高速加工技术论文氧化铝陶瓷刀具的研究与应用院系：燕山大学机械工程学院班级：11硕研机制系组长：明组员：指导老师：时间：2011年12月01日氧化铝陶瓷刀具的研究与应用摘要:作为先进制造技术,高速切削技术能大幅度地提高加工品质和加工效率,并能降低加工成本。
高速切削已经成为切削加工的主要发展方向。
为真正实现切削加工的高速化，不仅要研究开发与高速切削相适应的材料，还要不断改进刀具结构，并对刀具的动平衡和可靠性进行分析。
目前，国际上现已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基(Al2O3) 和氮化硅基( Si3N4) 两大系列。
陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温性能，与金属的亲合力小，并且化学稳定性好。
因此，陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现以车代磨。
关键词：高速加工、氧化铝陶瓷刀具、高硬度、高耐磨性、抗高温1、陶瓷刀具的材料及选择陶瓷材料比硬质合金更适合于高速切削，陶瓷材料与金属亲合力小，热扩散磨损就很小。
另外，陶瓷的高温硬度优于硬质合金，在1200 ℃~1400℃时仍能达到HRA80，相当于硬质合金400℃以下的硬度。
氧化铝陶瓷硬度高、耐磨性好，但韧性不足，抗热振能力差，易于发生刃口早期破损。
通过加入ZrO2形成的相变增韧复合陶瓷Al2O3一ZrO2，和由具有高横向断裂强度的SiC晶须组成的晶须强化陶瓷Al2O3一SiC以及Al2O3一SiC+金属等Al2O3基陶瓷断裂韧性和强度有较大的提高，强了耐冲击和断续切削的能力，如Al2O3一ZrO2，能以1000m/mi的切削速度铣削硬度小于HRC38的钢件和HB300的铸铁件。
氮化硅(Si3N4)陶瓷具有较高的强度、韧性和抗热振能力，刀具耐用度显著提高，尤其提高了断续切削的可靠性。
通过在Si3N4基体添加YO、Al2O3和TiC(N)等形成的氮化硅系陶瓷，具有良好的烧结工艺性并能保持优良的切削性能。
近期开发的XE10是一种高强韧性的纤维状的高纯度高密度Si3N4陶瓷, 断裂韧性达7.0MPa²M1\2，热传导率比其它陶瓷高,2倍，抗热冲击性强，在铸铁的有冷却液高速断续切削中获得较高的刀具寿命。
2、陶瓷刀具的结构设计2.1、合理的刀具几何参数刀具合理的几何参数是指粗加工或半精加工时能保证刀具具有较高的生产率和刀具耐用度，精加工时在具有较高的刀具耐用度的基础上保证加工出符合预定尺寸精度和表面质量的工件的刀具几何参数。
目前陶瓷刀具的一些新品种在强度和韧性方面有了较大的提高，但毕竟是脆性材料，抗弯强度较低而抗压强度高。
为了充分发挥它的长处，应尽力使陶瓷刀具切削时工作在压应力区，并尽量减少振动，利于提高工艺系统的刚性，从实验得知：当前角 取- 6°~ - 8°，后角α0取5°~ l2°，主偏角K r取45°，刃倾角λs取0 ~ - l0°，圆角半径γε取0. 6 ~ 0. 9mm，b r取0. 4 ~ 0. 6mm时，陶瓷刀具的切削性能较为理想。
2.2、合理的切削用量陶瓷刀具具有良好的耐磨性与耐热性，故切削用量对刀具的磨损的影响比硬质合金刀具小。
因此切削时应根据被加工材料的性质，在机床的功率、工艺系统的刚性等条件允许的前提下尽量选用较大的背吃刀量和切削速度进行高速切削，在高速切削时往往能获得良好的切屑形状。
