第六节 刀具磨损和刀具寿命

第六节刀具磨损、破损和刀具寿命一、刀具的磨损形态二、刀具的磨损原因三、刀具磨损过程及磨钝标准四、刀具寿命及经验公式五、刀具的破损一、刀具磨损形态磨损与破损不同——磨损是连续、逐渐产生的。刀具磨损产生的位置及形态如图所示：1、前刀面磨损（月牙洼磨损）切削塑性金属，切削速度和切削厚度较大，易在前刀面上产生月牙洼磨损（即前刀面磨损）。这是因为，切屑与前刀面完全是新鲜表面相互接触，化学活性很高，反应很强烈；且接触面又有很高的压力和温度（切削速度及切削厚度较大），接触面积中80%以上是实际接触，空气和切削液渗入比较困难，所以在前刀面上就行成了月牙洼磨损。其形成过程为：首先在距离刀刃KM处（切削温度最高点）形成一个小凹坑，然后逐渐向前、后扩展，月牙洼的深度（KT值）不断扩大，但长度变化并不大（取决切屑的宽度）。当月牙洼的宽度发展到其前缘与切削刃之间的棱边变得很窄时，刀刃的强度降低，易导致刀刃破损。前刀面的月牙洼磨损以其最大深度KT表示。2、后刀面磨损在切削加工中，工件新鲜加工表面与刀具后刀面接触，互相摩擦，引起后刀面磨损。这是因为切削刃具有一定的钝圆半径，虽有后角，实际上后刀面与工件仍是小面积接触，接触压力很大，磨损就发生在这个接触面上。后刀面的磨损带往往不均匀，可分为：C区、B区、N区。C区——刀尖部分，（因刀尖部分强度较低，散热条件又差）磨损比较严重，用其最大值VC表示其磨损程度。B区——后刀面磨损带中间部位，磨损比较均匀，平均磨损带宽度以VB表示，而最大磨损宽度以VBmax表示。N区——主、副切削刃分别与工件待加工表面和已加工表面接触的地方，通常磨出较深的沟纹，这个区域的磨损称之为边界磨损（单独介绍）。后刀面的磨损主要指B区的磨损。切削铸铁或以较小的切削厚度切削塑性材料时，以这种磨损为主，前刀面磨损较小。3、边界磨损——N区磨损。边界磨损严重的宏观原因是：主切削刃与工件待加工表面接触处，切削刃切削的是上道工序的硬化层或毛坯表面；另此处存在很高的应力梯度及很高的温度梯度，这将引起很大的剪应力。副切削刃与已加工表面接触处，由于加工硬化作用，副切削刃与工件接触处的切削厚度减薄到零，引起这部分刀刃打滑；同时，这部分也存在一定的应力梯度及温度梯度，也会引起较大的剪应力。二、刀具磨损原因刀具磨损不同于一般机械零件的磨损，主要表现为：①刀具与切屑、工件间的接触面状态是：刀具表面很洁净，通常表面形成的各种膜已不存在；切屑和工件表面是活性很高的新鲜表面，不存在氧化膜等的污染。②刀具与切屑、工件间的接触面上的接触压力很大、接触温度很高。（硬质合金刀，通常工作温度可达800~1000℃；高速钢刀具，工作温度也可达300~500℃)，所以刀具的正常磨损原因主要是机械、热、化学三种作用的综合结果，表现为：机械磨损（硬质点磨损）、粘接磨损、扩散磨损和化学磨损等。1、硬质点磨损切削过程中，工件材料中的杂质、材料基体组织中所含的碳、氮化物、氧化物等硬质点及积屑瘤碎片等，在刀具表面上划出一条条的沟纹，称为硬质点磨损在各种切削速度下的刀具都存在硬质点磨损，但它是低速刀具磨损的主要原因。如高速钢刀具这种磨损比较明显。2、粘接磨损粘接是指刀具与工件材料接触到原子间距离时所产生的结合现象。切削时，刀具与切屑、工件新鲜表面间实际接触面上，通常存在很大的压力及很高的温度，因而它们之间会形成冷焊点（粘接），两摩擦表面的粘接点因相对运动将产生破裂。粘接点的破裂通常会发生在硬度较低的一方即工件材料上，但刀具材料往往有组织不均匀、存在内应力、微裂纹及空隙、局部软点等缺陷，所以刀具表面也常发生破裂而被工件材料带走，形成了粘接磨损。粘接磨损一般在中高切削速度下易发生（切削区的温度500~700℃）。3、扩散磨损切削温度较高时（≥800℃），因刀具始终与被切出的新鲜表面接触，具有巨大的化学活性，所以两摩擦面的化学元素有可能在固态下发生扩散，使双方的化学成分发生改变，刀具表面材料变得脆弱，从而加剧刀具的磨损。通常，切削区温度达到一定值后，切削温度↑→扩散速度↑，扩散磨损↑；切屑流出速度↑→扩散磨损↑；也与刀具材料与工件材料匹配有关。