究.实验结果表明,低水量（1.5L/h）能显著地提高刀具的切削特性.然而,润滑剂含量以及类型对刀具的切削特性影响不明显.同时,OoW冷却方式与干切、湿切、低温微量润滑3种润滑方式进行了对比.结果显示低含水量（1.5L/h） OoW冷却方式比其他3种冷却方式对刀具磨损最小、磨损率最低,同时工件的表面粗糙度也最小.这归因于OoW冷却方式融合了水的优良冷却特性和油的高润滑性.此外,冷却方式和冷却参数对切屑的形态有影响.     

数控车削中刀具磨损对加工精度的影响

在系统地分析了刀具切削刃的磨损对车外圆、锥度及成形表面尺寸精度的影响后,建立了切削刃的磨损与加工精度之关系的数学公式,确定了切削刃在特定加工中可容许的磨损量,因此,可根据工件给定的尺寸精度来确定刀具设定、补偿、修整及更换的条件和依椐.