刀具磨损和刀具寿命[1]

§3.6刀具磨损与刀具寿命一、刀具磨损形态和磨损机制切削过程中，随着切屑的不断产生和切除，刀具本身也要逐渐磨损或发生破损(如崩刃、碎断、剥落。裂纹等)。刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力和切削温度升高，甚至产生振动使其不能继续正常工作。因此刀具磨损直接影响加工效率、加工质量和成本。1.刀具磨损的形式切削时，刀具的前、后刀面与切屑及已加工表面相接触，产生剧烈摩擦。在接触区内有相当高的温度和压力。因此在前后刀面上都会发生磨损。但它们的磨损情况有各自不同的特点，而且相互影响：刀具磨损形式有以下几种：前刀面磨损后刀面磨损边界磨损(1)前刀面磨损(月牙洼磨损)切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，切屑在前刀向上经常会磨出一个月牙洼。出现月牙洼的部位就是切削温度最高的部位。月牙洼和切削刃之间有一条小棱边，月牙洼随着刀具磨损不断变大，当月才洼扩展到使棱边变得很窄时，切削刃强度降低，极易导致崩刃。月牙洼磨损量以其深度KT表示。(2)后刀面磨损由于后刀面和加工表面问的强烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位会逐渐地被磨成后角为零的小棱面，这种磨损形式称作后刀面磨损。切削铸铁和以较小的切削厚度、较低的切削速度切削塑性材料时，后刀面磨损是主要形态。后刀面上的磨损棱带往往不均匀，刀尖附近(C区)因强度较差，散热条件不好，磨损较大；中间区域(B区)磨损较均匀，其平均磨损宽度以VB表示。(3)边界磨损切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处和副切削刃靠近刀尖处，磨出较深的沟纹，这种磨损称作边界磨损。沟纹的位置在主切削刃与工件待加工表面、副切削刃与已加工表面接触的部位2.刀具磨损的原因由于工件材料、刀具材料种类很多，切削条件变化很大，因此刀具磨损的形式各不相同，其磨损的原因也很复杂。刀具在正常磨损的情况下，其主要原因包括：机械磨损热磨损化学磨损机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起，而热磨损和化学磨损是由粘结、扩散、腐蚀等引起。（1）硬质点磨损这主要是由于工件材料中的杂质、基体组织中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬质点，以及积屑瘤的碎片等所造成的机械磨损。它们在刀具表面上划出一条条沟纹。各种切削速度下刀具都会产生硬质点磨损，但低速时它是刀具磨损的主要原因。因为这时切削温度较低，其它各种形式的磨损还不显著。一般可以认为，由硬质点磨损产生的磨损量与切削路程或刀具与工件相对滑动距离成正比。（2）粘结磨损由于刀具与工件之间接触面上存在足够大的压力和温度，塑性变形所形成的新鲜表面与刀具表面接触到原子间距离，将产生结合现象或粘结、冷焊现象，两摩擦表面的粘结点因相对运动，晶粒或晶粒群受剪或受拉而被对方带走，是造成刀具粘结磨损的原因。（3）扩散磨损由于切削过程中产生的切削温度高，而且刀具表面始终与被切出的切屑和工件的新鲜表面相接触和摩擦，它们具有巨大的化学活动性，所以两摩擦面的化学元素有可能相互扩散，因而使双方的化学成分都发生变化，削弱刀具材料的切削性能，从而加速刀具的磨损。扩散速度随切削温度升高而加快。（4）化学磨损化学磨损是在一定温度下，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而被切屑带走，加速刀具磨损；或者因为刀具材料被某种介质腐蚀，造成刀具磨损。二、刀具磨损过程及磨钝标准1.