如：几种刀具材料与铁相互扩散强度由大到小的顺序为——金刚石→碳化硅→立方氮化硼→氧化铝；而与钛合金相互扩散的大小顺序为——氧化铝→立方氮化硼→碳化硅→金刚石。4、化学磨损在一定的切削温度下，刀具材料与某些周围介质（如空气中的氧，切削液中极压添加剂硫、氯等）起化学反应，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；或者因刀具材料被某种介质腐蚀，造成刀具磨损通常，空气、切削液不易进入刀、屑实际接触区，所以化学磨损最易在主、副切削刃的工作边界处产生，是边界磨损严重的又一原因。※总之刀具的正常磨损原因主要有：硬质点磨损、粘接磨损、扩散磨损、化学磨损等，它们之间还互相影响。对于不同的刀具材料，在不同的切削条件下，加工不同工件材料时，其主要原因可能属于其中的一、二种。另外，对一定的刀具和工件材料，对刀具磨损起主导作用的是切削温度，低温区，以硬点磨损（机械磨损）为主；而较高温度区，以粘接、扩散、化学磨损为主。通常，高速钢刀具主要磨损原因：硬质点磨损、粘接磨损。硬质合金刀具主要磨损原因：粘接磨损、扩散磨损。三、刀具磨损过程及磨钝标准1、刀具的磨损过程随着切削时间的延长，刀具的磨损将增加。根据切削试验，以切削时间和刀具后刀面磨损量VB（或前刀面月牙洼磨损深度KT）为横坐标和纵坐标，可得刀具的磨损典型曲线，如图所示。由图可知：刀具磨损过程可以分三个阶段。⑴初期磨损阶段这一阶段磨损曲线的斜率较大，说明磨损较快。因为新刃磨的刀具刃口锋利，后刀面与加工表面接触面积较小，压应力较大；且新刃磨刀具的后刀面存在粗糙不平之处及显微裂纹等缺陷，所以这一阶段磨损速率较大。这一阶段时间较短，磨损量通常为：0.05~0.1mm，其大小与刃磨质量有关。⑵正常磨损阶段这一阶段磨损比较缓慢均匀，后刀面的磨损量随时间的延长近似成比例增加。这是因为，经过初期磨损阶段后，刀具的毛糙表面被磨平，形成一条狭窄的光滑棱面，压应力减小，所以这一阶段磨损比较缓慢均匀。这一阶段时间较长。⑶急剧磨损阶段当磨损带宽度增加到一定限度后，刀具的磨损速率急速加快，以致刀具损坏而失去切削能力。表现为：切削力与切削温度均迅速升高，加工表面粗糙度变粗。在生产中，应避免达到这个磨损阶段。2、刀具的磨钝标准⑴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。通常以后刀面的磨损量作为磨钝标准。但，自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸即刀具径向磨损量NB作为磨钝标准。⑵国际标准推荐的车刀耐用度试验的磨钝标准①高速钢或陶瓷刀具，可以是下列的任何一种：a）破损；b）如果后刀面在B区是有规则的磨损，区VB=0.3mm；c）如果后刀面在B区是无规则的磨损、划伤、剥落或有严重的沟痕，取VBmax=0.6mm②硬质合金刀具，可以是下列的任何一种：a）如果后刀面在B区是有规则的磨损，区VB=0.3mm；b）如果后刀面在B区是无规则的磨损，取VBmax=0.6mm；c）前刀面磨损量KT=0.06+0.3f，其中f为进给量。⑶关于磨钝标准的几点说明①手册中的磨钝标准，不是固定不变的，应根据实际加工条件灵活应用。a）粗加工时，VB值可取偏大值，VB=0.6mm；精加工时，VB值应取偏小值，VB=0.1mm；b）加工工艺系统刚性差时，为避免在磨钝标准内产生振动，VB值应取小值。c）加工难加工材料时，VB值应取偏小；d）加工大型工件，为避免中途换刀，VB值可取偏大值，此时通常采用较低的切削速度。②在自动化的精加工中，常以刀具径向磨损量NB作为磨钝标准。③实际生产中，判断换刀的依据a）做切削试验，依据磨钝标准确定刀具寿命，生产中就以刀具寿命为判据。b）以切屑颜色的变化为依据c）以加工工件的表面粗糙度为依据⑷最科学的方法，监控切削过程中的切削力及切削温度的变化。四、刀具寿命及经验公式1、刀具寿命及刀具总寿命刀具寿命：一把刀具由刃磨后开始使用，直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间称刀具寿命。