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Cylinder, är en cylinderformad hålighet vari en kolv löper. Kolv och cylinder förekommer främst i kolvmotorer och andra kolvmaskiner samt i manövercylindrar (hydraulcylindrar och pneumatiska cylindrar).

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概 述随着人们对环境保护意识的增强和研究的不断深入，切削液使用所带来的负面效应也越来越 明显，侵蚀地面、污染水源和空气。此外，切削液种类繁多，添加剂各式各样，使其处理难度越来越大，处理费用随着不断增加。同时切削液供应装置也使得工艺系 统变得复杂。为了消除切削液带来的负面效应，除开发新型切削液外，最有效的方法就是取消切削液，即进行干切削加工。干切削加工是理想的绿色制造工艺方法。 但干切削并不是简单地取消切削液就能实现，有意义且经济可行的干切削加工要求仔细分析特定的边界条件和掌握干切削加工的复杂因素，并为干切削工艺系统的设 计提供所需的信息数据。干切削的应用越来越广泛。目前在西欧已有近一半企业采用了干式切削加工，德国企业尤为普遍。日本的“生产设备市场”杂志选出的 １９９７年日本工厂自动化行业的国内１０大新闻中就包括“保护环境的加工技术具体化”。由此可见，干切削加工技术将成为未来加工技术的主要发展方向之一。 干切削加工由于不采用切削液，刀具工作条件更为恶劣，寿命也会缩短。因此，除选择合理的刀具材料及进行适宜的涂层外，刀具几何参数的选择与设计对干切削具 有至关重要的作用。　　二、干切削加工对刀具的要求干切削加工由于不用切削液，对刀具也就提出了更高的要求，主要表现在：１．刀具应具有优异的耐高温性能 目前的刀具材料，如高性能硬质合金、聚晶陶瓷和ＣＢＮ等有足够的耐高温磨损性能，能够在干切削条件下使用。国外的某些刀具生产厂家已开始提供用于干切削的 刀具。此外，最有效的方法就是对刀具进行涂层。涂层可阻止将热量传递到刀具基体，能保证刀具切削刃锋利，使刀头硬度不会很快下降，可大大提高其耐高温性 能。２．切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小，以减小切削力和粘结磨损干切削加工时，切削区产生的高温是刀具使用中产生化学不稳定性的主要因素。切削区产 生的高温会使刀具与切屑之间的摩擦增大，极易产生积屑瘤，加剧刀具磨损，因此，减小切屑和刀具之间的摩擦系数就显得非常重要。最有效的方法就是进行刀具表 面涂层，并辅以排屑良好的刀具结构。如大螺旋角ＴｉＡｌＮ涂层丝锥就是具有这种性能的干切削刀具。３．结构排屑要方便快捷，减小热量堆积干切削加工中，为 了保证工件加工质量和刀具具有一定的寿命，因而传入其中的热量就应尽可能地少，这样在产生相同热量的情况下，切屑必须带走更多的热量，这就要求刀具必须能 够快速排出切屑，即尽可能以最高的金属切除率进行加工，这样可使刀具和工件之间的接触时间最短，传入工件和刀具的热量就会大大减少，当然机床的布局也要适 应高温切屑并尽可能使其快速离开工作区。４．刀具材料应有更高的强度和耐冲击韧性要满足上述这些要求，一方面是选择适宜的刀具材料，常用于干切削的刀具材 料有超细晶粒硬质合金、陶瓷和金属陶瓷刀具材料、金刚石和ＣＢＮ等，也可在高速钢、硬质合金基体上进行适宜的涂层，如ＴｉＡｌＮ涂层、ＴｉＣＮ涂层、 ＴｉＡｌＮ＋ＭｏＳ２涂层、类金刚石ＤＬＣ（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）涂层等。ＣＢＮ可用于干切铸铁、过共晶铝合金、各种钢和钛合金 等。在干切削加工中，也可以选择标准几何形状的刀具进行加工，但它不能获得像加注切削液时的刀具性能。欧洲的刀具制造商已开发出了许多有利于干切削加工的 刀具几何形状，设计制造了能较好控制切屑形成和便于排屑的断屑槽几何形状，尤其是还设计出能控制积屑瘤产生和防止或减小刀具磨损的几何形状。　　三、干切 削刀具设计要点及应用　　１．干式车（铣）刀具设计要点干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中没有切削液，刀具和切屑接触区域的温度 升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角，但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，这样使刀尖和刃口会有足够 体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时减轻了冲击和月牙洼扩展对刀具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度。