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1、附录1 外文译文第四章 切削侧表面刀具的磨损高速干切削4.1前言许多不同类型的切削刀具都存在着不同程度的磨损，无论是在侧面、凹面或凸面。 侧面磨损技术源于平面技术在新兴边缘摩擦工作面的发展；主要原因是摩擦表面的数字显示见图4-1。它可以测量侧面磨损的宽度(VB). 对于凹面磨损来说由于存在磨粒磨损及其扩展于黏附。因此凹面磨损需测量凹陷的深度(KT)。凸面磨损与侧面磨损的原理基本相同。一般经常用到的是磨损宽度VB和凹陷深度KT(见图4-2)因为他们可以比较清楚的反映出加工工件的路径。然而,凸面则显得更难以测量。在机械工程发展的过程中侧面磨损被广泛的用于大量测量磨损的标准。图4-2显示了机械磨损的
2、结果，这表明了侧面磨损技术标志着一个新的切削时代的到来。最初的高速磨损经常发生在切削过程的开始阶段。第二个区域也是比较好的一个区域它处于一个稳定或接近稳定的磨损率，其磨损率主要取决于切削速度和切削刃。第三个区域也是最后一个区域，在这个区域里磨损率将迅速增长他将导致切削刃毁灭性的破坏。对这一现象的解释是,侧面与工作面的摩擦而导致温度的升高，从而引起连锁反应使得温度迅速升高。4.1.1碳化铁自从碳化铁被用于刀具的原材料以来它就大量的作为刀具生产的原料。这种材料的制作是通过粉末冶金技术的微粒烧结和加如金属粘合挤而成的高硬度碳化物。与高速钢相比，这种碳化铁提供了较好的硬度和在较高温度下的热化学稳定性。
3、作为金属粉末产品，这种碳化铁可以生产出不同档次的产品以应用于不同领域。这种技术可以加工各种不同几何形状的工件，当然也可以用特制的刀具夹头或较昂贵的黄铜手柄放在上面。这种化学胶结碳化物的组成通常包括碳化钨(WC)，碳化钛(TiC)和碳化钽(TaC)且用钴作为粘合挤。对于上述化学物质每个公司都有自己的混合比例。就碳化铁的机械特性来说，如可延展性和韧性取决于其中所含碳化物的等级和密度。此外,碳化铁的硬度及抗压强度在1100C时如能达到800 MPa则TiC的含量将达到12%，如要使其硬度在800 C达到1.5GPa时则合金的比例分配将是TiC19%，TaC16%和Co9.5%。图4-1 刀具的磨损图
4、4-2 切削过程中侧面的磨损状况4.2 涂层从70年代初涂层技术开始引进以来导致了硬质合金涂层生产的极大提高。此后这种涂层技术几乎应用于各种切割刀具。涂层就像一堵屏障以防止切削碎片和原料的工作表面发生相互作用。到目前为止已经开发出了各种不同类型的涂层材料，包括氮化钛（TiN）,碳化钛（TiC），三氧化二铝（AL2O3 ）和氮化锆（ZrN）。一般来说,其硬度高于200VDH并在铁的参合下溶解性极低。在机械设备中的钢和铁都存在锈蚀和脱落的问题，这些涂层能够使延长他们的使用寿命。但是涂层技术并不能应用于防止切削刀具的折断与破损。在刀具上应用涂层TiN,TiCN和A12O3显示了其具有阻碍和降低刀具表
5、面的磨损的作用。以下是常用的涂层技术：4.2.1单层涂层这种技术是将TiC以化学蒸汽的形式沉积到硬质合金表面上而提出的。然而,在使用这个过程中的缺点是硬质合金上的涂层会带走金属表面的碳。这将打破化学平衡和刀具成分的变化从而使涂层和刀具本体的分界层变的比较脆，这将使刀具在切入工件时在刀具边缘出现容易断裂的结果。4.2.2多层涂层这种类型涂层技术的提及被称为“三明治”涂层，根据涂层材料的不同而有不同的组合最多可显示多达8层以上涂层。这种“三明治”涂层技术的最后一层厚度能达到10-15微米，它远远大于进行涂层过程中的第一层涂层。但是，第一涂层将是最佳结合性能单一涂层。多层涂层技术一般由TiN/TiC