如在高速切削淬硬钢时，可能形成酥化的易于碎断的假带状切屑，从而使切屑易于清理，且一定范围内的高速切削，切削温度的升高能改变工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韧性而减少其破损。
如果切削速度过低，不仅不利于发挥陶瓷刀具的优越性，而且容易发生崩刀。
由于进给量对刀具破损的影响最为敏感，所以开始切削时的进给量先取小些，通过试切逐渐增加，一直到刀具不出现破损。
车削普通钢和铸铁，进给量可以取0. l0 ~ 0. 75mm / r，精加工取0. 05 ~ 0. 25mm / r，铣端面时，每齿进给量a f= 0. l ~ 0. 3mm / Z。
加工淬硬钢，随着硬度不同而选取不同的进给量，一般车削取0. l ~ 0. 3mm / r，铣端面取每齿进给量a f= 0. 05 ~ 0. l5mm / Z。
2.3、刃形结构切削刃边界的缺口破损和刀尖处的热磨损是高速切削刀具的另一特征。
因此，设计应使主、副刀刃在刀尖处逐渐过渡，增大刀尖角，刀尖采用圆弧或多个直线刃过渡，加大刀尖区切削刃的长度和刀具材料的体积。
而在刃形设计时应使边界处的切削厚度逐渐减薄，以减缓边界处的应力梯度和温度梯度。
高速切削刀具的切削部分应短一些，以提高刀具的刚性和减小刀刃破损的概率。
如陶瓷铣刀的切削部分就较短，钻头副刃的倒锥就比较大。
3、陶瓷刀具的动平衡分析高速切削刀具系统的动平衡非常重要。
一般来说,对于小型刀具，平衡修正量只有百分之几克；对于紧密型刀具,采用静平衡即可,而对于悬伸长度较大的刀具则必须进行动平衡。
因为高速切削时,由于主轴转速很高，如果加工系统中有不平衡质量存在，会引起非常大的惯性离心力，它会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂,除造成废品外，对操作者和机床都会带来危险。
因此高速切削刀具体必须满足动平衡要求，刀片应开有与刀具体定位的键槽,并辅以上压式夹紧或由螺钉紧固,应对刀具、夹头、主轴各元件单独进行动平衡,然后还要对刀具与夹头组件进行动平衡，最后还应对刀具连同主轴一起进行动平衡。
平衡方法有两种：1) 在刀柄轴上靠手工旋转一个本身不平衡的可调环套，可以在一定范围内调节不平衡量；2) 是在刀柄的径向安装可调螺钉，通过调节螺钉离中心线的远近来调节平衡。
动平衡是在动平衡机上完成的，可以在动平衡机上得到不平衡的位置和不平衡量的大小，可以预测调节后是否在许可的不平衡量范围内。
4、陶瓷刀具的可靠性的研究与分析4.1、刀具可靠性的理论模型在正常连续切削条件下, 陶瓷刀具的损坏以磨损为主。
由于受到刀具材料、工件材料以及切削过程中其它因素的影响, 即使规定了相同的磨钝标准, 刀具的磨损寿命也不同, 而是具有一定的随机性。
综合考虑刀具的磨损过程, 并基于马尔可夫随机过程理论可知: 任意时刻的刀具磨损量W 均服从对数正态分布。
因此, 任意时刻刀具磨损量的概率密度函数可以写为式中, μw 和σw 分别为刀具磨损量的对数均值和对数均方差, 下标W 表明是刀具磨损量的分布参数。
由式( 1) 求得任意磨损量下刀具寿命T 的分布函数, 并记为式中a 和b 均为常数, 则刀具寿命T 的概率分布函数可表示为式( 4) 表明陶瓷刀具磨损寿命服从对数正态分布规律。
4.2、刀具磨损寿命的随机性4.2.1、 试验条件机床: C620-1 无级调速车床工件: 45#钢( HRC30～35)刀具: LD-1 陶瓷刀具γ = - 5°, α= 5°,s λ = - 5°,Kr= 45°干切削, 负倒棱0.2³( - 20°), r ∈= 0.4mm切削用量: V1= 2m/ s, V2= 2.5m/ s, V3=3m/ s, f = o.15mm/ r, ap= 1mm4.2.2、试验结果与分析在切削用量一定的条件下, 选择不同的磨钝标准, 可以得到不同的刀具磨损寿命分布曲线。
