刀具磨损和刀具使用寿命.ppt
第六章刀具磨损和刀具使用寿命,刀具磨损是金属切削研究中的重要课题之一，其与工件效率和加工成本有直接的影响。刀具磨钝后会产生一些变化，例如已加工表面光洁面恶化或在工件上出现挤亮的表面；切屑的形状和颜色发生变化；切削的声音发生变化，产生一种沉重的感觉，甚至出现振动等等。在刀具上，切削刃钝圆半径增大，后刀面上出现磨损带，前刀面上可能出现月牙状的凹坑。,6.1刀具磨损的形态 刀具失效的形式有正常磨损和非正常磨损两类。正常磨损正常磨损是指随着切削时间增加，磨损逐渐扩大的磨损。1.前刀面磨损(月牙洼磨损)常发生于加工塑性金属时，切削速度较高和切削厚度较大的情况下，切屑在刀具的前刀面上磨出一个月牙形凹坑，习惯上称之为月牙洼。在磨损过程中，初始磨损点与刀刃之间有一条小窄边，随着切削时间的延长，磨损点扩大形成月牙洼，并逐渐向切削刃方向扩展使切削刃强度随之削弱，最后导致崩刃。月牙洼处即切削温度最高点。,2.后刀面磨损切削过程中，刀具后刀面与已加工表面之间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方磨出了沟痕，这种磨损形式称之为后刀面磨损。在切削脆性及以较低速度及较小进给量切削塑性材料时，均会发生后刀面磨损。一般以后刀面的磨损量作为衡量刀具磨损的主要参数。后刀面磨损分为三个区，由刀尖向刀身方向分别为C、B、N，相应的磨损量为VC、VB、VN。VC：磨损较大，因为刀尖强度差，散热条件差；VB：磨损均匀，与刀尖相比，强度、散热相对较好。VN：磨损大，因其靠近前一道工序加工后产生的加工硬化层，或毛坯表面的硬层。,3.边界磨损切削钢料时，常在主切削刃或副切削刃靠近工件外皮处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损。切削塑性金属时经常发生，加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。,非正常磨损在生产中，常会出现刀具突然崩刃、卷刃或刀片碎裂的现象，被称为非正常磨损。1.塑性破损 切削时，刀具由于高温高压的作用，使刀具前、后刀面的材料发生塑性变形，刀具丧失切削能力，这种破损称为塑性破损。与硬度比有关.硬质合金不易产生.2.脆性破损在振动、冲击切削条件的作用下，刀具尚未发生明显磨损（VB0.1mm），但刀具切削部分却出现了刀刃微崩或刀尖崩碎、刀片或刀具折断、表层剥落、热裂纹等现象，使刀具不能继续工作，这种破损称为脆性破损。硬质合金易产生.,6.2刀具的磨损原因,刀具的磨损过程和机理非常复杂，有机械负荷和硬质点造成的机械磨损；切屑粘附造成的粘附磨损；周期性交变载荷造成的疲劳磨损；化学效应造成的氧化和扩散磨损及刀尖区高温塑性变形、热应力造成的磨损等。其特点可归纳为：摩擦接触表面是活性很高的新鲜表面；摩擦接触的温度很高，可达800oC1000oC；摩擦接触面之间的接触压应力很大，可达2GPa以上；磨损速度很快。刀具的磨损通常是机械、化学和热效应综合作用的结果。,1硬质点磨损（磨料磨损）工件材料中含有一些氧化物（SiO2，Al2O3，TiO等），碳化物（Fe3C，Cr23C6，Fe3W3C，Fe3MO3C，VC，TiC，Fe3(C,B)等）及氮化物（Si2N4，Cr2N，TiN，VN，BN，AlN）等硬质点。这些合金元素有些是杂质，有些是在炼钢时作为还原剂加进去的，有些是为改善钢的性能有意识添加进去的。这些硬质点的硬度如果超过了刀具材料基体的硬度，当进入刀、屑接触面时，就会象磨料一样在刀具表面上划出一条条沟槽，称为磨粒磨损。这种磨损存在于任何切削速度的切削加工中。但对于低速切削的刀具（如：拉刀、板牙等）而言，磨料磨损是磨损的主要因素。这种磨损不但发生在前刀面上，后刀面上也会发生。一般是软刀具材料（高速钢、YG类高Co刀具）的主要磨损形式。,粘结磨损粘结是冷焊和熔焊的总称。在摩擦副的实际接触面上，在极大的法向压力下产生塑性变形而发生粘附冷焊；在切削高温区，材料软化而处于易变形状态，由于原子的热运动作用，原子克服它们之间的位能壁垒，使两种金属互融的可能性增大，这样发生的粘附熔焊。在切削过程中，两摩擦面由于有相对运动，粘结点将产生撕裂，被对方带走，即造成粘结磨损。这种磨损主要发生在中等切削速度范围内。