此 外，配合大的刀尖前角，再选择大的刀尖后角，可使刀具刃口楔角增大，减轻刀具与已加工表面之间的接触长度，有效降低后刀面的磨损和破损概率。在车削或铣削 加工中，切屑通常带走大部分热量，对于普通铣削或车削刀具，由于切屑和前刀面接触面积大，会使积聚的热量增加，产生月牙洼磨损，降低刀具寿命。而采用如图 １所示的几何形状刀片，则会大大减少刀具与切屑之间的接触面积，使切屑带走大量热量。图２所示为干切削加工（车削或铣削）和普通加工的加工过程示意图。由 图可见，当切屑流过普通刀片前刀面时，由于接触面积大，传入刀具的热量也多，从而产生月牙洼磨损，降低刀具寿命；而采用图１所示的刀片，刀具前刀面上有加 强棱，刀具与切屑的接触面积也大大减小，绝大部分热量被切屑带走，切削温度可比普通刀片降低约４００℃，同时也增大了剪切角，使刀具寿命显著提高，可允许 采用更高的切削速度，若保持普通的切削速度，则刀具寿命可提高３～４倍。对于陶瓷刀具，由于其脆性较大，因此，选用Ｔ型或双Ｔ型棱面或研磨，或几种方法的 组合。如美国Ｖａｌｅｎｉｔｅ公司推荐将０．５×３０°的Ｔ型棱面用于Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＣ刀片，干式加工淬硬钢，并尽量采用大的副偏角。根据不同刀片几何 形状，半精车时的刀具副偏角为－５°～－３０°，常用的刀片几何形状是正方形、三角形和８０°菱形。对ＣＢＮ刀具，倒棱太大，加工淬硬钢时，在刃口产生高 温，使刃口很快磨损，因此，一般不采用大倒棱，刃口可采用斜面或倒圆及负前角，尽可能大的副偏角，建议取值范围为：１５°～２５°×０．２５ｍｍ的Ｔ型倒 棱，再进行０．０１～０．０３ｍｍ的研磨。　　２．干式螺纹加工刀具设计要点图１　干铣削刀片的几何形状ａ）普通切削　　ｂ）干切削刀片切削图２　干切削 和普通切削的加工过程比较　　德国Ｅｍｕｇｅ螺纹刀具厂为减少环境污染，研制开发了ＫＯ丝维，即生态有效丝锥，它可在较广范围的材料上攻丝而无须切削 液。为了完成干式攻丝，在丝锥参数设计时必须考虑以下几方面的问题：１）丝锥几何参数要使其有低摩擦阻力，以获得尺寸准确和表面粗糙度值小的螺纹；２）丝 锥槽型设计应使切屑易于卷曲，并自由离开螺孔；３）对丝锥表面进行涂层处理，以获得理想的表面状态，保护丝锥。这种丝锥的尺寸范围有２种，即Ｍ５～Ｍ１０ 的加强柄丝锥尺寸系列和Ｍ１２～Ｍ２０的丝锥尺寸系列。干切削加工钢件螺纹的丝锥槽型通常为螺旋槽，加工通孔螺纹和盲孔时的螺旋角大小不同。如加工盲孔螺 纹时，往往采用３５°的大螺旋角；当孔深大于２倍丝锥直径时，可采用小螺旋角，通常取为５°，此时丝锥切削锥部长度为２～３牙。而干切削加工铸铁螺纹时， 无论是通孔还是盲孔，丝锥槽型均为直槽，其切削锥部长度为２～３牙。对于小直径丝锥，为了提高其强度和刚度，其槽型也可设计成特殊形状，如无槽挤压丝锥。 无槽挤压丝锥用于加工小直径螺纹或塑性较大材料上的螺纹是非常有效的。干切削加工丝锥通常均需进行涂层处理，常用的涂层有ＴｉＮ或ＴｉＣＮ。图３所示是用 无槽挤压丝锥干式挤压螺纹与有切削液切削丝锥加工Ｍ５×０．８螺纹孔数量比较。试验条件：　　工件材料：纯铝ＬＹ—２　机床：ＡＧ—３２螺纹孔形状：盲 孔，螺纹长１１ｍｍ底孔直径：４．２ｍｍ（切削），４．５ｍｍ（挤压）切削速度：１５ｍ／ｍｉｎ（切削），１０ｍ／ｍｉｎ（挤压）图４则是湿式攻丝与干式 攻丝所加工的螺纹孔数比较。由图可以看出，普通挤压丝锥加工１００个螺纹孔时，切削部分的螺纹牙型就产生粘结现象，与此相图３　干式与湿式攻丝加工比较 比，干式挤压丝锥寿命可提高８０倍。由于受试验试件数量的限制，仅作了有限次试验，但其结果反映了干式攻丝的可能性。加工条件：Ｍ６×１—ＧＴＰ通孔螺 纹，工件材料：锌钢板，螺纹长度３．２ｍｍ，底孔直径：５．５５ｍｍ，切削速度：１５ｍ／ｍｉｎ。　　除此之外，作者对在Ａ３、４５钢等薄板件（２ｍｍ 以下）上加工螺纹的工艺进行了探讨，采用了新型底孔成孔工艺，并成功地应用了干式切削及挤压螺纹工艺，采图４　湿式切削与干式切削螺纹的螺孔数比较用专门 设计和制造的底孔成形刀具和涂层挤压丝锥可使底孔和螺纹的加工同时完成，避免了原有工艺需要焊接螺母或设计制造专用模具冲孔的麻烦，一举解决了长期困扰汽 车、钣金等行业的薄板件螺纹加工工艺，并具有优异的加工效果。干切削加工刀具及其设计@刘志峰$合肥工业大学机械系!230009干切削;;刀具设计;; 加工技术;;工艺方法适宜的刀具材料和刀具几何参数是干切削加工的关键条件之一。在分析干切削加工对刀具要求的基础上，阐述了干切削刀具设计的要点，并结 合应用实例说明了刀具设计对干切削加工的重要性。度，则刀具寿命可提高３～４倍。