图1 为LD-1 陶瓷刀具在v1= 2m/ s 、磨钝标准VB 分别为0. 1mm 、0. 2mm 和0. 3mm 时的磨损寿命分布曲线( 以切削路程表示刀具的磨损寿命) 。
可见, 在本试验条件下, 该陶瓷刀具的磨损寿命很好地服从对数正态分布, K-S 分布拟合检验的结果也证明了这一点。
利用线性回归分析的方法, 可得其分布函数分别为刀具变异系数定义为式中E( T) ——样本刀具寿命的均值D( T ) ——样本刀具寿命的方差计算得其磨损寿命变异系数CS 分别为0. 155 , 0. 119 和0. 136 。
不难看出, 当VB =0. 2mm 和V B = 0. 3mm 时拟合效果较好, 而当VB = 0. 1mm 时拟合效果较差。
这是因为刀具磨损寿命服从对数正态分布的结论是假定在正常磨损阶段, 刀具磨损量与切削时间呈线性关系的情况下得到的。
图2 分别为V2= 2. 5m/s, V3= 3ms/ s 时LD-1 刀具的磨损寿命分布。
与图1 对比可见, 在不同切削速度下, 刀具磨损寿命仍很好地服从对数正态分布。
由此可以证实: 不仅对于硬质合金刀具, 而且对于陶瓷刀具, 其磨损寿命也服从对数正态分布, 而与刀具的使用条件基本无关。
这表明: 陶瓷刀具寿命分布形式取决于其损坏机理。
但由两图还可以看出, 对数正态分布的分布参数与刀具使用条件密切相关, 使用条件不同, 刀具寿命在对数正态概率纸上拟合直线的斜率及截距各不相同，即分布参数不同。
图1 LD-1 刀具磨损寿命的对数正态分布图2 不同速度下刀具磨损寿命的对数正态分布4.3、刀具可靠性分析与评价既然氧化铝基陶瓷刀具材料的各项主要力学性能指标均服从三参数对数正态分布, 说明该类刀具材料力学性能的随机性具有共性。
同样, 可以进一步推论该类刀具材料磨损寿命的随机分布亦具有共性。
于是, 根据以LD-1 刀具为例进行的研究, 可以推论: 氧化铝基陶瓷刀具的磨损寿命均服从不同参数的对数正态分布。
因此, 基于磨损的陶瓷刀具切削可靠性的分析就可以此为基础进行。
当刀具的损坏形式以磨损为主时, 刀具可靠度实际上就是基于磨损的刀具可靠度, 即式中, 下标W 表示刀具的磨损。
由式( 4) 可得当分布参数已知时, 就可以根据此式预测Al2O3 基陶瓷刀具基于磨损的切削可靠性的大小此外, 还可以针对某一具体的切削过程, 实现对其切削可靠性的评价。
对于LD-1 陶瓷刀具, 在图1 的试验条件下基于磨损的刀具可靠度分别为由此可见, 对于给定的陶瓷刀具, 在某一具体的切削条件下, 由计算可得到对应于某一规定可靠度R 的刀具可靠寿命TR , 或者给出工作时间T 0 后的可靠度, 以作为实际生产特别是自动线上决定刀具换刀策略的依据, 因而具有重要的实际应用价值。
此外, 由LD-1 刀具磨损寿命试验结果的分析还可以发现, 在图1 的试验条件下, 虽然刀具磨钝标准VB 不同, 但是刀具磨损寿命变异系数CS 的值( 在三种条件下分别为0. 155,0. 119 和0. 136) 相差不大, 只是在CS= 0. 137附近有微小的波动( 波动范围为±13%) , 而在不同切削速度下的CS 值也只有0. 127 和0. 142。
由此可见, 对于一种给定的陶瓷刀具材料, 其磨损寿命变异系数几乎为一定值, 受切削条件的影响不明显。
因此, 可以采用刀具磨损寿命变异系数CS 来评价基于磨损的氧化铝基陶瓷刀具的切削可靠性。