刀具的基本原理及概述

刀具的基本原理及常用问题讲解刀具的基本原理及常用问题讲解其实，要讲解切削刀具的基本原理真是一件不容易的事，真正要了解切削原理，必定要从实践开始。麦董就要求我们要“用好刀”。其意一：刀具部在选用刀具的时候，必须根据公司实际加工情况，选用适合我们的好用的刀。一把好的刀，不仅是指刀粒材质硬度的韧性好、切削角度、断屑槽设计精妙等，而最重要的是此刀具能否切削你所需的工件，达到预期的目的，如加工效率、光洁度、精度、刀刃寿命、可靠性、甚至稳定性等…….其意二：必须正确使用刀具。这就是今晚我们所要讨论的范围。一、影响刀具切削条件的各项可能性（一）刀具本身的设计：如刀具的材质的耐磨度、坚硬度，还有刀刃的切削角度、刀刃在刀体上支承的稳固度。（二）刀具与刀柄的配合：刀柄是机械将切削力传到刀具的媒介，如果刀柄设计得不妥，将会大大减低了刀具的威力及寿命；例如，产生震动，刀具中心偏移；刀刃后角刃口支承不足而使刀刃过早崩裂等。（三）机械本身的刚性：若果机械不能提供一个稳定的切削环境给刀具；例如进刀量不稳定，切削速度不稳定甚至震动等，也会是加工的致命伤。（四）被加工工件夹紧的方式及稳定性：很多刀具寿命不稳定的主要原因（人为）是工件未有被夹紧在机械之上，引致移位或震动做成超差或刃崩。（五）切削条件设定错误：由于操作者对切削速度、进刀量不甚了解，错误地设定了切削条件，引致刀具不正常损耗等现象，在我司经常发生。（六）错误选刀，不考虑切削特性：由于刀具部未能将刀具调度，往往出现用长刀做浅孔浅框的现象。（七）切削液：在精加工中，切削液的浓度对表面光洁度，精度影响很重要，而且对延长刀刃寿命也有一定的帮助。（八）其他因素：如工件的特性、进刀方向等也是因素之一。二、被切削材与切削材被切削材分为P类――钢材、长削类金属M类――不锈钢、有色金属K类――铸铁、铸钢切削材（硬质合金、Cermet（金属陶瓷）、或陶瓷）也用P、M、K分类。用以切削P类的可分为P1－P50，通常P40-P50刀片韧性强，但易于被磨损，所以适用于一些不稳定的切削情况下使用，反之P5－P10刀片硬度高，抗磨损能力强，但易于崩脱，所以在切削条件稳定或切削一些较硬材料才会使用。一般来说P20－P30（P35）的材质最广泛被使用。其他如M类及K类原理大致相同除了用切削的长度来区分P、M及K类之特性外，更可用切削力来区分。铣削的使用功率P＝(apXaeXVfXKc)/60,000,000*ηKc=1700-2500（P类材料）=2000-3200（M类材料）=1000-1500（K类材料）η＝机械效率＝0.85（一般铣床）ap=切削深度（刀刃）mmae=切削宽度（刀盆）mmVf=进刀速度（每分钟）mm/min在金属切削过程中产生大量的热能，此热量主要来自磨擦阻力及将被切削材的切屑与主体分离所释放的能量，切削刀刃面的温度可达到1000℃，现今使用的切削刀具通常会使８０％热量由切屑带走，以免影响刀刃及工件。传统刀具因切削速度不高及普遍使用切削液，所以热量不是一个重要问题，但在高效能切削时，最好不要采用少量切削液，因切削液在刀刃很快蒸发，不但达不到预期效果，反而使刀刃因热度不均而崩裂。所以通常粗加工是不用切削液而精加工或钻孔时才用大量切削液以提高精度及增加刀刃寿命。三、材料与刀具在模具所使用的钢材之中，切削性能最好的可以算是#45中碳钢;其次是2312。合金元素在材料中，对切削性能起了很大的影响，例如硫是杂质，但硫的存在帮助切削。铬是抗锈蚀的主要元素，但铬会使切削困难，易使切屑粘在刀刃之上，形成切削瘤；所以2316，2083，S136H等钢是不利于切削。★★选用一些刀刃锋利的刀具（大正前角）；但钢材本身的硬度也对切削有很大影响，NAK80有HRC38-40度，718H也有差不多HRC40的硬度，对高速钢及锋钢刀具来说，切削是非常困难的。★★尽量选用自身硬度较高的刀具（如圆刀加工王牌选用SM30材质的刀粒，加工硬料选用4030材质的刀粒）；一些钢材，不是用锯切开，而是用火焰切割的，所以有切边不平而且硬化的现象，增加加工难度。★★选用一些切削刃可抵受冲击力或刀刃韧性较强的刀具（负前角）四、刀刃磨损切削过程中刀具在切除工件上的金属层，同时工件与切屑也对刀具起作用，使刀具磨损。刀具严重磨损，会缩短刀具使用时间，恶化加工表面质量，增加刀具材料损耗。