刀具磨损

第六章刀具磨损与刀具使用寿命6.1刀具磨损形态6.2刀具磨损的原因6.3刀具磨损过程与磨钝标准6.4刀具使用寿命及与切削用量的关系6.5刀具合理使用寿命的制定切削过程中，刀具切削部分在前、后刀面上的接触压力很大，温度很高。同时，还与切屑及加工表面产生强烈的摩擦，结果使刀具逐渐磨钝，以致失效。刀具磨损与一般机械零件的磨损有明显不同：与前刀面接触的切屑底层是不存在氧化膜或油膜的新鲜表面。因此，刀具磨损与机械、热和化学作用密切相关。刀具磨损决定于刀具材料、工件材料的物理力学性能和切削条件。6.1刀具磨损形态刀具磨损失效可分为正常磨损和非正常磨损两种。6.1.1正常磨损所谓正常磨损，是指切削过程中刀具前刀面和后刀面在高温、高压作用下产生的正常磨钝现象。刀具的磨损形态如图6.1所示。正常磨损有三种形态：1.前（刀）面磨损加工塑性材料时，切削速度较高，切削厚度较大时，在高温高压作用下，切屑将在刀具前刀面上逐渐磨出一个月牙形凹窝，常被称为月牙洼磨损（图6.1）。前刀面的磨损值常以月牙洼的最大深度KT表示（图6.2（a）)2.后（刀）面磨损当切削脆性材料或以较小进给量、较低切削速度切削塑性材料时，在后刀面毗邻刃口处很快被磨出α0=0°的小棱面都将产生后刀面磨损。后刀面的磨损往往不均匀，通常分为三个区：靠近刀尖部分的C区、靠近工件外皮处的N区和中间部分的B区。C区由于强度较低、散热条件较差，磨损较严重，磨损宽度的最大值以VC表示；N区磨损属于边界磨损，由于工件毛胚表面硬皮或上道工序加工硬化层等因素的影响，使得磨损加剧，会产生较大深沟，该区的磨损宽度以VN表示；B区的磨损比较均匀，常以平均磨损宽度VB表示，有时也用最大磨损宽度VBmax表示。3.边界磨损切削钢材时，常在主切削刃与工件待加工表面或副切削刃与工件已加工表面接触处的后刀面上，磨出较深沟纹，这种磨损沟纹称为边界磨损。（图6.3）6.1.2非正常磨损（破损）刀具破损是刀具失效的另一种形式，刀具的破损按性质可分为塑性破损和脆性破损，据统计，硬质合金刀具约有50%-60%的损坏是脆性破损。按时间又可分为早期破损和后期破损。早期破损是切削刚开始或经短时间切削后即发生的破损脆性大的刀具材料切削高硬度材料或断续切削时，常出现这种破损。后期破损是切削一定时间后，刀具材料因交变机械应力和热应力所致的疲劳损坏。1.塑性破损塑性破损是指由于高温高压作用而使前、后刀面发生塑性流动而丧失切削能力。它直接与刀具材料与工件材料的硬度比值有关，硬度比值越大，越不容易发生塑性破损。2.脆性破损硬质合金和陶瓷刀具在机械与热冲击作用下，常产生的崩刃、碎断、剥落、裂纹等均属脆性破损。6.2刀具磨损的原因由于工件材料、刀具材料和切削条件的不同变化很大，刀具的磨损形态各不相同，磨损原因也复杂得很，刀具磨损的主要原因分述如下：6.2.1硬质磨损硬质点磨损（亦称机械磨损或磨料磨损），是由于工件材料中含有的硬质点（如碳化物、氮化物和氧化物）以及积屑瘤的碎片等在刀具表面上划出沟纹而造成的磨损。高速钢刀具的这种磨损比较显著，硬质合金刀具相对较少。各种切削速度下，刀具都存在硬质点磨损，但它是低速切削刀具磨损的主要原因。6.2.2粘结磨损粘结是指刀具与工件材料在足够大压力和高温作用下，所产生的“冷焊”现象，是摩擦面的新鲜表面原子间吸附的结果。两摩擦表面的粘结点因相对运动将被撕裂而被对方带走，若粘结点的破裂发生在刀具一方，则造成了刀具磨损。一般来说，粘结点的破裂往往发生在工件或切屑上。但刀具材料也可能有组织不均，存在内应力、微裂纹、空穴及局部软点等缺陷，所以刀具材料表面也会发生被工件材料带走造成的磨损。各种刀具材料包括立方氮化硼和金刚石刀具都有可能发生粘结磨损。切削温度是影响粘结磨损的主要因素。切削温度越高，粘结磨损越严重。图6.4是不同硬质合金与钢的粘结温度曲线。由图可知，YT类硬质合金与钢的粘结温度比YG类高，说明YT类硬质合金抗粘结性能好于YG类。故切削钢件时宜选用YT类硬质合金。