刀具的磨损和耐用度

1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。第一节切削力的计算和影响因素在切削过程中，切削力直接影响切削热、刀具磨损与耐用度、加工精度和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，设计机床、刀具、夹具以及监控切削过程和刀具工作状态的重要依据。研究切削力的规律，对于分析切削过程和生产实际都有重要意义。一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率1．切削力的来源金属切削时，刀具使加工材料变形成为切屑所需的力，称为切削力。切削力的来源有二方面(1)切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性、塑性变形所产生的抗力。(2)刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。2．切削合力及分力切削力的总和形成作用在车刀上的合力Fr。为便于测量和应用，可以将合力Fr分解成三个互相垂直的分力：1）Fz——主切削力或切向力。它垂直于基面，切于切削表面并与切削速度v的方向一致。一般，Fz在分力中最大，是计算切削功率，设计机床零件的主要依据。2）Fy——切深抗力，或称背向力、径向力、吃刀力。它在基面里并与进给方向(即工件轴线方向)垂直。Fy约为(O.15～0.7)Fz，它虽不作功，但能使工件变形或振动，对加工精度和己加工表面质量影响较大。3）Fx——进给抗力，或称轴向力、走刀力。它在基面里并与进给方向(即工件轴线方向)相平行。Fx约为(0.1～0.6)Fz，是设计走刀机构时所必需的数据。22222xyzxyzrFFFFFF3．切削功率消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm。切削功率为Fz和Fx所消耗功率之和，因Fy方向没有位移，故不消耗动力。于是:）（kWVFfnFVFPzwxzm331010)1000(由于Fx小于Fz,Fx方向的运动速度又很小，因此Fx消耗的功率可略而不计。根据切削功率选择机床电机时，还要考虑机床的传动效率。机床电机功率PE应满足：mmEPP一般机床传动效率m取0.75～O.85。4．单位切削力：单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用P表示：)/(2mmNaaFfaFAFPwcZpZCZ＝2二、切削力计算的经验公式l．计算切削力的指数公式ZZFZFzFZFnyxpFZKvfaCFyyFFyyFyFnyxpFyKvfaCFFxnyxpFxxKvfaCFxFxFxF2．用单位切削力计算主切削力查表选用常用材料的单位切削力，可根据单位切削力公式计算。三、影响切削力的因素l．工件材料的影响工件材料的强度、硬度越高，材料的剪切强度s越大，虽然变形系数有所下降，但总切削力还是增大的。强度、硬度相近的材料，如其塑性较大，则与刀具间的摩擦系数也较大，故切削力增大。灰铸铁及其他脆性材料，切削时一般形成崩碎切屑，切屑与前面的接触长度短，摩擦小，故切削力较小。2．切削用量的影响1）背吃刀量和进给量的影响背吃刀量ap或进给量f加大，均使切削力增大,但两者的影响程度不同。ap加大时，变形系数不变，切削力成正比例增大；而f加大时，有所下降，故切削力不成正比例增大。在车削力的经验公式中，加工各种材料，ap的指数xFZ≈1，而f的指数yFZ=0.75～0.9。因此，切削加工中，如从切削力和切削功率角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。2)切削速度的影响在如图的实验条件下加工塑性金属，切削速度a27m/min时，积屑瘤消失，切削力一般随切削速度的增大而减小。这主要是因为随着v的增大，切削温度升高，下降，从而使减小。在v27m/min时，切削力是受积屑瘤影响而变化的。约在v=5m/min时已出现积屑瘤，随切削速度的提高，积屑瘤逐渐增大，刀具的实际前角加大，故切削力逐渐减小；约在v=17m／min处积屑瘤最大，切削力最小；当切削速度超过v=17m/min，一直v=27m/min时，由于积屑瘤减小，使切削力逐步增大。切削脆性金属(灰铸铁、铅黄铜等)时，因金属的塑性变形很小，切屑与前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著的影响。3．刀具几何参数的影响1)前角的影响前角0加大，被切金属的变形减小，变形系数值减小，刀屑间摩擦力和正应力也相应下降，因此切削力减小。但前角增大对塑性大的材料(如铝合金、紫铜等)影响显著，即材料的塑性变形、加工硬化程度明显减小，切削力降低较多；而加工脆性材料(灰铸铁、脆黄铜等)，因切削时塑性变形很小，故前角变化对切削力影响不大。2)负倒棱的影响前刀面上的负倒棱，可以提高刃区的强度，但此时被切金属的变形加大，使切削力有所增加。3负倒棱是通过它的宽度b1对进给量f的比值(b1/f)来影响切削力的。b1/f增大，切削力增大。当b1小于切屑与刀具前面的接触长度lf时，切屑除与倒棱接触外，还与前面接触，前面仍起作用。而当切削钢b1/f≥5或切削灰铸铁b1/f≥3，即b1大于lf时，切屑只与倒棱接触，不与前面接触，切削力趋于稳定，且相当于用负前角为01车刀加工时的切削力。3)主偏角的影响rxyxrxyykFFkFFsincos当主偏角Kr加大时，Fy减小，Fx加大。4)刃倾角的影响刃倾角对切削力的影响如图所示。刃倾角s减小时，Fy增大，Fx减小。刃倾角在10～－45的范围内变化时，Fz基本不变。4．刀具磨损的影响后刀面磨损量增大，使主后面与加工表面的接触面积增大，后刀面上的法向力和摩擦力都将增大，故切削力加大。5．