刀具总寿命：一把新刀从第一次投入使用，直至这把刀完全报废为止所经历的实际切削时间称刀具总寿命。2、刀具寿命的经验公式（切削用量与刀具寿命的关系）⑴切削速度与刀具寿命的关系选定磨钝标准，固定其他切削条件，在常用的切削速度范围内，取不同的的速度进行刀具磨损试验，得磨损曲线如图所示：根据规定的磨钝标准，对应于不同的切削速度，就有相应的刀具寿命T1、T2、T3…在双对数坐标纸上，标出（T1，V1），（T2，V2），（T3，V3），…各点。在一定的切削速度范围内，发现这些点基本上在一条直线上，如图示。该直线方程为logV=-mlogT+logC0故VTm=C0T=C0’/V1/m①式中V——切削速度（m/min)；T——刀具寿命(min)；m——指数，表示速度V对刀具寿命T的影响程度，通常耐热性越低的材料m值越小，V对T的影响程度就越大，如图。C0——系数，与刀具、工件材料和切削条件有关。若切削中形成积屑瘤或刀具发生破损此式不适合。⑵进给量、背吃刀量与刀具寿命的关系增加进给量f和背吃刀量ap，刀具寿命也要减小。固定其他切削条件，只变化f和ap，分别得到与V—T类似的关系，即fTm1=C1T=C1’f1/m1②apm2=C2T=C2’ap1/m2③综合①②③式可得出，切削用量对刀具寿命影响的经验公式，即T=CT/V1/mf1/m1ap1/m2=CT/Vxfyapz式中CT——刀具寿命系数，与工件材料、切削条件有关；x、y、z——指数，分别表示切削用量对刀具寿命T的影响，x＞y＞z.切削用量对刀具寿命T影响由大到小的顺序为：V→f→ap五、刀具破损刀具破损分为脆性破损和塑性破损。脆性破损又分为早期和后期两种。早期脆性破损——切削刚开始或短时间切削后即发生破损，前后刀面尚未产生明显的磨损（一般VB≤0.1mm)。后期脆性破损——加工一段时间后，刀具材料因疲劳而引起的破损。1、刀具脆性破损的形态⑴崩刃——在切削刃上产生小的缺口，刀具还能继续切削。陶瓷、立方氮化硼等脆性材料的刀具常发生这种崩刃。⑵碎断——切削刃上发生小块碎裂或大块断裂，不能继续正常切削。刀尖与切削刃处发生小碎块属于早期碎断，一般还可重磨再用，硬质合金和陶瓷刀具断续切削时常出现这种早期碎断；刀尖处发生大块断裂，不可能再重磨使用，多数是断续切削较长时间后，没有及时换刀，因刀具材料疲劳而造成断裂。⑶剥落——在前、后到面上几乎平行于切削刃而剥下一层碎片，经常连切削刃一起剥落。多是断续切削时的一种早期破损现象。陶瓷铣刀片易出现这种破损；硬质合金刀具形成积屑瘤时，也会造成这种破损。⑷裂纹破损——在较长时间断续切削后，由于疲劳而引起裂纹的一种破损。有因热冲击而引起的通常垂直或倾斜于切削刃的热裂纹；也有因机械冲击而发生的平行于切削刃或成网状的机械疲劳裂纹。2、刀具的塑性破损切削时，由于高温和高压作用，有时刀具材料表层发生塑性流动而丧失切削能力，这称之为刀具的塑性破损。高速钢刀具因耐热性较低，在高速切削时常出现这种情况。3、刀具脆性破损的力学原因在实际生产中，工件表面无论其几何形状还是材料的物理、力学性能，都远不是规则和均匀的，以及工件表面有时有沟、槽、孔等，所有这一切就是切削加工或多或少地总带有断续切削的性质。还有一些加工方法，如铣削、刨削等，更是属于断续切削。同时，硬度高、脆性大的刀具材料如硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石等，是粉末冶金材料，组织可能不均匀，且可能分布有众多的缺陷和空隙，因此很容易引起刀具破损。⑴刀具脆性破损的力学原因：①刀具受到过大的机械冲击作用，使应力超过刀具的强度极限。这通常是刀具早期破损的力学原因。②刀具在机械与热冲击作用下，将会产生刀具内裂纹失稳扩展。这通常是刀具后期疲劳破损的力学原因。⑵防止刀具脆性破损的方法①在一定硬度、耐磨性的前提下，尽量提高刀具材料的强度和韧性。②合理选择刀具几何参数，提高其抗破损的能力。如：鐾出负倒棱。③提高焊接质量及刃磨质量，