对于陶瓷刀具，由于其脆性较大，因此，选用Ｔ型或双Ｔ型棱面或研磨，或几 种方法的组合。如美国Ｖａｌｅｎｉｔｅ公司推荐将０．５×３０°的Ｔ型棱面用于Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＣ刀片，干式加工淬硬钢，并尽量采用大的副偏角。根据不同 刀片几何形状，半精车时的刀具副偏角为－５°～－３０°，常用的刀片几何形状是正方形、三角形和８０°菱形。对ＣＢＮ刀具，倒棱太大，加工淬硬钢时，在刃 口产生高温，使刃口很快磨损，因此，一般不采用大倒棱，刃口可采用斜面或倒圆及负前角，尽可能大的副偏角，建议取值范围为：１５°～２５°×０．２５ｍｍ 的Ｔ型倒棱，再进行０．０１～０．０３ｍｍ的研磨。　　２．干式螺纹加工刀具设计要点图１　干铣削刀片的几何形状ａ）普通切削　　ｂ）干切削刀片切削图２ 　干切削和普通切削的加工过程比较　

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由 于制造机械产品零部件的某些材料具有高硬度、高强度、高塑性和高韧性、低塑性和高脆性、低导 热性或含有微观硬质点及硬夹杂物、化学性质过于活泼等特性，很难进行加工，因而称之为难加工材料。对这些难加工材料进行切削加工也称难切削加工。难切削加 工是当前切削加工技术中亟待重点突破的关键问题。为解决这一问题，除改善材料的加工性能和探索新的加工方法外，提高对难加工材料的切削加工技术水平是行之 有效的方法。从切削加工刀具的角度考虑，提高对难加工材料的切削加工技术水平有研究难加工材料的切削机理和优化切削参数、采用新的刀具材料、改进刀具结 构、提高刀具表面涂层性能等技术路径。本文针对高硬度难加工材料，从刀具表面涂层着手，用不同涂层材料的整体硬质合金立铣刀进行切削实验，比较涂层的性 能，并通过适应淬硬钢切削加工的涂层立铣刀的应用例，探索对高硬度金属材料进行高速铣削加工的方法。１适合淬硬钢铣削加工的刀具材料淬硬钢本身硬度高（＞ ５０ＨＲＣ），对切削刀具的要求极为苛刻，故常采用硬质合金、陶瓷或ＣＢＮ刀具加工。由于ＣＢＮ价格高且韧性不好，陶瓷的抗冲韧性差、抗弯强度小，对断续 切削不太适应，进给速度范围低，因而较少用于切除率大的淬硬钢铣削加工。更多的、更经济的方法是采用各种新型硬质合金材质的立铣刀。新型硬质合金有添加 钽、铌元素的ＷＣ基合金、细晶粒和超细晶粒ＷＣ基合金、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基合金、涂层和添加稀土元素的硬质合金等，其性能特点见表１。表１各类新型硬质合金 的特性添加钽、铌的基合金（ＷＣ）与不添加者比，提高常温硬度、高温强度与硬度。在Ｐ类合金中添加钽、铌，可形成Ｍ类合金；多加钽和钴的含量，则形成韧性 强的铣削牌号合金。细晶粒和超细晶粒基合金（ＷＣ）细化晶粒，可提高硬度和耐磨性；适当增加钴含量，还可提高韧性；细晶粒尺寸１～２μｍ，超细晶粒尺寸 ０．５μｍ以下。ＴｉＣ基、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基合金与ＷＣ基合金比，它以Ｎｉ－Ｍｏ为粘结剂，比重小；ＴｉＣ基合金对钢的摩擦系数小，耐磨性好；Ｔｉ（Ｃ， Ｎ）基合金性能近似于ＴｉＣ基，强度、抗塑变性能胜之。涂层硬质合金用ＣＶＤ法涂层，采用韧性好的基体，耐磨性好的表层（ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ａｌ２Ｏ３）； 与未涂层合金比，可提高切削速度和刀具使用寿命、切削力亦可降低。添加稀土元素合金与不添加者比，有效地提高了合金的韧性；耐磨性有所提高；对钢的摩擦系 数小。２涂层材料与切削性能比较２．１涂层材料特性刀具涂层技术在国际上自７０年代实用化以来，已从单层涂层、多层涂层或复合涂层进入了多元超薄复合多层 涂层的新阶段。新开发的ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ多元超薄复合涂层与ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ａｌ２Ｏ３等涂层的多层涂覆，加上新型硬质合金基体，在改善涂层的韧性、 涂层与基体的结合强度以及提高涂层的耐磨性方面取得了显著成就，实现了对淬硬钢的铣削加工。各种常用涂层的基本特性见表２。对立铣刀而言，一般认为ＴｉＮ 涂层在中、低速切削范围有良好的切削性能。再加上ＴｉＮ涂层的工艺性好、应用范围广，很早以前就开始用于立铣刀。ＴｉＣＮ涂层在高速切削范围比ＴｉＮ涂层 好，但如果切削速度进一步提高，切削性能会显著下降。ＴｉＡｌＮ涂层在超高速切削范围，切削性能随切削速度的提高而下降的速率最为缓慢。表２各种常用涂层 的基本特性涂层颜色表面硬度氧化开始温度密着强度特点ＴｉＮ金黄色２０００（ＨＶ）６００℃很好热膨胀系数和高速钢相近，与高速钢的附着力好。