6.2.3扩散磨损由于切削时处于高温，当两摩擦表面化学元素的浓度相差较大时，它们就可能在固态下相互扩散到对方去，改变了刀具材料和工件材料的化学成分，使刀具材料变得脆弱而造成刀具磨损，这种磨损称为扩散磨损。例如，当切削温度达800℃以上时，一方面硬质合金中的C、W、Co等元素扩散到切屑中去而被带走（图6.5），切屑中的Fe元素扩散到硬质合金表层，形成新的脆性低硬度复合碳化物；另一方面，硬质合金中的C扩散出去造成贫碳，使硬度降低,Co的扩散使其含量减小，降低了WC、TiC等碳化物与基体的粘结强度，这些都使刀具磨损加工加剧。但TiC的扩散能力不如WC，高温下反而会在表层生成TiO2保护层而阻碍扩散进行，故高速切钢宜选用YT类硬质合金。扩散磨损常常和粘结磨损同时产生。硬质合金刀具的前刀面上月牙洼最深处的温度最高，故该处的扩散速度也高，磨损快；月牙洼处又容易发生粘结，因此月牙洼磨损是由扩散和粘结磨损共同造成的。扩散磨损速度主要与切削温度和刀具的化学成分有关系。所以YT类硬质合金的抗扩散能力优于YG类。采用TiC和TiN的涂层刀片，可提高刀具表面的化学稳定性、减少扩散磨损。6.2.4化学磨损（氧化磨损）在一定得切削温度下，刀具材料与周围介质的某些成分（如空气中的氧、切削液中的极压添加剂硫、氯等）会起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物被切屑带走，加速了刀具的磨损，这种磨损称为化学磨损。如用金刚石刀具切削黑色金属时，当切削温度高区700℃时，刀具表面的碳原子将与空气中的氧发生强烈的化学反应，生成C0或CO2气体，加剧了刀具的磨损，这是金刚石刀具在空气中不能切削黑色金属的一个主要原因。综上所述，刀具磨损的主要原因是硬质点磨损、粘结磨损、扩散磨损和化学磨损。必须指出，对不同的刀具材料、工件材料和在不同的切削条件，造成磨损的主要原因是不同的，但切削温度是起主导作用的，因为除了硬质点磨损外，其余三种磨损原因均与切削温度密切相关。图6.6为硬质合金刀具加工钢料时，在不同的切削速度（切削温度）下各种磨损所占比例示意图。在中低温时，粘结磨损是主要的；高温时，扩散磨损和化学磨损是所占比例大些。6.3刀具磨损过程与磨钝标准6.3.1刀具磨损过程刀具磨损是随切削时间的延长而逐渐增加的。该图的横坐标为切削时间，纵坐标为后刀面磨损值VB（或前刀面月牙洼磨损深度KT）刀具磨损过程可分为三个阶段：1.初期磨损阶段初期磨损阶段磨损曲线斜率较大，即刀具磨损较快。因为新刃磨的刀具表面存在着粗糙不平及微裂纹、氧化或脱碳层等缺陷，且刃口较锋利，后刀面与加工表面接触面积小，压应力较大，故很快在后刀面上磨出一窄棱面。一般初期磨损值为0.05～0.1mm，其大小与刀具的刃磨质量有关。2.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，后刀面的磨损量随切削时间的增大而近似成比例增加。该阶段是刀具的有效工作阶段，该阶段时间较长，刀具使用不应超过这个阶段。3.急剧磨损阶段当刀具后刀面磨损值增加到一定限度时，加工表面粗糙值加大，切削力迅速增大，切削温度迅速升高，刀具磨损速度也急剧加快，为了合理的使用刀具，保证加工质量，应避免刀具磨损进人该阶段。6.3.2刀具磨钝标准刀具磨损到一定程度就不能在继续使用，否则将降低工件的尺寸精度和表面质量，增加刀具材料的消耗及加工成本。刀具的这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。在生产实践中，例如，粗加工时，加工表面出现亮带，切削颜色和形状发生变化，还会出现振动和不正常的声音等；精加工时，加工表面粗糙度值增大，工件尺寸精度和形状精度降低。这些异常现象的产生均说明刀具已经磨损。常以刀具后刀面磨损值作为衡量刀具磨损程度的磨钝标准。因为一般刀具后刀面都会发生磨损，且测量也较方便。因此国际标准ISO统一规定1/2背吃刀量处的后刀面磨损宽度VB为刀具的磨损标准。自动化生产中的刀具，常以刀具径向磨损量NB作为刀具磨损标准。