刀具的磨损过程对切削过程中刀具后刀面磨损量VB进行定时(或定切削行程)测量可得刀具磨损过程的典型磨损曲线。刀具磨损过程可分为三个阶段：(1)初期磨损阶段新刃磨的刀具刚投入使用,后刀面与工件的实际接触而积很小，单位面积上承受的正压力较大，再加上刚刃磨后的后刀面微观凸凹不平，刀具磨损速度很快,此阶段称为刀具的初期磨损阶段。刀具刃磨以后如能用细粒度磨粒的油石对刃磨面进行研磨,可以显著降低刀具的初期磨损量。(2)正常磨损阶段经过初期磨损后，刀具后刀面与工件的接触面积增大，单位面积上承受的压力逐渐减小，刀具后刀面的微观粗糙表面已经磨平，因此磨损速度变慢，此阶段称为刀具的正常磨损阶段。它是刀具的有效工作阶段。(3)急剧磨损阶段当刀具磨损量增加到一定限度时，切削力、切削温度将急剧增高，刀具磨损速度加快．直至丧失切削能力，此阶段称为急剧磨损阶段。在急剧磨损阶段让刀具继续工作是一件得不偿失的事倩，既保证不了加工质量，又加速消耗刀具材料，如出现刀刃崩裂的情况，损失就更大。刀具在进入急剧磨损阶段之前必须更换。2.刀具磨钝标准刀具的磨钝标准即指所规定的刀具磨损量的极限值，或不能继续使用的限度。生产中，控制刀具磨损量的方法，主要是根据切削中发生的一些现象来判断刀具是否已经磨钝。例如：粗加工时，观察加工表面是否出现亮带，切屑的颜色和形状的变化，以及是否出现不正常的声音和振动现象等。精加工时可观察加工表面粗糙度变化，以及测量加工零件形状和尺寸的精度等。如发现异常现象就要及时换刀。一般刀具都要发生后刀面磨损，而且测量也比较方便。因此，国际标准ISO统一规定以1／2切削深度处后刀面上测定的磨损带宽VB作为刀具磨钝标准。自动化生产中使用的精加工刀具，从保证工件尺寸精度考虑，常以刀具的径向尺寸磨损量NB作为衡量刀具的磨钝标准。制订刀具的磨钝标准时，既要考虑充分发挥刀具的切削能力，又要考虑保证工件的加工质量。精加工时磨钝标准取较小值，粗加工时取较大值；工艺系统刚性差时，磨钝标准取较小值；切削难加工材料时，磨钝标准也要取较小值。三、刀具寿命1.刀具寿命定义从刀具刃磨后开始切削，到其磨损量达到刀具磨钝标准所经过的总切削时间。这实际上也是表示刀具切削性能的一个指标，或刀具耐磨损性能的表示，以下用符号T表示。一把新刀往往要经过多次重磨，才会报废，刀具寿命指的是两次刃磨之间所经历的切削时间。如果用刀具寿命乘以刃磨次数，得到的就是刀具总寿命。影响刀具磨损的因素很多，但当工件材料、刀具材料和刀具几何形状选定之后，其耐用度的大小就主要与切削用量有关。二．刀具寿命的经验公式实验方法按ISO国际标准对车刀耐用度试验的规定：当切削刃磨损均匀时，取VB=0.3mm；磨损不均匀时则取VBmax=0.6mm。固定其它的切削条件，在常用的切削范围内，取不同的切削速度vl、v2…，对应的耐用度Tl、T2…。在对数坐标纸上定出各点(vl，T1)、(v2，T2)、（v3，T3)、…。可得：在一定切削速度范围内，它们基本上是在一条直线上。这就是刀具磨损耐用度曲线。刀具磨损耐用度直线的方程为：logv=-mlogT+logC0故vTm=C0式中v——切削速度(m／min)；T——刀具耐用度(min)；m——指数，表示v—T之间影响的程度：C0——系数，与刀具、工件材料和切削条件有关。三．进给量和切削深度与刀具耐用度的关系用作v一T曲线相同的方法，可以在固定其它切削条件，只变化进给量f和切削深度ap，分别得到与v一T类似的关系；即综合式速度、进给量、切削深度，可以得到切削用量与耐用度的一般关系式：式中CT—耐用度系数，与刀具、工件材料和切削条件有关；x、y、z—指数，分别表示各切削用量对刀具耐用度影响的程度。2211CTaCfTmpmzpyxTafvCT用YTl5硬质合金车刀切削σb=0.637GPa的碳钢时，(f0．