ＴｉＣ灰色 ３０００（ＨＶ）４００℃ 一般表面硬度虽然高，但附着力和耐热性比较低。实际应用中多与ＴｉＮ涂层一起构成复合涂层，以充分发挥耐久性好的特点。ＴｉＣＮ紫红色２７００（ＨＶ） ４５０℃好具有ＴｉＮ的密着强度好和ＴｉＣ的耐磨性好的优点，硬度比ＴｉＮ高，且摩擦系数小，对粘结性有一定的抑制作用。ＴｉＡｌＮ紫黑色２８００ （ＨＶ）８００℃很好附着力比ＴｉＮ涂层大，耐热性优，氧化开始温度高，所以适合于高速加工及高硬度钢加工。２．２切削性能比较为确认不同涂层对立铣刀切 削性能的实际影响，对无涂层、ＴｉＮ涂层、ＴｉＣＮ及ＴｉＡｌＮ复合涂层４种６ｍｍ的两刃平头形整体硬质合金立铣刀进行对比切削实验。实验中，切削机床 使用ＮＣ铣床，被切削材料采用ＪＩＳＳＫＤ１１（相当于ＧＢＣｒ１２Ｍｏ１Ｖ冷作模具钢），硬度为１８ＨＲＣ，其切削方式、切削参数和切削实验结果如表３ 所示。表３各种涂层立铣刀的切削性能由实验结果看出，用整体硬质合金立铣刀切削ＳＫＤ１１（１８ＨＲＣ）时，随涂层材料的不同，切削性能有很大差异。以无 涂层时的切削性能为１，无涂层与各种不同涂层之间的性能比为：无涂层∶ＴｉＮ涂层∶ＴｉＣＮ复合涂层∶ＴｉＡｌＮ复合涂层≈１∶２∶３∶６因而，可以认 为：硬质合金立铣刀实施涂层后，提高了立铣刀的切削性能，在上述３种涂层中ＴｉＡｌＮ复合的性能最好。３高硬度材料切削加工实验表４是采用日本ＯＳＧ公司 生产的ＦＸＳ－ＥＭＳ１０立铣刀对淬硬钢进行切削加工的实验例。该立铣刀为整体硬质合金，刀具材料采用超细晶粒硬质合金，硬度大于９２．７ＨＲＡ，抗弯 强度大于２４５０Ｎ／ｍｍ２。表面涂层采用ＦＸ涂层，即用物理气相沉积法（ＰＶＤ）涂覆的ＴｉＡｌＮ复合涂层。切削实验采用的被切削材料为 ＪＩＳＳＫＤ１１，实验时材料硬度为６０ＨＲＣ。表４用ＦＸ涂层立铣刀铣削加工淬硬钢的实验通过实验我们发现：不管是顺铣还是逆铣，在 ５０～７０ｍ／ｍｉｎ的切削速度附近，均不同程度地出现颤振，这可能是因为低速时切削力过大，机床刚性不足或切削振动接近机床固有振频所致。另一方面，从 颤振的程度上看，逆铣较高，这可能是由于逆铣时切削力垂直分力的大小和方向变化大，夹具刚性不是足够大的缘故。从刀具使用后的磨损情况看，采用顺铣方式 时，刀具的磨损量较小。４结束语通过以上实验和分析证明：（１）整体硬质合金立铣刀采用ＴｉＮ涂层、ＴｉＣＮ复合涂层或ＴｉＡｌＮ复合涂层后，刀具寿命分 别是无涂层时的２倍、３倍和６倍。（２）采用ＦＸＳ－ＥＭＳ１０立铣刀对ＨＲＣ６０的淬硬钢进行切削加工时，切削速度在１００～１８０ｍ／ｍｉｎ范围内 有良好的切削性能和较高的效率。（３）从刀具的寿命考虑，高速切削高硬度材料时采用顺铣比逆铣好。（４）在切削淬硬钢时，除需较好的刀具外，机床的刚性和 刀具的安装精度对切削性能有很大影响。硬质合金立铣刀涂层材料与切削性能实验@张祥永@李殿超@曹西京$北京理工大学机电一体化中心表面涂层，硬质合金刀 具，铣削加工，难切削加工讨论了难加工材料的切削加工问题及硬质合金立铣刀的材料与涂层技术，针对淬硬钢的铣削加工，通过切削实验，比较了硬质合金立铣刀 不同涂层材料的切削性能，探索了适合高硬度金属材料高速切削的加工方法。１于启勋，庞思勤．切削技术与刀具的最新发展．第七届全国生产工程学术大会暨现代 制造技术论文集（Ｐ９１～９８）．大连理工大学出版社，１９９５．１０２韩荣第，于启勋主编．难加工材料切削加工．北京：机械工业出版社，１９９６． １１３杨广勇，王育民编著，金属切削原理与刀具．北京：北京理工大学出版社，１９９４．０８Ｓ１０立铣刀对淬硬钢进行切削加工的实验例。该立铣刀为整体 硬质合金，刀具材料采用超细晶粒硬质合金，硬度大于９２．７ＨＲＡ，抗弯强度大于２４５０Ｎ／ｍｍ２。表面涂层采用ＦＸ涂层，即用物理气相沉积法 （ＰＶＤ）涂覆的ＴｉＡｌＮ复合涂层。切削实验采用的被切削材料为ＪＩＳＳＫＤ１１，实验时材料硬度为６０ＨＲＣ。表４用ＦＸ涂层立铣刀铣削加工淬硬钢的 实验通过实验我们发现：不管是顺铣还是逆铣，在５０～７０ｍ／ｍｉｎ的切削速度附近，均不同程度地出现颤振，这可能是因为低速时切削力过大，机床刚性不足 或切削振动接近机床固有振频所致。另一方面，从颤振的程度上看，逆铣较高，这可能是由于逆铣时切削力垂直分力的大小和方向变化大，夹具刚性不是足够大的缘 故。从刀具使用后的磨损情况看，采用顺铣方式时，刀具的磨损量较小。４结束语通过以上实验和分析证明：（１）整体硬质合金立铣刀采用ＴｉＮ涂层、ＴｉＣＮ 复合涂层或ＴｉＡｌＮ复合涂层后，刀具寿命分别是无涂层时的２倍、３倍和６倍。（２）采用ＦＸＳ－ＥＭＳ１０立铣刀对ＨＲＣ６０的淬硬钢进行切削加工 时，切削速度在１００～１８０ｍ／ｍｉｎ范围内有良好的切削性能和较高的效率。（３）从刀具的寿命考虑，高速切削高硬度材料时采用顺铣比逆铣好。（４）在 切削淬硬钢时，除需较好的刀具外，机床的刚性和刀具的安装精度对切削性能 有很大影响。

