第2章金属切削过程的基本规律（3）解读课件.ppt
第2章 金属切削过程的基本规律,第3讲 刀具磨损、破损及耐用度,机械制造技术基础,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,2,目的要求,掌握金属切削过程的四大规律。1) 切屑的形成 牢固掌握切屑变形过程及表示变形程度的方法；掌握刀屑变形区的变形与摩擦规律；掌握影响切屑变形的因素；3）切削热和切削温度掌握切削热的来源及传出规律；掌握切削区的温度分布规律；牢固掌握影响切削温度的主要因素；,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,3,4)刀具磨损、破损牢固掌握刀具的磨损形态及刀具磨损的主要原因；牢固掌握刀具磨钝标准及刀具耐用度的概念；掌握各切削参数与刀具耐用度的关系及合理耐用度的选择原则；掌握刀具破损形态及破损原因。,2) 切削力掌握切削力的来源、切削合力、分力及切削功率牢固掌握影响切削力的主要因素；,2.4 刀具磨损、破损及耐用度,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,5,刀具的损坏 (Failure) 形式：,磨损 Wear：刀具在切削过程中将会被逐渐磨损。使切削力增大，切削温度升高，甚至产生振动，因此影响已加工表面质量和生产率。破损 Fracture：有时刀具尚未磨损到须重新刃磨或更换新刀时会发生突然损坏而失效。也影响已加工表面质量和生产率。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,6,刀具磨损与一般机械零件磨损相比的特点：与前刀面接触的切屑底面是活性很高的新鲜表面，不存在氧化膜等污染；前、后刀面上接触压力很高（23GPa）；接触面上的温度很高（8001200）；因此刀具损坏存在着机械、热和化学作用以及摩擦、粘结、扩散等现象。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,7,切削过程中，刀具前刀面与切屑、后刀面与加工表面存在着剧烈的摩擦，使之产生磨损现象。,1. 前刀面磨损成因：切削塑性材料，切削厚度较大，前刀面承受巨大的压力和摩擦力，而且温度很高，使前刀面产生月牙洼磨损(Crater Wear)。,2.4.1 刀具磨损的形态,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,8,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,9,月牙洼位于离切削刃有一定距离，其长度取决于切屑宽度，而其宽度决定于切屑厚度；随切削进行，月牙洼长度基本不变，宽度向切削刃扩大，深度逐渐加深。月牙洼磨损程度通常用月牙洼深度KT表示。,刀具前刀面月牙洼磨损,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,10,2. 后刀面磨损,成因：切削过程中，后刀面与工件加工表面存在着压力和摩擦，使之产生磨损。通常加工脆性材料或较小切削厚度切削塑性材料时主要发生后刀面磨损。由于切削刃各点工作条件不同，其后刀面磨损带是不均匀的。 C区和N区(notch)磨损严重，其磨损带最大宽度分别以 VC 和 VN 表示。中间磨损较均匀（B区），以平均磨损带宽度 VB 表示，而最大磨损宽度以 VBmax 表示。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,11,后刀面磨损,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,12,3. 边界磨损,边界磨损实际上属于后刀面磨损的边界部分。在主后刀面上，主切削刃与待加工表面对应位置处的磨损；在副后刀面上，副切削刃与已加工表面对应位置处的磨损。边界磨损在后刀面磨损带中最为严重。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,13,边界磨损在后刀面磨损带中最为严重。原因： 边界处属切削刃受力（压应力和剪应力）极限位置，存在很大的剪应力（机械应力） 边界处属于切削刃参与切削极限位置，存在很大的温度梯度，引起很大的热应力 边界处受到周围介质（如切削液）中元素的作用加剧了磨损边界处受到待加工表面硬皮或硬化层作用加剧了磨损。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,14,刀具磨损主要原因,刀具正常磨损机械作用、热、化学综合作用。,硬质点磨损（磨料磨损、磨粒磨损）粘结磨损扩散磨损,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,15,1. 硬质点磨损（磨料磨损、磨粒磨损）,各种刀具都会产生硬质点磨损；磨损量与切削路程成正比；硬质点磨损是硬度较低的刀具材料或低速刀具，如高速钢刀具及手工刀具等主要磨损原因。,原因：由工件材料中的硬质点或积屑瘤碎片对刀具表面的机械划伤，从而使刀具磨损。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,16,原因：刀具与工件材料（或切屑）接触面上，在压力和温度作用下，产生所谓的冷焊现象，粘结点因相对运动，晶粒或晶粒群受剪或受拉被对方带走而造成的磨损。