因此，刀具磨损是影响生产效率、加工质量和成本的一个重要因素。（一）刀具磨损的分类刀具磨损分为正常磨损和非正常磨损两大类：1、正常磨损正常磨损是指在刀具设计与使用合理，制造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削过程中逐渐产生的磨损。正常磨损主要包括下述三种形式。（1）后刀面磨损在与切削刃连接的后刀面上，磨出长度为b、后角等于或小于零的棱面。根据棱面上各部位磨损特点，可分为三个区域，如图1所示：C区在近刀尖处是磨损较大的区域，这是由于温度高、散热差而造成的。其磨损量用高度VC表示。N区近待加工表面，约占全长1/4的区域。在它的边界处磨出较长沟痕，这是由于表面氧化皮或上道工序留下的硬化层等原因造成的。它亦称边界磨损，磨损量用VN表示。B区在C、N区间较均匀的磨损区。磨损量用VB表示。其中局部出现的划痕、深沟的高度用VBmax表示。（2）前刀面磨损切屑在前刀面上流出时，由于磨擦、高温和高压作用，使前刀面上近切削刃处磨出月牙洼。前刀面的磨损量用月牙洼深度KT表示，月牙洼的宽度为KB。（3）前、后刀面同时磨损经切削后刀具上同时出现前刀面和后刀面磨损。这是在切削塑性金属时，采用大于中等切削速度和中等进给量时较常出现的磨损形式。在生产中，较常见到的是后刀面磨损，尤其是在切削脆性金属和每齿进给量fz较小的情况下；月牙洼磨损通常是在高速、大进给（fz＞0.5mm）切削塑性金属时产生的。2、非正常磨损非正常磨损是指刀具在切削过程中突然或过早产生损坏现象。其中有：（1）破损在切削刃或刀面上产生裂纹、崩刃或碎裂。（2）卷刃切削时在高温作用下，使切削刃或刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象。（二）刀刃磨损的过程正常磨损情况下，刀具磨损量随切削时间增多而逐渐扩大。典型磨损过程如图3所示，图中大致分为三个阶段：初期磨损阶段（I段）在开始切削的短时间内，磨损较快。这是由于刀具表面粗糙不平或表层组织不耐磨引起的;正常磨损阶段（Ⅱ段）随着切削时间增长，磨损量以均匀的速度加工。这是由于刀具表面磨平后，接触面增大，压强减小所致。AB线段基本上呈直线，单位时间内磨损量称为磨损强度，该磨损强度近似为常数。急剧磨损阶段（Ⅲ段）磨损量达到一定数值后，磨损急剧加速、继而刀具损坏。这是由于切削时间过长，磨损严重，切削温度剧增，刀具强度、硬度降低所致。刀具磨损过程曲线是衡量刀具切削性能好坏的重要依据。在使用刀具时，应该控制刀具在产生急剧磨损前必须重磨或更换新刀刃。这时刀具的磨损量称为磨损限度或磨钝标准。由于后刀面磨损是常见的，且易于控制和测量，因此，规定后刀面上均匀磨损区的宽度VB值作为刀具的磨钝标准。在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具磨钝标准为：（1)在后刀面B区内均匀磨损VB＝0.3mm；（2)在后刀面B区内非均匀磨损VBmax=0.6mm；（3)月牙洼深度标准KT＝0.06+0.3f，（f为mm/r）；（4)精加工时根据需达到的表面粗糙度等级确定。实际生产中磨钝标准应根据加工要求制订：粗加工磨钝标准是根据能使刀具切削时间与可磨或可用次数的乘积最长为原则确定的，从而能充分发挥刀具的切削性能，该标准亦称为经济磨损限度；精加工磨钝标准是在保证零件加工精度和表面粗糙度条件下制订的，因此VB值较小。该标准亦称工艺磨损限度。刀具磨损十步曲：（1）开始切削不久，刀刃前角开始磨损（2）切削力增加，机械功率相应提升（3）工件精度开始难以控制（4）工件表面光洁度下降（5）工件边缘有披锋（6）工件温度提升（7）切屑温度高，颜色改变（8）切屑外形不规则，切屑边缘有披锋（9）刀具切削时发出不寻常声响（10）工件机械不停跳动（三）刀具磨损原因切削时刀具的磨损是在高温高压条件下产生的。因此，形成刀具磨损的原因就非常复杂，它涉及机械、物理、化学和金相等的作用。现将其中主要的原因简述如下：1、磨粒磨损（AbrasiveWear）在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻划出深浅不一的沟痕。这主要由于“磨粒”的切削作用造成的。