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近 年来，机械加工朝着高效、省力化方向发展。汽车齿轮、建筑机械的轴、轧辊等高硬度钢 工件的加工正试图用切削方式来取代磨削加工。目前，加工高硬度钢的刀具主要有聚晶立方氮化硼（ＣＢＮ）刀具和Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ陶瓷刀具。ＣＢＮ刀具由于 价格昂贵，难以普及；Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ陶瓷刀具则由于价格低廉而获得了广泛的应用。但陶瓷刀具在１５０ｍ／ｍｉｎ以上的速度切削时，前刀面容易产生贝壳 形片状剥落，这是亟待解决的重要课题。人们通常把Ａｌ２Ｏ３ ＴｉＣ陶瓷刀具产生剥落的原因归结为切削力和切削温度的变化，为此在刀具形状和切削条件等方面采取了一些改进措施，收到了一定的效果。但对陶瓷材料的组 织结构及ＴｉＣ含量对产生剥落的影响则尚未进行过研究。笔者用不同粒度和不同ＴｉＣ含量的Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ系陶瓷作成刀具，进行了切削性能试验。二、试 验方法以粒度０．３μｍ和０．８μｍ的Ａｌ２Ｏ３粉末及粒度０．８μｍ和１．５μｍ的ＴｉＣ粉末作原料，经４８小时湿式球磨粉碎后，配制成含有 １０～５０ｍａｓ％ＴｉＣ的各种混合粉剂（见表１）。混合粉经干燥处理后，装填在石墨模中，在Ａｒ气氛下以２０ＭＰａ的压力热压１小时，获得５０×５０× ６ｍｍ３的板状毛坯。热压温度如下：由０．３μｍ的Ａｌ２Ｏ３微细晶粒和０．８μｍ的ＴｉＣ微细晶粒组合（ＦＦ）时，热压温度为１７２３Ｋ；由０． ８μｍＡｌ２Ｏ３粗颗粒和１．５μｍＴｉＣ粗颗粒组合（ＣＣ）时，热压温度为１９７３Ｋ；由微细晶粒Ａｌ２Ｏ３和粗颗粒ＴｉＣ组合（ＦＣ）及粗颗粒 Ａｌ２Ｏ３和微细晶粒ＴｉＣ组合（ＣＦ）时，热压温度为１８７４Ｋ。通过粒度的组合并改变热压温度，可以抑制热压烧结时晶粒的长大，从而获得组织致密的 毛坯。将板状烧结毛坯切割成３×４×３５ｍｍ３的试片，分别用于金相组织的观察、抗弯强度（σｍ）、硬度（ＨＶ）及断裂韧性（ＫＩＣ）等的测定。此外，用 同样的板状毛坯制成ＩＳＯ标准的ＳＮＧＮ１２０４０８（倒棱０．１５ｍｍ ×－２５°）刀片，切削淬火合金工具钢（ＳＫＤ１１，６０ＨＲＣ），藉以分析ＴｉＣ含量、Ａｌ２Ｏ３与ＴｉＣ粒度对剥落的影响。表１Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ陶 瓷刀具毛坯成分及物理机械性能试样ＴｉＣ含量（％）粒度（μｍ）Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ硬度（ＨＶ）抗弯温度δｍ（ＭＰａ）断裂韧性ＫＩＣ（ＭＰａ·ｍ１／２） ＦＦ１０１．２１．０１９５０９０３．０２０１．０１．０２００９５０３．５３０１．０１．０２０５０１０００４．０５０１．０１．０２１０９０４． ３ＣＣ１０３．０２．０１８０８０３．２２０２．５２．０１８５０９０３．８３０２．２２．３１９５０９０４．３５０２．２２．５２０５０９０４． ６ＦＣ１０１．４１．８１８５０８５０３．２２０１．４１．８１９０９０３．８３０１．２２．０１９５０９５０４．０５０１．２２．０２０５０９０４． ５ＣＦ１０２．２１．２１９０８５０３．１２０２．２１．２１９５０９５０３．５３０１．８１．２１９５０１０００４．１５０１．８１． ２２０５０９０４．５三、试验结果图１所示为不同粒度的Ａｌ２Ｏ３３０％ＴｉＣ毛坯的金相组织，其中白色部分为ＴｉＣ，灰色部分为Ａｌ２Ｏ３。ＦＦ毛 坯的粒度最细，ＣＣ毛坯的粒图１Ａｌ２Ｏ３ ３０％ＴｉＣ陶瓷刀具毛坯的金相组织（用热磷酸腐蚀）度最粗，与ＦＦ相比，ＦＣ的Ａｌ２Ｏ３、ＣＦ的ＴｉＣ粒度稍粗，这是由于热压温度较高造成的。 表１列出了各种陶瓷成分与物理机械性能的关系。由表可知，各种毛坯的ＨＶ值均随ＴｉＣ含量的增加而提高，其中，含３０％ＴｉＣ的陶瓷材料的δｍ值最大。从 整体上看，ＦＦ毛坯的ＨＶ与δｍ值均比ＣＣ毛坯略高；ＫＩＣ值则普遍显示出随ＴｉＣ含量的增加而提高的趋势；但粒度不同所产生的差异却并不明显。图２ 所示为ＦＦ刀具在υ＝１００ｍ／ｍｉｎ条件下切削ＳＫＤ钢时，不同ＴｉＣ含量对后刀面磨损量ＶＢ和月牙洼磨损量ＫＴ的影响。Ｘ１Ｙ１、Ｘ３Ｙ３、 Ｘ５Ｙ５分别表示刀具ＴｉＣ含量为１０％、３０％、５０％的磨损情况。由图可知，ＴｉＣ含量越多的刀具，ＶＢ值越小，而ＫＴ值则越大。此外，与细粒度 ＴｉＣ陶瓷刀具相比，粗粒度ＴｉＣ陶瓷刀具的ＶＢ和ＫＴ值均较大（图略）。