粘结点的分离面通常在硬度较低的一方，即工件上。但刀具材料往往组织不均匀，存在内应力以及疲劳微裂纹等缺陷，分离面也会发生在刀具一方，造成刀具磨损。刀具与工件的粘结强度,与温度有关；与两种材料亲和性有关。,2. 粘结磨损,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,17,原因：刀具表面与被切出的新鲜表面相接触，在高温下，两摩擦面的化学元素获得足够的能量，相互扩散，改变接触面各方的化学成份，削弱了刀具材料性能，从而造成刀具的磨损。与化学成份有关；与温度有关，扩散磨损随温度升高而增加。与材料中化学元素活泼性有关。,3. 扩散磨损,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,18,4. 化学磨损（或氧化磨损）,原因：刀具与周围介质（如空气中的氧、切削液中的极压添加剂硫、氯等），在一定的温度下起化学作用，在刀具表面形成硬度低、耐磨性差的化合物，加速刀具的磨损。化学磨损强度决定于：刀具材料中元素的化学稳定性以及温度的影响。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,19,氧化磨损,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,20,5. 热电磨损,原因：刀具与工件材料在高温下形成热电势，当形成闭合回路时将有热电流产生，在热电流的作用下，加快了元素的扩散速度，使刀具磨损加快。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,21,由于刀具材料、工件材料及切削条件不同，磨损原因不同，具体磨损原因可能属于其中一种，也可能几种原因同时作用。高速钢与硬质合金相比，硬度、耐热性较差，高速钢主要磨损原因是硬质点、粘结磨损；硬质合金刀具主要是扩散、粘结磨损或化学磨损。,刀具磨损原因小结：,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,22,磨损原因之间相互作用，热电磨损促使扩散磨损加剧，扩散磨损又促使粘结、硬质点磨损加剧。刀具磨损与温度有至关重要的联系。低温（速）区，以机械磨损（硬质点）为主；高温（速）区，热、化学磨损（粘结、扩散、氧化等）为主。,刀具磨损原因小结：,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,23,刀具磨损强度与切削温度的关系,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,24,2.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准,1. 刀具磨损过程 刀具磨损过程分三个阶段： 初期磨损、正常磨损和急剧磨损。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,25,（1）初期磨损阶段,刀具磨损率较大。主要是新刃磨的刀面较粗糙、使刀工接触面小造成压应力大以及变质层的影响。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,26,（2）正常磨损阶段,经过初期磨损阶段之后，刀面处于良好状态，刀具后刀面磨损均匀而缓慢，切削时间较长。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,27,（3）急剧磨损阶段,当磨损带宽度增加到一定限度之后，切削力与切削温度迅速升高，磨损带宽度急剧增加。 为合理使用刀具和保证加工质量，应在此阶段之前及时更换刀具。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,28,2. 刀具磨钝标准,刀具磨钝标准刀具磨损到一定限度不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。 生产中怎样判断刀具是否达到磨钝标准？粗加工时观察切屑的颜色，加工表面是否出现挤压亮带、摩擦尖叫声以及切削振动情况等；精加工时常以表面粗糙度及尺寸精度为依据判断刀具是否达到磨钝标准。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,29,国际标准ISO统一规定以 1/2背吃刀量处后刀面磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。自动化生产中的精加工刀具常以工件径向上刀具磨损尺寸做为衡量刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量NB。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,30,国际标准 ISO 推荐的车刀耐用度试验磨钝标准如下：高速钢和陶瓷刀具，下列任何一种：（1）破损；（2）后刀面B区规则磨损，取 VB 0.3 mm；（3）后刀面B区内无规则磨损、划伤、剥落或有严重的沟痕，取 VBmax = 0.6 mm。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,31,硬质合金刀具，下列任一种：（1）VB 0. 