5mm/r)切削用量与刀具耐用度的关系为：由上式看出，切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量f次之，切削深度ap影响最小，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耐用度影响的重要性。75.025.25pTafvCT切削用量与刀具寿命密切相关。刀具寿命T定得高，切削用量就要取得低，虽然换刀次数少，刀具消耗少了，但切削效率下降，经济效益未必好；刀具寿命T定得低，切削用量可以取得高，切削效率是提高了，但换刀次数多，刀具消耗变大，调整刀具位置费工费时，经济效益也未必好。在生产中，确定刀具寿命有两种不同的原则，按单件时间最少的原则确定的刀具寿命叫最高生产率刀具寿命，按单件工艺成本最低的原则确定的刀具寿命叫最小成本刀具寿命。一般情况下，应采用最小成本刀具寿命，在生产任务紧迫或生产中出现节拍不平衡时，可选用最高生产率刀具寿命。制订刀具寿命时，还应具体考虑以下几点：1)刀具构造复杂、制造和磨刀费用高时，刀具寿命应规定得高些。2)多刀车床上的车刀，组合机床上的钻头、丝锥和铣刀，自动机及白动线上的刀具。因为调整复杂，刀具寿命应规定得高些。3)某工序的生产成为生产线上的瓶顿时，刀具寿命应定得低些，这样可以选用较大的切削用量，以加快该工序生产节拍；某工序单位时间的生产成本较高时刀具寿命应规定得低些，这样可以选用较大的切削用量，缩短加工时间。4)精加工大型工件时，刀具寿命加规定得高些。四、刀具的破损在切削加工中，刀具有时没有经过正常磨损阶段，在很短时间内突然损坏，这称为刀具破损。破损也是刀具损坏的主要形式之一。破损是相对于磨损而言的。从某种意义上讲，破损可认为是一种非正常的磨损，因为破损和磨损都是在切削力和切削热的作用下发生的。磨损是逐渐发展的过程，而破损是突发的。破损的突然性很容易在生产过程中造成较大的危害和经济损失。刀具的破损形式分为脆性破损和塑性破损。1.脆性破损硬质合金刀具和陶瓷刀具切削时，在机械应力和热应力冲击作用下经常发生以下几种形态的破损：(1)崩刃切削刃产生小的缺口。在继续切削中，缺口会不断扩大,导致更大的破损。用陶瓷刀具切削及用硬质合金刀具作断续切削时，常发生这种破损。(2)碎断切削刃发生小块碎裂或大块断裂，不能继续进行切削。用硬质台金刀具和陶瓷刀具作断续切削时，常发生这种破损。(3)剥落在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片，经常与切削刃一起剥落，有时也在离切削刃一小段距离处剥落。陶瓷刀具端铣时常发生这种破损。(4)裂纹破损长时间进行断续切削后，因疲劳而引起裂纹的一种破损。热冲击和机械冲击均会引发裂纹，裂纹不断扩展合并就会引起切削刃的碎裂或断裂。2.塑性破损在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件接触面上，由于过高的温度和压力的作用，刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力，这就是刀具的塑性破损。抗塑性破损能力取决于刀具材料的硬度和耐热性。硬质合金和陶瓷的耐热性好，一般不易发生这种破损。相比之下，高速钢耐热性较差，较易发生塑性破损。可采取以下相应措施防止刀具破损：(1)合理选择刀具材料用作断续切削的刀具，刀具材料应具有一定的韧性。(2)合理选择刀具几何参数通过选择合适的几何参数，使切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱是防止崩刃的有效措施。(3)保证刀具的刃磨质量切削刃应平直光滑，不得有缺口，刃口与刀尖部位不允许烧伤。(4)合理选择切削用量防止出现切削力过大和切削温度过高的情况。(5)工艺系统应有较好的刚性防止因为振动而损坏刀具。