刀具磨损知识

切削加工时，刀具一方面切下切屑，另一方面本身也要发生磨损或局部破损。刀具磨损后，可明显地发现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，工艺系统产生振动，加工表面粗糙度值增大，加工精度降低。因此，刀具磨损到一定程度后，必须进行重廓或更换新刀。刀具磨损和耐用度直接关系到切削加工的效率、质量和成本，是切削加工中十分重要的问题之一。刀具磨损主要决定于刀具材料及工件材料的物理机械性能和切削条件。各种条件下刀具磨损有不同的特点。掌握这些特点，才能合理地选择刀具及切削条件，提高切削效率，保证加工质量。第六章刀具磨损和刀具耐用度一、刀具磨损正常磨损：（逐渐）非正常磨损（突然）随时间增加磨损扩大。破损1、刀具磨损的形式3.前刀面和后刀面同时磨损切塑性材料时,刀具正常磨损的形态：1.前刀面磨损(月牙洼磨损)KT切塑性材料时,2.后刀面磨损VB切脆性材料时,二.刀具磨损的形态磨损是连续的、逐渐的。刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。低温区以机械磨损为主，高温区以热、化学磨损为主。磨损的形态：1)前刀面磨损2)后刀面磨损3)边界磨损1.前刀面磨损月牙洼磨损的形成过程：切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，由于切屑与前刀面完全是新鲜表面相互接触和摩擦，化学活性很高，反应很强烈，接触面又有很高的压力和温度，接触面积中有80%以上是实际接触，空气或切削液渗入比较困难，因此在前刀面上形成月牙洼磨损。使刀刃强度降低，易导致刀刃破损。切削温度最高的地方2.后刀面磨损切削时，工件的新鲜加工表面与刀具后刀面接触，相互摩擦，引起后刀面磨损。后刀面虽然有后角，但由于切削刃不是理想的锋利，而有一定的钝圆，后刀面与工件表面的接触压力很大，存在着弹性和塑性变形;因此，后刀面与工件实际上是小面积接触，磨损就发生在这个接触面上。切削铸铁和以较小的切削厚度切削塑性材料时，主要发生这种磨损，后刀面磨损带往往不均匀。3.边界磨损切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外表皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹。此两处分别是在主、副切削刃与工件待加工或已加工表面接触的地方。三、刀具磨损的原因切削过程中刀具的磨损与一般机械零件的磨损有显著的不同：刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面；前、后刀面上的接触压力很大，有时超过被切材料的屈服强度；接触面的温度也很高，如硬质合金加工钢料时可达800～l00O℃。因此，刀具磨损是机械的、热的和化学的三种作用的综合结果。切削时，切屑、工件材料中含有的一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等，可在刀具表面刻划出沟纹，这就是硬质点磨损。硬质点磨损在各种切削速度下都存在，但它是低速刀具(如拉刀、板牙等)磨损的主要原因。因为此时切削温度较低，其他形式的磨损还不显著。高速钢及工具钢刀具的硬质点磨损比较显著；硬质合金刀具硬度高，发生这种磨损较少。1．硬质点磨损磨料（粒）磨损切削时切屑、工件与前、后刀面之间，存在着很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。由于摩擦面之间的相对运动，冷焊结破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。一般说来，工件材料或切屑的硬度低，冷焊结的破裂往往发生在工件或切屑这一方。但由于交变应力、热应力以及刀具表层结构缺陷等原因，冷焊结的破裂也可能发生在刀具这一方，刀具表面上的微粒逐渐被切屑或工件粘走，从而造成刀具的粘结磨损。2．粘结磨损高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具都可能因粘结而发生磨损。硬质合金刀具虽有较高的硬度，但在中等偏低的切削速度下切削塑性金属时，粘结磨损比较严重。高速钢刀具有较高的抗剪和抗拉强度，抗粘结磨损能力强，粘结磨损较慢。