在一般情况下，后刀面磨损是由磨粒磨损引起的，因此可以认为，硬度越低、ＴｉＣ 含量越少的粗粒度陶瓷刀具，其ＶＢ值也越大。而月牙洼磨损主要是由粘结磨损引起的，所以那些易与被加工材料产生化学反应的ＴｉＣ含量越多的粗粒度刀具，其 ＫＴ值也越大。图２ＦＦ刀具切削ＳＫＤ１１时的磨损曲线（υ＝１００ｍ／ｍｉｎ，ｄ＝０．２ｍｍ，ｆ＝０．０５ｍｍ／ｒ，Ｔ＝２０ｍｉｎ）图３所示为各 种陶瓷刀具在υ＝１５０ｍ／ｍｉｎ的条件下切削ＳＫＤ１１时，刀具因剥落而达到使用寿命的切削时间与ＴｉＣ含量的关系。图４是刀具产生剥落的实例照片。由 图可知，粗粒度ＴｉＣ的ＣＣ、ＦＣ刀具使用寿命与ＴｉＣ含量的多少无关，在短时间内就产生剥落而使刀具达到使用寿命。但是，微细晶粒ＴｉＣ的ＦＦ、 ＣＦ刀具的寿命却长得多，尤其是含２０％～３０％ＴｉＣ微细晶粒的刀具显示出具有最佳的抗剥性能。图３陶瓷刀具寿命与ＴｉＣ含量的关系（ａ）前刀面 （ｂ）后刀面图４陶瓷刀具产生剥落时形貌图５为月牙洼磨损的照片，这是用Ａｌ２Ｏ３３０％ＴｉＣ（ＦＦ）刀具在υ＝１５０ｍ／ｍｉｎ条件下切削 ５～２０分钟，用酸腐蚀掉刃尖粘附物后拍摄的。箭头所指为前刀面产生的裂纹，这是在切削１０分钟后观察到的，随着切削时间的延长，裂纹向刀具内部扩展，剥 落即由此类裂纹不断扩展而成。四、分析与考察以上试验结果表明，在后刀面磨损ＶＢ、月牙洼磨损ＫＴ较大时，Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ陶瓷刀具容易被加工材料： ＳＫＤ１１图５陶瓷刀具月牙洼磨损状况产生剥落。下面从ＶＢ和ＫＴ两方面来分析剥落现象。首先分析后刀面磨损和产生剥落的关系。图６所示为用 Ａｌ２Ｏ３３０％ＴｉＣ陶瓷刀具加工淬硬钢时ＶＢ和切削力的关系曲线。从该曲线来看，即使ＶＢ值增大，主切削力仍无明显变化，但ＶＢ值一旦超过０． ０８ｍｍ，吃刀分力和进给分力则会急剧增大。切削初期，当尚未产生后刀面磨损时，切削力的合力与前刀面形成４２°夹角，当ＶＢ值达０．１４ｍｍ时，该夹角 由４２°变成３３°。这就表明，当ＶＢ值增大，便会产生对前刀面具有剪切作用的切削力合力，从而诱发剥落的产生。可见，ＴｉＣ含量越少且粒度越粗的刀具， 其ＶＢ值越大，也越容易产生裂纹而导致抗剥落性能下降。图６Ａｌ２Ｏ３３０％ＴｉＣ陶瓷刀具后刀面磨损与切削力的关系其次，分析月牙洼磨损与产生剥落的 关系。图７所示为月牙洼面上粘附物的状况。由图可知，ＴｉＣ含量越多的刀具，月牙洼表面粘附的切屑也越多，即当切屑擦过月牙洼表面时，强大的挤压力使部分 切屑无法移动而成为粘附物。因此，ＫＴ值越大，作用在月牙洼面的拉力也越大，（ａ）Ａｌ２Ｏ３１０％ＴｉＣ陶瓷刀具（ｂ）Ａｌ２Ｏ３３０％ＴｉＣ陶瓷 刀具（ｃ）Ａｌ２Ｏ３５０％ＴｉＣ陶瓷刀具图７Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ（ＣＣ）刀具切削ＳＫＤ１１钢２０分钟后月牙洼面上粘附物的金相组织从而越容易产生 剥落。综上所述，剥落现象的产生与ＶＢ和ＫＴ两方面的作用相关，无论ＴｉＣ含量多少均易产生剥落。试验结果充分表明，陶瓷刀具的ＴｉＣ含量以２０％ ～３０％这样的中间值为宜，ＴｉＣ的粒度则以微细晶粒最好，这种陶瓷刀具有着优异的抗剥落性能。至于定量方面的问题，尚有待进一步研究。五、结论（１）用 ＴｉＣ含量少的粗粒度Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ陶瓷刀具切削高硬度钢时，容易产生磨粒磨损，后刀面磨损量较大，作用于月牙洼面上的剪切应力也较大，因此抗剥落性 能较差。（２）用ＴｉＣ含量多的粗粒度Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ陶瓷刀具切削高硬度钢时，容易产生粘结磨损，月牙洼磨损宽度增大；当处于压缩粘附状态的粘附物移 动时，月牙洼表面因受拉力作用而导致抗剥落性能下降。（３）采用ＴｉＣ含量为２０％～３０％、ＴｉＣ粒度为微细晶粒的原料来制作Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ陶瓷刀 具，将获得优异的抗剥落性能。切削高硬度钢的 Al_2O_3-TiC 陶瓷刀具$日本新陶瓷技术研究所$日本东芝Ｔｕｎｇａｌｏｙ公司@高桥俊行@廖先富高硬度钢, 切削,陶瓷刀具采用热压方法制备了含有１０％～５０％ＴｉＣ和不同粒度的Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ陶瓷刀具，研究了刀具的切削性能。试验表明，在车削合金工具钢 时，ＴｉＣ含量为２０％～３０％的微细晶粒陶瓷刀具具有优异的抗剥落性能和最佳的切削效果。使用寿命与ＴｉＣ含量的多少无关，在短时间内就产生剥落而使刀 具达到使用寿命。但是，微细晶粒ＴｉＣ的ＦＦ、ＣＦ刀具的寿命却长得多，尤其是含２０％～３０％ＴｉＣ微细晶粒的刀具显示出具有最佳的抗剥性能。