构成这些“磨粒”硬质点的来源，是切屑底层和切削表面材料中含有氧化物（SiO、Al2O3等）、碳化物（Fe3C、TiC等）和氮化物（Si2N4、AlN等）的硬元素。此外，还有粘附着积屑瘤的碎片和锻造表皮和铸件表面上残留的夹砂。磨粒磨损对高速钢作用较明显。因为高速钢在高温时的硬度较有些硬质点（SiO、Al2O3、TiC、Si2N4、）低，耐磨性差。此外，硬质合金中粘结的钴也易被硬质点磨损。为此，在生产中常采用细晶粒碳化物的硬质合金或减少钴的含量来提高抗磨损能力。当两个颊互相磨擦时，被切削物表面较硬的粒子就会向刀刃表面磨擦（磨削一样），令刀刃刃口磨损，所以刀刃材质越硬，抗磨损的能力越强。2、粘结磨损（AdhesionWear）切屑与前刀面、加工表面与后刀面之间在正压力和温度作用下，接触面间吸附膜被挤破，形成了新鲜表面接触，当接触面间达到原子间距离时就产生粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动时在粘结处产生剪切破坏造成的。通常剪切破坏在较软金属一方，但刀面受到磨擦、压力和温度连续作用下使强度降低，也会破坏。图为两种材料粘结情况。此外，当前刀面上粘结的积屑瘤脱落后，带走了刀具材料也形成粘结磨损。粘结磨损的程度与压力、温度和材料间亲合程度有关。例如在低速切削时，由于切削温度低，故粘结是在正压力下接触点处产生塑性变动所致，亦称为冷焊；在中速时由于切削温度较高，促使材料软化和分子间的热运动，更易造成粘结。用YT类硬质合金加工钛合金或含钛不锈钢，在高温作用中钛元素之间的亲合作用，也会产生粘结磨损。所以，低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。3、扩散磨损（DiffusionWear）切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量在，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经磨擦作用，刀具容易被磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。如图所示，以钨钴硬质合金与钢之间扩散过程为例，图1为切屑与刀面上元素分布情况。由于温度的作用，如图2所示，使硬质合金中W、Co和C原子向钢中扩散，然后被切屑和加工表面带走。硬质合金中失去W后，在结晶组织中出现空穴。此外，失去了Co后削弱了粘结强度。与此同时，材料中Fe原子向刀具中扩散，使刀面表层形成了新的材质。经相互扩散的结果，降低了刀具表面的强度和硬度。图3为钨钴钛合金与钢的扩散情况，由于W原子的扩散速度较Ti和Ta快，所以，失去W后留下了硬度高的TiC、TaC晶粒，提高了硬质合金的耐磨性。通常钨钴类硬质合金扩散温度为850～900℃、钨钴钛类扩散温度为900～1000℃，因此，后者在高温时耐磨性较高。在生产中若采用细颗粒硬质合金或添加稀有金属硬质合金，采用TiC、TiN涂层刀片，对于提高刀具耐磨性和化学稳定性、减少扩散磨损均可起良好作用。4、相变磨损当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发生变化，如马氏体组织转变化奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。因此，工具钢刀具在高温时均属此类磨损，它们的相变温度为：合金工具钢300～350℃高速钢550～600℃相变磨损造成了刀面塌陷和刀刃卷曲。5、氧化磨损（OxidationWear）氧化磨损是一种化学性质的磨损。在主、副切削刃与切削层金属表面接触处，硬质合金中WC、Co与空气介质中O化合成脆性、低强度的氧化膜WO2，该膜受到了工件表层中氧化皮、硬化层等磨擦和冲击作用，形成了边界磨损。综上所述，刀具磨损是由机械磨擦和热效应两方面作用造成的。在不同加工条件下形成的刀具磨损必有一个原因起主要作用，同时也存在着各种原因的综合作用。如图所示，在低、中速范围内磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因。通常拉削、铰孔和攻丝加工时的刀具磨损主要属于这类磨损。在中