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刀具磨损的三个阶段

2020年05月07日 技术文章 阅读(354)

一、刀具磨损的形态及其原因
切削金属时,刀具一方面切下切屑,另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损,属正常磨损;后者包括脆性破损(如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等)和塑性破损两种,属非正常磨损。
刀具磨损后,使工件加工精度降低,表面粗糙度增大,并导致切削力加大、切削温度升高,甚至产生振动,不能继续正常切削。因此,刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。


刀具正常磨损的形式有以下几种:
1.前刀面磨损 2.后刀面磨损 3.边界磨损(前、后刀面同时磨损)
从对温度的依赖程度来看,刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、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的,热、化学磨损则是由粘结(刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象)、扩散(刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方扩散、腐蚀)等引起的。
(1)磨粒磨损
在切削过程中,刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。磨粒磨损对高速钢作用较明显。
(2)粘结磨损
刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象,称粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成。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
切削时在高温作用下,接触面间分子活动能量大,造成了合金元素相互扩散置换,使刀具材料机械性能降低,若再经摩擦作用,刀具容易被磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。
(4)相变磨损
当刀具上最高温度超过材料相便温度时,刀具表面金相组织发生变化。如马氏体组织转变为奥氏体,使硬度下降,磨损加剧。因此,工具钢刀具在高温时均用此类磨损。
(5)氧化磨损
氧化磨损是一种化学性质的磨损。
刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。
1)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。
2)在中等以上切削速度加工时,热效应使高速钢刀具产生相变磨损、使硬质合金刀具产生粘结、扩散和氧化磨损。


二、刀具磨损过程、磨钝标准及刀具寿命
1、刀具磨损过程
随着切削时间的延长,刀具磨损增加。根据切削实验,可得图示的刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。该图分别以切削时间和后刀面磨损量VB(或前刀面月牙洼磨损深度KT)为横坐标与纵坐标。从图可知,刀具磨损过程可分为三个阶段:
1.初期磨损阶段 2.正常磨损阶段 3.急剧磨损阶段
2、刀具磨钝标准
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。规定后刀面上均匀磨损区的高度VB值作为刀具的磨钝标准。
3、刀具的耐用度(刀具寿命)
一把新刀(或重新刃磨过的刀具)从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所经历的实际切削时间,称为刀具的耐用度,用T分钟表示。又称为刀具寿命。


三、刀具的破损
刀具破损和刀具磨损一样,也是刀具失效的一种形式。刀具在一定的切削条件下使用时,如果它经受不住强大的应力(切削力或热应力),就可能发生突然损坏,使刀具提前失去切削能力,这种情况就称为刀具破损。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。刀具的破损有早期和后期(加工到一定的时间后的破损)两种。刀具破损的形式分脆性破损和塑性破损两种。硬质合金和陶瓷刀具在切削时,在机械和热冲击作用下,经常发生脆性破损。脆性破损又分为:
1.崩刀 2.碎断3.剥落 4.裂纹破损。


四、刀具的状态监控
如前所述,刀具损坏的形式主要是磨损和破损。在现代化的生产系统(如FMS、CIMS等)中,当刀具发生非正常的磨损或破损时,如不能及时发现并采取措施,将导致工件报废,甚至机床损坏,造成很大的损失。因此,对刀具状态进行监控非常重要。
刀具破损监测可分为直接监测和间接监测两种。所谓直接监测,即直接观察刀具状态,确认刀具是否破损。其中最典型的方法是ITV(Industrial Television, 工业电视)摄像法。间接监测法即利用与刀具破损相关的其它物理量或物理现象,间接判断刀具是否已经破损或是否有即将破损的先兆。这样的方法有测力法、测温法、测振法、测主电机电流法和测声发射法等。


五、刀具耐用度(刀具寿命)的选择原则
切削用量与刀具寿命有密切关系。在制定切削用量时,应首先选择合理的刀具寿命,而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种,前者根据单件工时最少的目标确定,后者根据工序成本最低的目标确定。
比较最高生产率耐用度Tp与最低生产成本耐用度Tc可知:Tc>Tp。生产中常根据最低成本来确定耐用度,但有时需完成紧急任务或提高生产率且对成本影响不大的情况下,也选用最高生产率耐用度。刀具耐用度的具体数值,可参考有关资料或手册选用。

选择刀具寿命时可考虑如下几点:
(1)根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。
(2)对于机夹可转位刀具,由于换刀时间短,为了充分发挥其切削性能,提高生产效率,刀具寿命可选得低些,一般取15—30min。
(3)对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具,刀具寿命应选得高些,尤应保证刀具可靠性。
(4)车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时,该工序的刀具寿命要选得低些;当某工序单位时间内所分担到的全厂开支 M较大时,刀具寿命也应选得低些。
(5)大件精加工时,为保证至少完成一次走刀,避免切削时中途换刀,刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。


六、影响刀具耐用度T因素(见P43)
1、切削用量
切削用量对刀具耐用度T的影响规律如同对切削温度的影响。
切削速度Vc、 背吃刀量(切削深度)ap、进给量增大,使切削温度提高,刀具耐用度T下降。
Vc影响最大、 进给量f其次,ap影响最小。(见P43 刀具耐用度T计算公式2.28)
根据刀具耐用度合理数值T计算的切削速度称为刀具耐用度允许的切削速度,用VT表示,其计算式为:
显然低成本允许的切削速度低于高生产率允许的切削速度。
2、工件材料
(1)硬度或强度提高,使切削温度提高,刀具磨损加大,刀具耐用度T下降。
(2)工件材料的延伸率越大或导热系数越小,切削温度越高,刀具耐用度T下降。
3、刀具几何角度
(1)前角对刀具耐用度的影响呈“驼峰形”。
(2)主偏角Κr减小时,使切削宽度bD增大,散热条件改善,故切削温度下降,刀具耐用度T提高。
4、刀具材料
刀具材料的高温硬度越高、越耐磨,刀具耐用度T越高。
加工材料的延伸率越大或导热系数越小,均能使切削温度升高因而使刀具耐用度T降低。

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