3 mm；（2）后刀面无规则磨损，VB max = 0.6 mm；（3）前刀面磨损量KT0.060.3 f（进给量）。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,32,2.4.4 刀具耐用度经验公式及其合理选择,1. 切削速度与刀具耐用度的关系,刀具耐用度刀具刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具磨钝标准所经过的净切削时间，用T（s或min）表示。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,33,在一定切削条件下，切削速度愈高，刀具耐用度愈低。原因：切削速度对切削温度影响最大，对刀具磨损影响最大，故对刀具耐用度影响也最大。,刀具耐用度经验公式及其合理选择,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,34,现通过实验方法求得 vT 关系：,按ISO国际标准对单刃车刀耐用度试验规定：当切削刃磨损均匀时，取 VB = 0.3 mm；如果磨损不均匀时，VB = 0.6 mm。固定其他条件，在常用速度范围内，取不同的切削速度v = vl，v2，v3，v4，进行刀具磨损试验，得到一组磨损曲线。按规定磨钝标准，对应于不同的v有相应的 T = T1，T2，T3，T4。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,35,刀具磨损曲线,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,36,在双对数坐标中确定(vl，T1)、(v2，T2)、(v3，T3)、(v4，T4)各点，它们成线性。其方程为： log v = -m log T log Co 式中： m = tg，即该直线的斜率； Co为T=1s（或min）时的切削速度值。 故： v Tm = Co此即为著名的泰勒(Taylor)公式。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,37,在对数坐标上vT 曲线,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,38,由图，该直线斜率（m）愈小，说明 v 对 T 影响愈大，也就是说 v 稍微增加，使 T 下降很大，说明刀具材料耐磨性能差。如高速钢刀具材料 m = 0.l0.125；硬质合金 m=0.20.3；陶瓷刀具 m=0.4。 在较宽的切削速度范围内，特别在低速区内，v-T 关系就不是单调函数。原因：积屑瘤现象影响刀具耐用度所致。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,39,2. 进给量和背吃刀量与刀具耐用度的关系,与 v-T 关系一样进行试验，可得到 f-T、ap-T 关系，即 f Tm1 = C1 ap Tm2 C2 综合式可得切削用量与刀具耐用度的一般关系：,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,40,刀具耐用度经验公式及其合理选择,令 x=1/m， y= 1/ml，z=1/m2，则,式中 CT耐用度系数，与刀具、工件材料和切削条件有关x、y、z指数，分别表示切削用量对刀具耐用度影响的程度,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,41,用 YT5硬质合金车刀切削b=0.637GPa碳钢时，（f0.7mm/r）切削用量与刀具耐用度的关系为：,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,42,可见：,V 对T 的影响最大，其次是 f，最小的是 ap。切削用量对 T 的影响规律符合对 的影响规律。同时反映出切削温度对刀具的磨损和耐用度有重要的影响。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,43,3. 合理耐用度的选择,选择刀具耐用度的原则根据优化目标确定的。优化目标：最大生产率、最低成本和最大利润。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,44,(1)最大生产率耐用度（Tp）,最大生产率是指工件(或工序)加工所用时间最短。最大生产率耐用度是指以工件(工序)加工生产率最大为原则确定的刀具耐用度。工序切削时间、换刀时间、其他辅助时间。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,45,(2)最低成本耐用度（Tc）,最低成本耐用度是指以每个零件(或工序)加工费用最低为原则确定的刀具耐用度。选择刀具耐用度时,当需要完成紧急任务或产品供不应求以及完成限制性工序时,可采用最大生产率耐用度;当产品滞销或在一般生产中,常采用最低成本耐用度。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,46,选择耐用度时，复杂刀具，应选高一些； 对刀、调刀复杂，应选高一些； 加工大件的刀具，减少换刀次数，应选择高一些； 可转位刀具（如陶瓷刀片），换刀时间短，为充分发挥其信念，应低一些。