图３ 陶瓷刀具寿命与ＴｉＣ含量的关系（ａ）前刀面（ｂ）后刀面图４陶瓷刀具产生剥落时形貌图５为月牙洼磨损的照片，这是用Ａｌ２Ｏ３３０％ＴｉＣ（ＦＦ） 刀具在υ＝１５０ｍ／ｍｉｎ条件下切削５～２０分钟，用酸腐蚀掉刃尖粘附物后拍摄的。箭头所指为前刀面产生的裂纹，这是在切削１０分钟后观察到的，随着切 削时间的延长，裂纹向刀具内部扩展，剥落即由此类裂纹不断扩展而成。四、分析与考察以上试验结果表明，在后刀面磨损ＶＢ、月牙洼磨损ＫＴ较大时， Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣ陶瓷刀具容易被加工材料：ＳＫＤ１１图５陶瓷刀具月牙洼磨损状况产生剥落。下面从ＶＢ和ＫＴ两方面来分析剥落现象。首先分析后刀面磨损 和产生剥落的关系。图６所示为用Ａｌ２Ｏ３３０％ＴｉＣ陶瓷刀具加工淬硬钢时ＶＢ和切削力的关系曲线。从该曲线来看，即使ＶＢ值增大，主切削力仍无明显 变化，但ＶＢ值一旦超过０．０８ｍｍ，吃刀分力和进给分力则会急 剧增大。

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在 金属切削加工中，不利的屑形将严重影响操作安全、加工质量、刀具寿命、机床精度和生产率。因此有必要对切屑的卷曲形式和断屑方法进行深入研究，以便对切屑 形态进行有效控制。 1.切屑卷曲形式　　在塑性金属切削加工过程中，由于切屑向上卷曲和横向卷曲的程度不同，所产生的切屑形态也各不相同。为了便于分析切屑卷曲的形式，可将 切屑分为向上卷曲型、复合卷曲型和横向卷曲型三大类。在脆性金属切削加工中，容易产生粒状切屑和针状切屑，只有在高速切削、刀具前角较大、切削厚度较小 时，此类切屑的卷曲方向才与一般情况下略有差异。 　　在切削塑性金属时，如刀具刃倾角为0°，有卷屑槽且切削宽度较大，切屑大多向上卷曲。在其它情况下，切屑大都为横向卷曲。例如，在外圆车削加工中，当 进给量与背吃刀量之比较大，且刀具的前角为0°时，切屑容易横向卷曲成垫圈状（见图1）。这是因为切屑两端部分在横向上变宽，而切屑的体积不变，横向变宽 部分的厚度必然变薄，若长度不缩短，就必然产生横向卷曲；另外，若在车刀上磨有过渡刃，加上刀尖和副切削刃的作用，使得在切屑宽度方向上剪切角发生变化， 也可使切屑产生横向弯曲而呈垫圈状。 　　在通常情况下，切屑不可能仅仅向上卷曲或横向卷曲，而是在向上卷曲的同时也产生横向卷曲。长紧卷屑和螺状卷屑的形成就是切屑同时向上和横向卷曲的结果 （如图2）。 2.断屑方法 　　在塑性金属切削中，直带状切屑和缠绕形切屑是不受欢迎的；而在脆性金属切削中，又希望得到连续型切屑。通常，改变切削用量或刀具几何参数都能控制屑 形。在切削用量已定的条件下加工塑性金属时，大都采用设置断屑台和卷屑槽来控制屑形。本文主要讨论卷屑槽基本参数的计算。 图3是直线型、直线圆弧型和圆弧型三种卷屑槽的基本形式。其主要参数如下： （1）接触长度L 图3中，切屑在前刀面上的接触长度可由下式获得 L＝Kmachsin（φ＋β－γo）/sinφcosβ　　　　　　　　　　　　（1） 式中Km——切屑与前刀面接触长度修正系数，一般取1.6左右　　　ach——切屑厚度　　（2）卷屑槽半径R2 　　由断裂理论可知，塑性金属的断屑条件是 εf≥εfc　　　　　　　　　　　　　　　　　（2） 式中　εf——切屑卷曲应变　　　εfc——临界断裂应变 　　对于向上卷曲型切屑，其折断条件如图4所示。假设在切屑外表面拉长ΔL后达到断裂极限，由几何关系得 ΔL＝（R1＋y）dθ－R1dθ　　　　　　　　　　　　　　（3） 式中　ΔL——切屑断裂时断裂表面的伸长量　　　R1——切屑断裂时的卷曲半径　　　y——切屑中性层至断裂表面的法向距离　　因为弯曲应变为 ε＝Δl/l 式中　l——中性层上的切屑长度　　所以断裂应变为 εfc＝［（R1＋y）dθ－R1dθ］/R1dθ＝y/R1　　　　　　　　　（4） 　　由塑性力学知 σb＝Eεfc　　　　　　　　　　　　　　　　　（5） 　　由式（4）和式（5）可得向上卷曲型切屑折断时的卷曲半径为 R1＝Ey/σb　　　　　　　　　　　　　　　　（6）　　由于短耳状切屑与弧形切屑类似，故其理论模型可参照弧形切屑（略）。对于长耳状切屑，因其与 刀具后刀面碰撞而折断，故其理论模型如图5所示。其应变可由下式求出 εfc＝0.5ach（1/R2＋1/RL）　　　　　　　　　　　（7） 式中　ach——切屑厚度　　　R2——卷屑槽半径　　　RL——长耳状切屑断裂时的卷曲半径 　　由式（5）和式（7）可得卷屑槽半径为 R2＝1/（2σb/Each＋1/RL）　　　　　　　　　　　（8） 　　以切削45钢（调质）为例，其弹性模量E＝206GPa，强度极限σb=650GPa，测得切屑厚度为0.2mm。　　