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1、1纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具切削实验摘要：本文研究了纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具：A20Z(c+m) 和 A15Zc 切削灰铸铁的切削性能，在改变切削深度，低速和高速两种情况下进行切削实验。目的在于探索 A20Z(c+m)和 A15Zc 两种陶瓷刀具的最适合切削深度。关键词：纳米复合陶瓷刀具；切削性能；切削深度ABSTRACT：This paper has researched the cutting performance of nano-scale ZrO2 toughening Al2O3 matrix ceramics tool materials, such as A15Zc
2、and A20Z(c+m), in machining the cast iron HT200. Under the low and high speed condition, researching the cutting performance of A15Zc and A20Z(c+m) in four cutting depth . And explored the most suitable cutting depth.Keyword: nano-composite ceramic tools, cutting performance, cutting depth21.1 实验条件车
3、床：CA6140 车床实验刀具：A20Z(c+m)和 A15Zc工具材料：HT200（57.5HRC）刀具几何角度：前角 0= -7，后角 0=5，刃倾角 0=-5， 主偏角 r=45，倒棱宽度 b1 = 0.2 ，倒棱角 01 =20，刀尖圆弧半径 =0.5。切削用量：切削速度 v=84.5m/min(低速) 和 206.5m/min(高速)，进给量f=0.1mm/r ,切削深度 p=0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm。切削方式：干切削1.2 实验结果分析图 1-1 是 A20Z(c+m)和 A15Zc 在不同切削速度、特定进给量和切削深度 p=0.1mm 情况下切削灰铸铁时的后
4、刀面磨损量与切削距离关系。从图上可以看出，当进给量、切削速度一定，切削深度给定时，A15Zc 的后刀面磨损量在每个切削距离测量点都小于或则等于 A20Z(c+m)的后刀面磨损量，说明 A15Zc刀具材料在切削铸铁时比 A20Z(c+m)有更好的耐磨性；当改变切削深度时，A15Zc 和 A20Z(c+m) 的后刀面磨损量都增大，从图 1-2 可以看出， A20Z(c+m) 随切削深度的增大，后刀面的磨损量的增大程度大于 A15Zc 的后刀面磨损量。3切削距离/m图 1-1 低速切削灰铸铁 HT200 时刀具后刀面磨损量（ v=84.5m/min）图 1-2 是 A20Z(c+m)切削灰铸铁时，切
5、削速度 v=84.5m/min，在四个切削深度下的后刀面磨损量。A20Z(c+m)后刀面磨损量随切削深度的增大而增大，切削深度 p=0.3mm、0.4mm 时，后刀面磨损量急剧增大，达到了 0.15 左右，相比 p=0.1mm、0.2mm 时磨损量增大了不少。在切削深度 p=0.3mm、0.4mm条件下，切削 672m 后磨损量开始增大的比较明显，最大达到 0.15mm，相对来说磨损量不算太大。说明 A20Z(c+m)陶瓷刀在低速下切削灰铸铁受切削深度的影响不大。后刀面磨损量 /m4图 1-2 A20Z(c+m)低速切削灰铸铁 HT200 时刀具后刀面磨损（v=84.5m/min）图 1-3
6、是 A15Zc 低速 v=84.5m/min 切削灰铸铁时，在四个切削深度下的后刀面磨损量。后刀面磨损量随着切削深度的增大急剧增大， p=0.3mm、0.4mm时的后刀面磨损量在切削 1120m 后没有明显差异。比较图 1-2 和图 1-3，可以看出，当切削速度为低速，切削深度相同时，A15Zc 后刀面磨损量比 A20Z(c+m)要小一些，说明 A15Zc 陶瓷刀适合在小的切削深度下低速切削灰铸铁，且在切削灰铸铁时，A15Zc 较 A20Z(c+m)耐磨一些。同样，A15Zc 在低速下切削灰铸铁，切削深度对后刀面的磨损量影响比较小。5图 2-4 A20Z(c+m)高速切削灰铸铁 HT200 时
7、刀具后刀面磨损（v=206.5m/min）图 2-5 是 A15Zc 在高速下切削灰铸铁时的后刀面磨损量，切削深度分别为 p=0.1mm、 0.2mm、0.3mm、0.4mm。从图中可以看出，随着切削深度的增大，后刀面的磨损量都没有明显的增大，切削深度为 0.4mm 时的后刀面磨损量只有0.21mm，对比图 2-4，可以看出，高速切削灰铸铁时，A20Z(c+m) 的后刀面磨损量比 A15Zc 要大。A15Zc 在高速切削灰铸铁时，切削深度对后刀面的磨损量比较小，可以用较大的切削深度。6图 1-5 A15Zc 高速切削灰铸铁 HT200 时刀具后刀面磨损（v=206.5m/min）1.3 刀具磨
