機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計——刀具材料分析以及新型高效刀具設(shè)計(完整版)

　　

【正文】 atise,I take the turning tool as the representative, and introducing the process and principles when we design cutting tool. Performance of the cutting tool is determined by performance of the blade we design, because the blade is a function ponent, so in this treatise I introduced blade designing , including the design of the structure and various several parameter of geometry and some references. Keywords: cutting tool, design, material 4 第一章 前言 研究背景、意義及問題的提出 在人類社會開始邁入 21 世紀的時候，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域以及制造技術(shù)為先導(dǎo)的先進制造技術(shù)（ Advanced Manufacturing Technology）正以前所未有的速度向前發(fā)展。 1 目錄 摘 要 ...................................................................... 2 ABSTRACT ................................................................... 3 第一章 前言 ................................................................ 4 、意義及問題的提出 .......................................... 4 ................................................ 4 研究手段、方式、方法 ................................................ 5 ................................................ 5 第二章 刀具材料以及刀具結(jié)構(gòu)的發(fā)展 ........................................... 7 刀具材料的新發(fā)展及實用前景 .......................................... 7 高速切削的發(fā)展 ..................................................... 10 我國金屬切削刀具的發(fā)展 ............................................. 11 第三章 硬質(zhì)合金刀具材料分析研究 ............................................ 13 的大致分類 ................................................. 13 ............................................... 13 ........................................... 14 ..................................... 16 硬質(zhì)合金刀具材料的發(fā)展思路 ................................... 21 硬質(zhì)合金刀具材料小結(jié) ......................................... 25 第四章 高速鋼刀具材料分析研究 .............................................. 26 對高速鋼材料的分析 ................................................. 26 ............................................... 29 ................................................. 29 粉末冶金高速鋼 ............................................... 30 ................................... 31 涂層高速鋼優(yōu)勢及發(fā)展 ......................................... 32 高速鋼刀具材料的發(fā)展 ............................................... 34 第五章 關(guān)于可轉(zhuǎn)位刀具的設(shè)計 ................................................ 36 ................................................... 36 ................................................... 37 刀具的結(jié)構(gòu) .................................................. 37 ............................................... 40 設(shè)計的程序 ........................................................ 41 ............................................... 42 ............................................... 48 片的選用及其定位和夾緊 ..................................... 49 第六章 總結(jié) .............................................................. 56 致謝 ...................................................................... 57 參考文獻 .................................................................. 58 畢業(yè)設(shè)計小結(jié) .............................................................. 61 2 摘 要 制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱，機械制造是發(fā)展先進 制造技術(shù)的前提和基礎(chǔ)，而金屬切削技術(shù)及刀具是機械制造的主要工藝 ,本論文主要論述金屬的切削加工性及刀具設(shè)計的一般過程和步驟。 20 世紀后半葉微電子、計算機技術(shù)、信息工程、材料工程以及生物工的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)即先進制造技術(shù)，并顯示出對社會經(jīng)濟發(fā)展的巨大推動作用。