由式（6）得R1= 1.7mm，由式（8）得R2＜31.7mm。　　为了保证断屑，根据不同材料，可选取断屑系数为8～12，此时卷屑槽最大卷曲半径为 2.64～3.96mm，而由试验统计得到的卷屑槽卷曲半径为3mm左右。通过分析发现，金属经过塑性变形以后，硬度和强度大大提高，而塑性和韧性却显著 下降，这是造成理论值远远高于试验值的主要原因。因此，在设计卷屑槽时，断屑系数可选取理论值与试验值之比。卷屑槽半径最后计算公式为 R＝R1/n　　　　　　　　　　　　　　　　　（9）式中　R——卷屑槽卷曲半径　　　n——断屑系数，一般取8～12 　　（3）在中等切深情况下，一般可选取θ＝110°～120°。θ角太小会使切屑堵塞在槽中，造成打刀；θ角太大，则会使切屑卷曲半径太大，切屑因变形 小而不折断。　　（4）卷屑槽与主切削刃的倾斜方式分为外斜式、平行式和内斜式。外斜式卷屑槽容易造成切屑翻转到车刀后刀面而得到C形屑（短耳状或长耳状 切屑）；平行式卷屑槽的切屑大多是碰到工件加工表面折断；内斜式卷屑槽的切屑容易形成连续的长紧卷屑。切削中碳钢时，内斜式和外斜式卷屑槽的斜角常取8° ～10°。

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一、车削运动和工件上的加工表面

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一、刀具切削部分的结构要素

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在设计和制造刀具时，需要对不同参考系内的标注角度进行换算，也就是主剖面、法剖面、切深剖面、进给剖面之间的角度换算。

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以上所讲的是在假定运动条件和安装条件下的标注角度，如果考虑合成运动和实际按装情形，则刀具的参考系将发生变化。按照切削工作的实际情况，在刀具工作角度的参考系中所确定的角度，称为工作角度。

由 于通常的进给速度远小于主运动速度，所以在一般的安装条件下，刀具的工作角度近似地等于标注角度，这样，在大多数场合下(如普通车削、镗削、端铣、周铣) 不必考虑工作角度。只有在角度变化值较大时(如车螺纹或丝杠、铲背和钻孔时，研究钻心附近的切削条件以及刀具特殊安装时)，才需要计算工作角度。

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各种切削加工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明。如图1—21所示，车刀主切削刃上任意一点相对于工件的运动轨迹是一条空间螺旋线。当λs＝0时，主切削刃所切出的过渡表面为阿基米德螺旋面。工件每转一转，车刀沿工件轴线移动一段距离，即进给量(f，mm／r)。这时，切削刃从过渡表面Ⅱ的位置移至相邻的过渡表面Ⅰ的位置上。于是Ⅰ、Ⅱ之间的金属层转变为切屑。由车刀正在切削着的这一层金属，就叫做切削层。切削层的大小和形状直接决定了车刀切削部分所承受的负荷大小及切下切屑的形状和尺寸。当K´r= 0、λs=0时，切削层的剖面形状为一平行四边形；在特殊情况下(Kr=90°)为矩形，其底边尺寸是f，高为αp。因此，切削用量的两个要素f和αp又称为切削层的工艺尺寸。但是，不论何种切削加工，能够说明切削机理的，乃是切削层截形的力学性质所决定的真实厚度和宽度。它们的名称、定义及说明如下：

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切 削过程中，刀具直接完成切除余量和形成已加工表面的任务。刀具切削性能的优劣，取决于构成切削部分的材料、几何形状和刀具结构。由此可见刀具材料的重要 性，它对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本影响极大。因此，应当重视刀具材料的正确选择和合理使用，重视新型刀具材料的研制。

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高速钢是加入了钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素的高合金工具钢。按重量计，钨和钼占10—20％，铬约占4％，钒占1％以上，它们都是强烈的碳化物形成元素，在熔炼与热处理过程中与碳形成了高硬度的碳化物，从而提高了钢的耐磨性。另外，高速铜采用了接近熔点的淬火温度，得到细晶粒的合金化的马氏体组织，它在低温回火(约560℃)时又使合金碳化物析出，从而进一步提高了硬度与耐磨性。在高速钢中，钼和钨的作用基本相同，1％的钼可代替2％的钨。钼并能减少钢中碳化物的不均匀性，细化碳化物晶粒，提高韧性。