晶粒越小，粘结磨损越慢温度越小，粘结磨损越慢YT类粘结磨损小于YG类磨损在切削高温下，刀具表面与切出的工件、切屑新鲜表面接触，刀具和工件、切屑双方的化学元素互相扩散到对方去，改变了原来材料的成分与结构，削弱了刀具材料的性能，加速磨损过程。3．扩散磨损例如用硬质合金刀具切钢时，从800C开始，硬质合金中的钴便迅速地扩散到切屑、工件中去，碳化钨分解为钨和碳后扩散到钢中；而切屑中的铁会向硬质合金中扩散，形成低硬度、高脆性的复合碳化物。由于钴的扩散，降低了硬质相碳化钨、碳化钛的粘结强度。所有这些，都使刀具磨损加剧。此外，随着切削速度(温度)的提高，元素的扩散速率增加，扩散磨损程度加剧。扩散磨损的快慢和程度与刀具材料中化学元素的扩散速率关系密切。如硬质合金中，钛元素的扩散速率远低于钴、钨，故YT类合金的抗扩散磨损能力优于YG类合金；YN类合金和涂层合金则更佳，硬质合金中添加钽、铌后形成固溶体，更不易扩散，故具有良好的抗扩散磨损性能。1.高速钢的扩散磨损一般用于中低速切削，切削温度较低，扩散磨损很轻，随着切削速度的提高，在扩散磨损还没有起主导作用之前，可能就因塑性变形而使刀具损坏2.硬质合金的扩散磨损一般用于高速切削，切削温度高，Fe，Co扩散明显，所以是该类刀具的主要磨损原因之一。TiC抗扩散能力强，所以多用YT类或涂层TiC。3.金刚石的扩散切削纯铁或低C钢时，扩散明显，所以不适合切钢铁4.CBN的扩散与钢铁不反应，但与TI合金，扩散明显，所以不能切钛合金材料。与铁相互扩散强度从大到小：金刚石碳化硅CBN氧化铝与钛合金相互扩散强度从小到大：金刚石碳化硅CBN氧化铝扩散磨损在一定温度下，刀具材料与某些周围介质(如空气中的氧、切削液中的极压添加剂硫、氯等)起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，如四氧化三钴、一氧化钴、三氧化钨和二氧化钛等，被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为化学磨损。一般，空气不易进入刀屑接触区，化学磨损中因氧化而引起的磨损最容易在主、副切削刃的工作边界处形成，从而产生较深的磨损沟纹。4．化学磨损氧化磨损当刀削温度达700～800℃时，空气中的氧便与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物(如Co3O4、CoO、WO3、TiO2等)被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。氧化磨损与氧化膜的粘附强度有关，粘附强度越低，则磨损越快；反之则可减轻这种磨损。一般，空气不易进入刀屑接触区，氧化磨损最容易在主副刀削刃的工作边界处形成。热电磨损工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。这种在热电势的作用下产生的扩散磨损，称为“热电磨损”。试验证明，若在工件、刀具接触处通以与热电势相反的电动势，可减少热电磨损。由图可见：在低速(低温)区以硬质点磨损和粘结磨损为主；在高速(高温)区以扩散和化学磨损为主。此外，在某一切削速度下，刀具的磨损强度最低。总之，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损原因和磨损强度是不同的。如图所示为硬质合金刀具加工钢料时，在不同的切削速度(切削温度)下各类磨损所占的比重。各种材料在切削钢铁时的主要磨损形式高速刚：硬质点，粘结硬质合金：粘结，扩散陶瓷刀具：机械，粘结CBN：扩散很小金刚石：扩散很大四、刀具磨损过程及磨纯标准1、刀具磨损过程Ⅰ:初期磨损阶段Ⅱ:正常磨损阶段Ⅲ:剧烈磨损阶段因为新刃磨的刀具切削刃较锋利，其后刀面与加工表面接触面积很小，压应力较大，加之新刃磨的刀具的后刀面存在着微观不平等缺陷，所以，这一阶段的磨损很快。初期磨损阶段一般初期磨损量为0.05～0.10mm，其大小与刀面刃磨质量有很大关系。经仔细研磨过的刀具，其初期磨损量较小。经初期磨损后，刀具的粗糙表面已经磨平，承压面积增大，压应力减小，从而使磨损速率明显减小，刀具进入正常磨损阶段。正常磨损阶段这个阶段的磨损比较缓慢均匀。后刀面磨损量随切削时间延长而近似地成比例增加。这是刀具工作的有效阶段。刀具经过正常磨损阶段后，切削刃变钝，切削力、切削温度迅速升高，磨损速度急剧增加，以致刀具损坏而失去切削能力。急剧磨损阶段生产中应当避免达到这个磨损阶段。要在这个阶段到来之前，及时更换刀具。2．刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。一般刀具的后刀面上都有磨损，它对加工质量和切削力、切削温度的影响比前刀面磨损显著，同时后刀面磨损量易于测量，因此在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度来制定磨钝标准。α0NBVB规定磨钝标准有两种考虑：一种是充分利用正常磨损阶段的磨损量，来充分利用刀具材料，减少换刀次数，它适用于粗加工和半精加工；另一种是根据加工精度和表面质量要求确定磨钝标准，此时，VB值应取较小值，称为工艺磨钝标准。当主后面磨损很不均匀时，以VBmax或VC值作磨钝标准比较合理。α0NBVB国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀耐用度的磨钝标准，可以是下列任何一种：VB＝0.3mm；如果主后面为无规则磨损，取VBmax＝0.6mm；前面磨损量KT=0.06+0.3f。自动化生产中用的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸做为衡量刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量，以NB表示；在柔性加工设备上，经常用切削力的数值作为刀具的磨钝标准，从而实现对刀具磨损状态的自动监控。工艺系统刚性较差时应规定较小的磨钝标准。因为当后刀面磨损后，切削力将增大，尤以径向切削力Fy增大最为显著。切削难加工材料时，切削温度较高，一般应选用较小的磨钝标准。五、刀具耐用度及其经验公式1．刀具耐用度的定义刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间称为刀具耐用度，以T表示。耐用度指净切削时间，不包括用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间。也可以用达到磨钝标准时所走过的切削路程Lm来定义耐用度。Lm等于切削速度v和耐用度T的乘积，即TvLm在相同切削条件下切削某种工件材料时，可以用耐用度来比较不同刀具材料的切削性能；同一刀具材料切削各种工件材料，可以用耐用度来比较材料的切削加工性；还可以用耐用度来判断刀具几何参数是否合理。对于某一切削加工，当工件、刀具材料和刀具几何形状选定之后，切削用量是影响刀具耐用度的主要因素。刀具耐用度是一个重要参数。2．切削用量对刀具耐用度的影响切削速度与刀具耐用度的关系切削速度与刀具耐用度的关系是用实验方法求得刀具T-v关系曲线。该直线的方程为ATmvlglglgmTAv/关系式反映了切削速度与刀具耐用度之间的关系，是选择切削速度的重要依据。指数m表示切削速度对刀具耐用度的影响程度。对于高速钢刀具，一般m＝0.1～0.125；硬质合金刀具，m＝0.2～0.3，陶瓷刀具m值约为0.4。m值较小，表示切削速度对刀具耐用度影响大；m值较大，表明切削速度对耐用度的影响小，即刀具材料的切削性能较好。进给量、背吃刀量与刀具耐用度的关系按照求T-V关系式的方法，同样可以求得T-f和T-ap关系式：nTBf/ppTCa/综合得到切削用量三要素与耐用度的关系：PPnmvafvCT111用YT5硬质合金车削σb=0.637GPa的碳钢时，寿命的公式为75.025.25pcTafCT由以上公式可知，切削速度v对刀具耐用度的影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap最小。这与三者对切削温度的影响顺序完全一致。这也反映出切削温度对刀具磨损、耐用度有着最重要的影响。刀具耐用度的分布1.平均耐用度2.具有分散性的随机变量3.与实际情况是有出入的六、刀具耐用度的选择在实际生产中，刀具耐用度同生产效率和加工成本之间存在着较复杂的关系。刀具耐用度并不是越高越好，如果把刀具耐用度选得过高，则切削用量势必被限制在很低的水平，虽然此时刀具的消耗及其费用较少，但过低的加工效率也会使经济效果变得很差。若刀具耐用度选得过低，虽可采用较高的切削用量使金属切除量增多，但由于刀具磨损加快而使换刀、刃磨的工时和费用显著增加，同样达不到高效率、低成本的要求。因此，住生产实际中就存在着最大生产率耐用度和最低成本耐用度，以及与它们相适应的切削速度。1．最大生产率耐用度是根据单件工时最短的观点来制定的。一个工序所需工时由机动工时、换刀工时和其他辅助工时组成。于是，完成一个工序所需要的工时