8、损形态及磨损机理分析图 1-6（a） 、（b）、（c ）、（d）和图 1-7（a） 、（b）、（c）、（d）是 A15Zc 在切削速度 V=84.5m/min，切削深度分别为 p=0.1mm、 0.2mm、0.3mm、0.4mm，切削灰铸铁 HT200 时刀尖和前刀面的激光扫描图。从图 1-6（a ） 、（b）、（ c）、（d）可以看到，在四个切削深度条件下，A15Zc 在低切削速度 V=84.5m/min 切削灰铸铁时的刀尖处均有不同程度的前刀面磨损和少许的边界磨损。对比图 1-7（a） 、（b）、（c）、（d）前刀面的磨损形貌，可以看到四个切削深度条件下均有不同程度的材料剥落，这是由于灰铸
9、铁属于脆性材料，在切削时会产生脆性断裂。7图 1-3 A15Zc 低速切削灰铸铁 HT200 时刀具后刀面磨损（v=84.5m/min）图 1-4 是 A20Z(c+m)在高速 v=206.5m/min，切削灰铸铁，四个切削深度的后刀面磨损量。从图中可以看出，当切削深度 p=0.4mm 时，后刀面磨损量达到 0.3mm，后刀面急剧磨损。切削深度 p=0.1mm、0.2mm、0.3mm 时磨损也比较大，说明 A20Z(c+m)陶瓷刀不适合在高速下切削灰铸铁。对比图 1-2，A20Z(c+m)在高速下切削灰铸铁，当切削深度相同时，低速下的磨损量远远小于高速下的后刀面磨损量。8(a) (b)图 1-
10、6 A15Zc 低速切削灰铸铁 HT200 的磨损形貌（刀尖）(c) (d)图 1-6 A15Zc 低速切削灰铸铁 HT200 的磨损形貌（刀尖）（a） （b）图 1-7 A15Zc 低速切削灰铸铁 HT200 的前刀面磨损形貌(SEM)9（c） （d）图 1-7 A15Zc 低速切削灰铸铁 HT200 的前刀面磨损形貌(SEM)图 1-8（a）、（b）、（ c）、（d）A15Zc 在切削速度 V=206.5m/min，切削深度分别为 p=0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm，切削灰铸铁 HT200 时刀尖的激光扫描图。从图 1-8（a）、（b）、（c ）、（d）中可以看出，随着切削
11、深度的增大，刀尖处的前刀面磨损越来越大。切削深度 p=0.1mm 时，A15Zc 在切削速度 V=206.5m/min 条件下刀尖处没有出现边界磨损，切削深度分别为 p=0.2mm、 0.3mm、0.4mm，A15Zc 均有不同程度的边界磨损和前刀面磨损。（a） （b） 图 1-8 A15Zc 高速切削灰铸铁 HT200 的磨损形貌（刀尖） 10（c） （d）图 1-8A15Zc 高速切削灰铸铁 HT200 的磨损形貌（刀尖）图 1-9 （a ）、（b）、（c ）、（d）和图 1-10 （a）、（b）、（c）、（d）是 A20Z(c+m)在切削速度 V=84.5m/min，切削深度分别为 p=
12、0.1mm、 0.2mm、0.3mm、0.4mm，切削灰铸铁 HT200 时刀尖和前刀面的激光扫描图。图 1-9 （a ）是切削深度为 p=0.1mm 的刀尖磨损，出现了微崩刃。切削深度 p=0.2mm、0.3mm、0.4mm 时，刀尖处的磨损情况没多大差别。图1-10 （a）、（b）、（c）、（d）可以看到，前刀面的磨损机理为粘结磨损和磨粒磨损。切削深度 p=0.1mm 时 A20Z(c+m)的前刀面磨损机理为典型的磨粒磨损。 p=0.2mm、0.3mm、0.4mm 时前刀面有磨粒磨损和少许的粘结磨损。低速切削时，A20Z(c+m)刀具前刀面的磨损随着切削深度的增大没有太大的变化，前刀面上也
13、没有明显的磨损，说明刀具前刀面的磨损较小。（a） （b） 图 1-9 A20Z(c+m)低速切削灰铸铁 HT200 的磨损形貌（刀尖）11（c） （d）图 1-9 A20Z(c+m)低速切削灰铸铁 HT200 的磨损形貌（刀尖）（a） （b）图 1-10 A20Z(c+m)低速切削灰铸铁 HT200 的前刀面磨损形貌(SEM)（c） （d）图 1-10 A20Z(c+m)低速切削灰铸铁 HT200 的前刀面磨损形貌(SEM)12参考文献1. 刘党生. 金属切削原理与刀具. 北京：北京理工大学出版社，20092. 许 崇 海 ， 艾 兴 ， 黄 传 真 . 陶 瓷 刀 具 切 削 加 工 中 的 裂 纹 现 象 . 机 械 工 程 学 术 会 议 , 20013. 刘 杰 华 ， 任 召 蓉 . 金 属 切 削 与 刀 具 实 用 技 术 . 北 京 ： 国 防 工 业 出 版 社 ， 20064. 艾 兴 等 . 高 速 切 削 加 工 技 术 . 北 京 ： 国 防 工 业 出 版 社 ， 20035. 钟 金 豹 . 纳 米 氧 化 锆 增 韧 氧 化 铝 基 陶 瓷 刀 具 及 切 削 性 能 研 究 . 山 东 大 学 硕 士 论 文 ，2007