據(jù)統(tǒng)計，國外切削加工在整個制造加工中所占比例約為 80%~85%，而在國內(nèi)這一比例則高達 90%。 我國的刀具材料在過去的時間里已經(jīng)取得了長足的發(fā)展 ，在某些領(lǐng)域甚至達到了國際先進水準，可在總體發(fā)面依然落后于世界 頂尖水平。對新材料的開發(fā)不能放松，而發(fā)展和改進現(xiàn)有的有著悠久使用歷史和大量使用經(jīng)驗的刀具材料更具有現(xiàn)實意義。 高速鋼具有良好的韌性和成形性，可用于制造幾乎所有品種的刀具，如絲錐 ，麻花鉆，齒輪刀具，拉刀， 小直徑銑刀等 。制造業(yè)是產(chǎn)生環(huán)境污染的主要根源 ,而利用現(xiàn)有刀具材料的優(yōu)勢探索干切削新工藝 ,是未來金屬切削發(fā)展的趨勢之一。 [1] 賽隆陶瓷以 Si3N4 為硬質(zhì)相 , A12O3 為耐磨相 , 是氮化鋁、 氧化鋁和氮化硅的混合物 , 在 1800℃ 進行熱壓 燒結(jié)而成的一種單相陶瓷材料 , 具有很高的強度 , 抗彎強度達到 1050～ 1450MPa, 比 Al2O3 陶瓷刀具都高 , 其斷裂韌性也是幾種陶瓷刀具中最高 , 其沖擊強度遠勝于一般陶瓷刀具而接近涂層硬質(zhì)合金刀具。 m1/2，克服了 Ti( 為基體的金屬陶瓷的硬度和斷裂韌性低的缺點，使材料適合做刀具。單晶金剛石可分為天然單晶金剛石和人工合成單晶金剛石。設(shè)計和 制造單晶金剛石刀具時 , 必須正確選擇晶體方向 , 對金剛石原料必須進行晶體定向。因此 , PCD 只能用于有色金屬和非金屬的精切 , 很難達到超精密鏡面切削。新材料新工藝不斷出現(xiàn) , 要求刀具綜合性能不斷提高 , 以保證加工質(zhì)量 , 降低生產(chǎn)成本 , 提高生產(chǎn)效率。設(shè)計方面，刀具的 CAD/CAM 科研工作結(jié)合技術(shù)引進已應(yīng)用在數(shù)控刀具的開發(fā)生產(chǎn)中；可轉(zhuǎn)位刀 片斷屑槽形和模具的 CAD/CAM 技術(shù)精“八五”攻關(guān)在基礎(chǔ)理論和 實用技術(shù)兩方面均有所突破，開發(fā)了我國自己的通用槽形系列。合理選擇刀具材料是刀具制造的第一步，也是決定刀具使用性能的先決條件。 P 類相當(dāng)于我國原鎢鈦鉆類，主要成 分為 WC 十 TiC 十 Co，代號為 YT。為進一步改善硬質(zhì)合金刀具材料的綜合切削性能，目前的研究熱點主要包括以下幾個方面： （ 1） 細化晶粒 通過細化硬制相晶粒度，增大硬制相晶間表面積，增強晶粒間結(jié)合力，可使硬質(zhì)合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。等徑側(cè)向擠壓法（ＥＣＡＥ）是一種很有發(fā)展前途的晶粒細化工藝方法。 涂層硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，特別適合高速切削；由于其耐用度高，通用性好，用于小批量，多品種的柔性自動化加工時可有效減少換刀次數(shù)，提高加工效率；涂層硬質(zhì)合金刀具抗月牙洼磨損能力強，刀具刃形和槽形穩(wěn)定，斷屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工過程的自動 控制；涂層硬質(zhì)合金刀具的基體經(jīng)過鈍化，精化處理后尺寸精度較高，可滿足自動化加工對換刀定位精度的要求。 [11] 研究者采用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍 PVD 涂層工藝制備了 Ti N、 Ti Al N、 Ti N2 MoS2 和 CrTi Al N 復(fù)合涂層 ,對涂層的力學(xué)性能與切削性能比較試驗研究表明 ： 1) 納米壓入分析得到 4 種刀具涂層的納米硬度大小排序為 : CrTi Al N Ti Al N Ti N Ti N2 MoS2 ,涂層的彈性模量與硬度成正比關(guān)系 。 TiAIN 是后來發(fā)展起來的涂層材料，性能領(lǐng)先。因此 , 溶膠 凝膠法是一種值得進一步研究的有潛力的制備硬質(zhì)合金涂層刀具的方法。好的熱處理可以讓材料脫胎換骨。 （ 5）添加稀土元 素 在硬質(zhì)合金材料中添加少量釔等稀土元素，可有效提高材料的韌性和抗彎強度，耐磨性亦有所改善。解決這一問題的一種有效方法是使用晶須增韌補強技術(shù)。橋接的晶須可對基質(zhì)產(chǎn)生使裂紋閉合的力，消耗外界載荷做功，從而提高材料韌性。m，長度范圍為 ~300181。因此，在 制造 硬質(zhì)合金刀片時 應(yīng)考慮晶須取向?qū)Φ毒咔邢餍阅艿挠绊憽? （二） 納米復(fù)合強化技術(shù) （ 1）強化機理 納米技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一門新興技術(shù)當(dāng)材料的晶粒尺寸達到納米級，就會產(chǎn)生許多特異性能。當(dāng)在基質(zhì)材料中加入高彈性模量的第二相粒子（納米顆粒）后，這些粒子在基質(zhì)材料受到拉伸作用時將阻止橫向截面收縮，而要達到與基體相同的橫向收縮，就則增大縱向拉應(yīng)力，這樣就可以使材料消耗更多能量，起到增韌效果。 通常用于控制 WC晶粒長大的抑制劑 VC， Cr3C2 等，此外，添加的難溶炭化物還有 TiC,ZrC,NbC,MozC,HfC,TaC 等。上述的理論提出了通過添加納米微粒來改善硬質(zhì)合金內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)，而由此引起的燒結(jié)期晶粒快速長大又必須通過添加碳化釩等抑制劑來控制。當(dāng)切削溫度高達 600℃ 以上時，硬度仍無明顯下降，用其制造的刀具切削速度可達每分鐘 60 米以上，而得其名。碳化物的數(shù)量、類型與鋼的化學(xué)成分有關(guān)，而碳化物的顆粒度和分布則與鋼的變形量有關(guān)。 量大面廣，強度高、韌性好、性能比較 穩(wěn)定、工藝性好是高速鋼刀具材料的優(yōu)點。高速鋼刀具可用 30m/min 的速度切削鋼材， 其效率比過去用的碳素工具鋼和合金工具鋼提高了好幾倍，為美國當(dāng)時的機械工業(yè)生產(chǎn)贏得了巨大的經(jīng)濟效益。某些優(yōu)質(zhì)高速鋼滾刀由于能在較高進給速度下工作，每小時加工齒輪數(shù)可高于硬質(zhì)合金滾刀。所以對它進行研究也是非常有現(xiàn)實意義的。增加鈷含量還可改善鋼的導(dǎo)熱性，降低刀具、工件間的摩擦系數(shù)， M42 是美國在這方面的代表性鋼種，其綜合性能甚為優(yōu)越。后來 又研制出低鈷含氮高速鋼Co3N(W12Mo3Cr4Co3N)，切削性能很好，刃磨性能亦佳，但價格高于 V3N。近年，河冶和天工兩家公司大批量的生產(chǎn)各類高性能高速鋼，兩家的鋼號基本相同，為推廣應(yīng)用高性能高速鋼刀具創(chuàng)造了有利條件。高溫?zé)嵊捕纫脖热蹮捀咚黉撎岣?。中國鋼廠提供的品種較少，市場用量也很少。因此節(jié)約合金元素既有重要的戰(zhàn)略意義，又可節(jié)約鋼材成本。其形成機理是通過在廉價的金屬材料表面，滲入合金元素 W、 M。 但是，該工藝技術(shù)由于采用先滲 W、 Mo，再固溶處理，最后滲碳的多步形成表面高速鋼的方法。涂層厚度為 5～ 10181。 TiN 的硬度為 HV1800 ～ 2021 ，密度為 ，熱導(dǎo)率為(m所以硬質(zhì)涂層材料已由最初只能涂單一的 T