切削液的影响以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小，而润滑作用强的切削油，有效地减少了刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间的摩擦，甚至还能减小被加工金属的塑性变形，从而能显著地降低切削力。6．刀具材料的影响刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。如在同样的切削条件下，陶瓷刀的切削力最小，硬质合金刀次之，高速钢刀具的切削力最大。第二节切削热的产生和影响因素切削热和由它产生的切削温度，是刀具磨损和影响加工精度的重要原因。高的切削温度使刀具磨损加剧，耐用度下降；工件和刀具受热膨胀会导致工件精度达不到要求。因此，研究切削热和切削温度的产生及其变化规律是十分重要的。一、切削热的产生和传出1．切削热的产生切削热来源于切削层金属发生弹性变形、塑性变形所产生的热和切屑与前刀面、工件与后刀面间的摩擦热。切削时所消耗的能量约有98％～99％转换为切削热，故单位时间内产生的切削热为：vFQZ2.切削热的传出切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质传导出去。影响切削热传导的主要因素是：1)工件材料的导热性能。工件材料的导热系数高，由切屑和工件传导出去的热量较多，切削区温度就较低，刀具耐用度较高；但工件温升快，易引起工件热变形。工件材料的导热系数低，切削热不易从切屑和工件传导出去，切削区温度高，使刀具磨损加剧。2)刀具材料的导热性能。刀具材料的导热系数高，切削热易从刀具传导出去，降低了切削区温度，有利于刀具耐用度的提高。3)周围介质。采用冷却性能好的切削液及采用高效冷却方式能传导出较多的切削热。4)切屑与刀具的接触时间。外圆车削时，切屑形成后迅速脱离车刀而落入机床的容屑盘中，切屑的热传给刀具不多。钻削或其他半封闭式容屑的加工，切屑形成后仍与刀具相接触，切屑的热传导给刀具多。切削热由切屑、刀具、工件和周围介质传出的比例大致如下：41)车削加工时，50％～86％由切屑带走，40％～10％由车刀传出，9％～3％传人工件，1％传人介质(空气)。切削速度越高或切削厚度越大，则切屑带走的热量越多。2)钻削加工时，28％由切屑带走，14.5％传给刀具，52.5％传入工件，5％传给周围介质。二、影响切削温度的主要因素1．切削用量对切削温度的影响1)切削速度v的影响随着切削速度的提高，切削温度将显著上升。这是因为，切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面发生强烈摩擦从而产生大量切削热；由于切削速度很高，在一个很短时间内切屑底层的切削热来不及向切屑内部传导，而是大量积聚在切屑底层，从而使切屑温度显著升高。另外，随着切削速度的提高，单位时间内的金属切除量成正比例增加，消耗的功增大，切削热也会增大，故使切削温度上升。切削温度与切削速度之间的经验关系式为xVvC，一般x=O.26～0.4l。2)进给量f的影响随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，切削热增多，使切削温度上升。但切削温度随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那么显著。这是因为单位切削力和单位切削功率随f增大而减小，切除单位体积金属产生的热量减少了；同时f增大后，切屑变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走的热量增多，故切削区的温度上升不甚显著。切削温度与进给量之间的经验关系式为14.0fCf3）背吃刀量ap的影响背吃刀量ap对切削温度的影响很小。这是因为ap增大以后，切削区产生的热量虽增加，但切削刃参加工作长度增加，散热条件改善，故切削温度升高并不明显。切削温度与背吃刀量之间的经验关系式为04.0paaCp切削温度对刀具磨损和耐用度影响很大。由以上规律(切削用量中，v对影响最大，f次之，ap最小)可知，为有效控制切削温度以提高刀具耐用度，选用大的背吃刀量或进给量，比选用大的切削速度有利。2．刀具几何参数对切削温度的影响1)前角0前角0的大小直接影响切削过程中的变形和摩擦，对切削温度有明显影响。前角大，切削温度低；前角小，切削温度高；但前角达18～20后，对切削温度影响减小，这是因为楔角变小使散热体积减小的缘故。2)主偏角Kr主偏角Kr加大后，切削刃工作长度缩短，切削热相对地集中；同时刀尖角减小，使散热条件变差，切削温度将升高。若减小主偏角，则刀尖角和切削刃工作长度加大，散热条件改善．从而使切削温度降低。3．刀具磨损对切削温度的影响刀具磨损后切削刃变钝，使金属变形增加；同时刀具后刀面与工件的摩擦加剧。所以，刀具磨损后切削温度上升。后刀面上的磨损量愈大时，切削温度的上升愈为迅速。4．工件材料对切削温度的影响1)工件材料的硬度和强度越高，切削时所消耗的功越多，产生的切削热越多，切削温度就越高。2)工件材料导热系数的大小，直接影响切削热的导出，如不锈钢1Crl8Ni9Ti和高温合金GHl31，不仅导热系数小，且在高温下仍有较高的强度和硬度，故切削温度高。3)灰铸铁等脆性材料，切削时金属变形小，切屑呈崩碎状，与前刀面摩擦小，产生切削热少，故切削温度一般较切削钢料时低。5．切削液对切削温度的影响切削液对降低切削温度有明显的效果。5第三节刀具磨损和耐用度切削加工时，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。一、刀具磨损的形态切削时，刀具的前刀面与切屑、后刀面和工件接触，产生剧烈摩擦，同时在接触区内有很高的温度和压力。因此，前刀面和后刀面都会发生磨损。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，在刀具前刀面上经常会磨出一个月牙洼。月牙洼的位置发生在刀具前刀面上切削温度最高的地方。月牙洼和切削刃之间有一条小棱边。在磨损过程中，月牙洼的宽度、深度不断增大，当月牙洼扩展到使棱边很窄时