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,47,(3)最大利润耐用度(Tpr),按最低成本原则制定刀具耐用度时，加工工时将长于最短工序工时;如果按最大生产率原则制定刀具耐用度时，则工序成本将高于最低成本。因此，有时为了兼顾两方面的要求，提出最大利润率耐用度，以获得最大的利润。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,48,2.4.5 刀具破损( Fracture),刀具破损刀具在切削过程中尚未达到磨钝标准受到损坏而不能继续使用。易破损情况：脆性大的刀具材料；进行断续切削；切削高硬度、高强度的工件。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,49,1. 破损分类,按切削时间分：早期、后期； 按刀具材料分：脆性、塑性。,按破损机理（刀具材料）分:脆性破损陶瓷、硬质合金等；塑性破损HSS为主、合金工具钢。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,50,按切削时间分,早期破损后刀面尚未有明显的磨损（VB0.1mm），或刀具冲击次数（断切）小于103次而破损。原因：刀具使用前有缺陷或切削条件不合理（恶劣）。后期破损经过较长时间切削而破损。原因：刀具内应力致使产生裂纹并扩展，后刀面有一定磨损，使切削力增大，同时刀具内部有缺陷的综合作用。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,51,2. 刀具的脆性破损,(1)刀具脆性破损形态1)崩刃切削刃上产生小缺口，尺寸与 f 相当，刀具能继续使用属早期轻度破损；高脆性刀具材料如陶瓷；缺口大不能使用。,崩刃（YT5加工40Gr）,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,52,2) 剥落发生在前、后刀面上，方向平行切削刃。 与接触面上的摩擦、压力有关； 特别在产生积屑瘤、粘结、冲击等情况下易发生； 脆性大的刀具材料。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,53,3) 碎断切削刃上发生小块碎裂或大块碎裂而不能继续正常使用。小块碎裂可重磨再使用；大块碎裂则不能继续使用；原因：切削负荷过大、刀具缺陷或疲劳等。,小块碎裂 大块碎裂,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,54,4) 裂纹破损后期破损的一种。,原因：机械疲劳裂纹（平行于切削刃）、热疲劳裂纹（垂直于切削刃），裂纹不断扩展又互相合并，引起碎裂。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,55,3. 刀具的塑性破损,合金工具钢和高速钢刀具。原因：耐热性低，切削温度高，刀具表面材料产生塑性流动，丧失切削性能。硬质合金刀具切削耐热合金时也有塑性破损。原因：切削用量选择不当。,塑性破损,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,56,4. 刀具破损的原因,(1)脆性破损的原因机械冲击和热冲击以及积屑瘤与粘结作用。1) 机械应力 机械载荷尤其时循环的机械冲击（断切时）使刀具内产生很高的（交变的）应力，使刀片薄弱处产生裂纹，疲劳载荷使裂纹扩展，达失稳状态发生崩刃或碎裂而破损。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,57,2) 热应力热冲击thermal shock（或热疲劳thermal fatigue）使刀具产生微裂纹。断续切削条件下，特别是切削液使用不充分时，切入温升、切出温降，在一次循环中刀具表面受冷热的交替作用，使刀具受热疲劳而产生裂纹，其扩展造成破损。所以，刀具的脆性破损是热应力与机械应力联合作用的结果。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,58,(2)刀具塑性破损的原因,刀具耐热性差，而又处在较高温作用下，使刀具表面产生塑性流动而丧失切削性能。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,59,4. 防止刀具破损的措施,(1) 正确选择刀具材料种类和牌号；(2) 合理选用切削用量，以控制切削力、切削温度；(3)合理选择刀具参数，以控制刀具的受力状态、强化刀具；(4) 提高工艺系统的刚性，减少振动。,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,60,作业：,这么多！,课后的习题,P.173: T14 T15 T16,试分析刀具磨损的主要原因。什么是刀具耐用度？切削用量与刀具耐用度有什么关系？切削用量三要素对刀具使用寿命影响程度有何不同?试分析其原因。刀具破损形态有哪几种？并分析刀具破损的原因。高速钢和硬质合金刀具的破损形式有何不同?,2022/12/11,山东大学机械工程学院 李凯岭,61,Question and Answer Session,The End,