如图6.8：制定磨钝标准时，既要考虑刀具的合理使用，又要考虑工件表面粗糙度和尺寸精度。因此，不同加工条件下，刀具磨钝标准也不相同。具体数值可参考有关手册确定。国际标准ISO推荐的车刀使用寿命试验的磨钝标准如下：（1）高速钢或陶瓷刀具，可以是下列任何一种：①破损。②如果后刀面在B区内（图6.2）是有规范的磨损，取VB=0.3mm。③如果后刀面在B区内无规则的磨损、划伤、剥落或严重的沟痕，取VBmax=0.6mm。（2）硬质合金刀具，可以是下列任何一种：①VB=0.3mm。②如果后刀面是无规则的磨损，取VBmax=0.6mm。③前刀面磨损量KT=0.06+0.3f，其中f为进给量。6.4刀具使用寿命及与切削用量的关系6.4.1刀具使用寿命1.刀具使用寿命的定义一把新刀从开始切削到磨损值达到磨钝标准为止总的切削时间，或者说刀具两次刃磨之间总的切削时间，称刀具使用寿命（旧称刀具耐磨度），以T表示。在一些情况下，刀具使用寿命也可用达到磨钝标准时总切削路程来表示；精加工时，也可用加工完的工件数量或走刀次数来表示。2.刀具使用寿命与刀具总寿命关系刀具的总寿命是指一把新刀从投入使用直到报废为止总的切削时间。由于通常一把新刀可以刃磨多次以后才报废，因此刀具的总寿命应等于刀具使用寿命与刃磨次数的乘积。6.4.2切削用量与刀具使用寿命关系切削用量与刀具使用寿命有着密切的关系，切削用量三要素对刀具使用寿命的影响也不同。1.切削速度与刀具使用寿命的关系工件材料、刀具材料和刀具几何参数确定后，切削速度是影响刀具使用寿命的最主要因素。本实验也可采用单因素法，数据处理也采用图解法。试验前先制定磨钝标准。取VB=0.3mm；磨损不均匀时，则取VBmax=0.6mm。具体步骤如下：在固定其它切削条件的情况下，在常用切削速度范围内，选取不同的切削速度vc1、vc2、vc3、vc4…进行刀具磨损试验、得到几条与之对应的刀具磨损值VB随切削时间tm的变化曲线（图6.9）。根据制定的磨钝标准，可以求出不同切削速度所对应的刀具使用寿命。为了找出切削速度vc与刀具使用寿命T的关系，可用图解法在双对数坐标纸上画出（T1，vc1），（T2，vc2），（T3，vc3），（T4，vc4）…各点，在一定的切削速度范围内，可发现这些点基本在一条直线上（图6.10）。写出其直线方程为（6.1）式中vc——切削速度（m/min）;T——刀具使用寿命（min）；m——直线的斜率（m=tanα），表示vc对T的影响程度，与刀具材料有关；C0——系数，与工件材料及切削条件有关。将直线方程式写成指数形式，则有（6.2）式（6.2）为切削速度与刀具使用寿命的关系式，亦称泰勒公式，是选择切削速度的重要依据。指数m是vc——T直线的斜率，其大小表示切削速度对刀具使用寿命的影响程度：耐热性越差的刀具材料，m值越小，直线斜率越小，说明切削速度对刀具使用寿命的影响越大，亦即切削速度稍微改变一点，就会造成刀具使用寿命有较大的变化。如高速钢刀具的耐热性较差，一般m=0.1～0.125；硬质合金和陶瓷刀具的耐热性较好，直线斜率较大，硬质合金刀具的m=0.2～0.3，陶瓷刀具的m=0.3～0.4。图6.11给出了三种不同刀具材料切削同一种工件材料（镍铬钼合金钢）时的使用寿命比较。必须指出，式（6.2）的使用是有一定限制的：①该公式是以刀具正常磨损为基础得到的，对于脆性大的刀具材料，在断续切削时经常发生破损，这个关系式不适用。②在较宽的切削速度范围内进行试验，vc——T关系不是单调函数，原因在于积屑瘤的作用，式（6.2）也不再适用。③m近似为常数，vc越高，m有减小趋势。2.进给量与背吃刀量与刀具使用寿命的关系为了求出进给量和背吃刀量与刀具使用寿命的关系，也可参照求vc——T关系的实验方法步骤，固定其它切削条件，只改变f或，即可分别获得f—T和-T的关系式，即：（6.3）（6.4）综合式（6.2）—（6.4），可以得到切削用量三要素与刀具使用寿命的关系式如令x=，y=，z=，则有（6.5）式中CT——刀具使用寿命系