6、N/ AL2O3涂层，TiN/ AL2O3/ TiC / TiCN涂层或者它们之间的组合。另一方面，涂层中也引进了一些张力与压力的概念以提高刀具抗拒机械冲击的过程。在侧面磨损与凹面磨损之间有着不同类型的涂层。TiN涂层用于凹面的抗磨性比TiC涂层好而在侧面上用TiC涂层将比TiN涂层的抗磨性好。但是，在侧面或凹面上采用涂层AL2O3的抗磨效果几乎是相同的，就像在侧面上采用碳化物涂层及在凹面上采用氮化物涂层一样。最近报道显示，塑料在抗变形能力上将比其他材料要优越的多因而在抗磨性上有取代铝化物涂层的趋势。4.3干燥条件下机械磨损的研究关于刀具的使用寿命实验数据在第三章已加以论述，机械磨损的研究将在
7、4.4节、4.5节和4.6节加以论述。通过这几节的论述将加深对涂层技术研究的理解提供有益的启示，优化机械操作和对涂层材料及涂层技术的改进提供必要的知识。因为磨削类型的分类是根据切削速度来进行的，所以对微小磨削非传统切削速度（即HSM）的研究将是非常必要的。通过这次实验将首次对磨削寿命及高速干切削条件下的微型机械磨削进行研究。对于非传统切削速度的重要性是他能缩短生产时间、增加盈利及减少机械故障。4.4碳化铁机械磨损的实验观察干燥条件下的机械切削在这一节中将对碳化铁刀具切入4140钢时的微型机械磨削进行实验和观察。根据图4-3A显示切削刀具在达到最大磨损极限时的切削速度通常是180m/min。它显
8、示了滑移磨损出现在刀具工作表面的侧面位置，即滑移产生在工件表面和刀具切入的侧面。可以看出在侧面磨损中切入深度达到最大时的磨削深度。然而将侧面进行放大1500倍后，如图4-3B，则能看见微小的滑痕。在对钨化铁刀具进行实验时其结论也几乎是相同的。随着切削速度的增加，在切削速度达到180m/min时温度可增加到1115；从而导致硬度的急剧下降。图4-3B显示了机械磨损的微小滑痕，这在钴作为切入材料的粘合剂时得到了证实，碳的颗粒将在侧面上产生而粘在粘合剂上。因此，它的结论是在切削速度达到180m/min时，滑移和微小滑痕都将出现。图4-4A显示了在干燥条件下切入时切削速度达到150m/min的滑移磨损
9、现象。切入侧面的边缘出现了典型的相互平行的滑移磨损沟槽。它类似于碳化钨的滑痕半径30微米。（A） 切削速度在180m/min时的滑移磨损显微图（B）切削速度在180m/min时的滑痕显微图图 4-3 切速180m/min时的放大图（A）切削速度在180m/min时的滑移磨损显微图（B）切削速度在180m/min时的滑痕显微图其它类型的机械微小磨损的研究也和上述类型相似，如图4-4B所示，一条微小的滑痕在狭窄的沟槽中显示。据报道同样类型的磨损现象在陶瓷刀具中也出现过。由于将钴作为切削刀具的粘合剂则微型沟槽在切削侧表面大量的出现。因此，它的结论是在150m/min的切削速度下滑移磨损和微型机械滑痕
10、都将大量出现。由于在金属切削过程中存在多种机械磨损；包括氧化、扩散磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损。因磨损的存在则刀具的切削刃是焊接在刀柄上的。因为刀刃与刀柄之间是焊接为一体的则焊接处刀柄有一缺口以便于安放刀刃。机械磨损的效力在于刀具表面出现磨粒的硬度。因此刀具切削刃的切削能力与摩擦颗粒的硬度有关。磨损的扩散方向是由刀刃与金属碎片之间的原子引力来决定的；它将导致原子移动的两个不同方向。这种方法是通过提高温度、压力和接触时间来实现的。机械疲劳是由于刀刃的连续压缩与张力而形成的且刀刃所承受的压力高于刀刃的机械强度。另一方面,连续的降温和升温也有可能导致热疲劳。（A） 切削速度在150m/min时的滑移磨损
11、显微图（B）切削速度在150m/min时的滑痕显微图图 4-4 切速150m/min时的放大图（A）切削速度在150m/min时的滑移磨损显微图（B）切削速度在150m/min时的滑痕显微图当切削速度在120m/min时刀具侧表面与工件的接触方向一般会出现纵向平行的沟槽。如图4-5所示在刀具侧表面磨损率较底或较高的区域都将会出现沿金属碎片脱落方向而存在的暗淡脊状条痕。这表明机械磨损的微小黏附是存在的。在刀具AISI 4340的刀刃中加入铝的化合物（Al2 03 + TiC ）时也存在着类似的结果。随着切削速度下降,刀刃和切削区域的温度也随之下降。另外随工件材料脱落的切削碎片的黏性也比高速切削时
12、底，但也足够于黏附在刀具切入时的刀具侧表面。同时如另一张放大倍数更高的图4-6A所示可明显的看见刀具侧表面摩擦黏附所凸起的脊状物。这种脊状条痕也比其它相进的刀具材料所形成的脊状条痕大。随着刀具侧表面与工件本体之间的连续摩擦这种粘附在表面的金属层也会被摩擦掉。因此，一种新的机械磨损出现了即微小摩擦磨损。一些低质材料也将随着粘附金属层的移动而带走。如图4-6B所示微小摩擦的特征是在表面上出现了微小的孔穴。当切削速度达到90m/min和60m/min时则在刀具凹面将出现刃状。如图4-7A所示在刀刃上出现了新的刀刃。因为在干燥的环境下进行切削，所以一种无油润滑且洁净的高速干切削是可以利用的。这些都是理
13、想情况下在切削凹面上形成的压力熔接点称为BUE。它是在切削表面的碎片流动速率不是很高的情况下形成的。这显示了碎片流过凹面部分的流速将随碎片上层至底层逐级递减且最底层黏附在刀具凹面不动。这儿有两种类型的BUE。一种是显示在速率90和60m/min时切削材料为4140时是稳定的。这个迹象阐明了刀具在这两个切削速度的寿命最长。此外,如图3-5所示在稳定的区域加大切入长度并在高速切削时在刀刃上将不存在压力熔接点。尽管如此，压力熔接速率也和切入表面的粘性碎片移动速率相等。这就是压力熔接技术（BUE）在切速90和60m/min时稳定和连续的原因。图4-7B是压力熔接层放大1000倍的示意图，它显示了多层碎
14、片溶解层的重叠。图4-5 切速120m/min时的脊状条痕和滑移磨损显微图（A）切速120m/min时的微小黏附磨损显微图（B）切速120m/min时黏附层脱落后的微小摩擦磨损显微图图4-6 切速120m/min时的侧面区域显微图（A）切速120m/min时的微小黏附磨损显微图（B）切速120m/min时黏附层脱落后的微小摩擦磨损显微图（A） 切速90m/min时刃状的出现（B）切速90m/min时似刃状的多层碎片溶解层图 4-7 切速90m/min时的放大图（A）切速90m/min时刃状的出现（B）切速90m/min时似刃状的多层碎片溶解层附录2 外文原文CHAPTER IVTOOL WEA
15、R MECHANISMS ON THE FLANK SURFACE OF CUTTING INSERTSFOR HIGH-SPEED DRY MACHINING4.1 IntroductionOn the cutting tool many different types of wear mechanisms could take place, on either the flank surface, crater surface, or cutting tool nose 1. Flank wear takes place by forming a flat surface that develops where the edge rub the newly generated work piece surface; primarily because of the abrasive wear as shown in Figure 4-1. It can be measured by the width of the flank wear land (VB). Crater wear, on the other hand, can be developed due to abrasive wear