粘附层的形成是随着切削时间的递增而变化的，到一定程度就发生粘附、撕裂，再粘附、再撕裂的周期循环。其撕裂的部位是从切屑向刀具材料方向发展。当刀刃上发生大面积的撕裂时，刀具就会突然失去切削能力。影响刀具粘附磨损的主要因素除了化学反应外，接触区的温度和应力对刀具的磨损起着决定性作用，这种磨损是任何刀具材料都会发生的磨损形式。,粘结磨损速度与下列因素有关；（1）刀具材料与工件材料粘结的牢固程度粘结越牢越易磨损（2）刀具材料表层的微观强度表层缺陷如微裂纹、空隙、杂质、残余应力。随着表层缺陷的增多，粘蚀磨损也随之增加。（3）刀具材料与工件材料的硬度比 假如刀具材料与工件材料都不变化，仅改变切削速度，则刀具材料与工件材料的硬度都随之变化。假如切削速度的变化使工件材料的硬度下降而硬质合金的硬度基本没有下降，则粘结磨损会减少。,扩散磨损 在切削高温下，使工件与刀具材料中的合金元素在固态下相互扩散置换造成的刀具磨损，称为扩散磨损。扩散磨损是硬质合金刀具磨损的主要形式，是加剧刀具磨损的一种原因。常与粘结磨损同时产生。扩散磨损的速度与下列因素有关：1.刀具与工件两种材料之间是否容易起化学反应 不同材料之间有不同的化学亲和性，有的材料之间在相当高的温度下会发生激烈的化学反应，例如W、C与碳钢之间。在相同的条件下，有的则不发生反应，例如Al2O3与碳钢之间。有的则发生轻微反应，例如TiC与碳钢之间。切削碳钢时在相同的条件下，WCCo硬质合金刀具的磨损最快，Al2O3陶瓷刀具磨损最慢，而WCTiCCo硬质合金刀具介于二者之间。2.接触面的温度 由扩散定律，对一定材料，随着温度的上升，扩散量先是较缓慢地增大，而后则越来越迅猛地增大。,化学磨损(氧化磨损)在一定温度下，刀具材料与某些周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨损，称为化学磨损。热电磨损在切削区高温作用下刀具与工件这两种不同材料之间会产生热电势，根据不同的刀具、工件材料及不同的切削温度而异，大约在120mv之间。如果机床与工件之间或机床与刀具之间没有绝缘，则在机床、工件、刀具、机床回路中会产生微弱的电流。这个电流的大小除与热电势有关外，还与这一回路中的电阻（称为机床电阻）有关。静态的机床电阻都很小，一般小于1欧。切削时机床电阻与转速有关，不同机床的变化规律并不相同。试验表明，热电势产生的电流在几十毫安以内，加速刀具的磨损。,各种磨损原因可归纳成下列几点：（1）高速钢刀具的耐热性及硬度比硬质合金低，粘蚀磨损及磨粒磨损占的比例大，而扩散磨损占的比例不大。当用高速钢切削高温合金等难切削材料时，应选用提高耐热性与提高硬度的高性能高速钢。（2）刀具与工件材料粘结强烈，则粘蚀磨损占的比例增大。（3）工件中硬质点数增加，则磨粒磨损占的比例增大。（4）周围介质化学作用容易引起切削刃边缘部位的月牙洼磨损。（5）切削一些难加工材料时热电磨损占有一定比例。在多数原因中都是随着切削温度的升高而加剧磨损，例如扩散磨损、热电磨损及化学磨损等。所以切削温度是确定磨损快慢的一个重要指标。当达到一定温度后，温度越高，磨损越快。,切削速度对刀具磨损强度的影响1-硬质点磨损；2-粘结磨损；3-扩散磨损；4-化学磨损,6.3刀具磨损过程及磨钝标准,刀具磨损过程1.初期磨损 磨损过程较快，时间短。因为新刃磨的刀具表面尖峰突出，在与切屑相互磨擦过程中，压强不均匀，峰点的压强很大，造成尖峰很快被磨损，使压强趋于均衡，达到不大的值（通常VB=0.050.1mm）后即稳定下来，磨损速度减慢。2.正常磨损 刀具表面经前期的磨损，峰点基本被磨平，表面的压强趋于均衡，刀具的磨损量VB随时间的延长而均匀地增加。该阶段的磨损曲线基本上是线性的，其斜率代表磨损强度，是比较刀具性能的一个重要指标。3.剧烈磨损 当正常磨损达到一定限度后，刀刃已变钝，切削力、切削温度急剧升高，磨损原因发生了质变，刀具表层疲劳，性能下降，磨损量VB剧增，刀具很快失效。磨损速度突然加快。在这种情况下，应在VB到达C点前就终止切削，取下重磨。在正常的切削速度下用硬质合金切削灰铸铁，当VB相当大时，可能也不出现这一阶段。这时VB也不应过大，以免造成重磨困难。,刀具磨钝标准 刀具磨钝达一定限度就不能继续作用，而应进行重磨，这个磨损限度成为刀具的磨钝标准。一般以后刀面磨损值VB达到一定数值作为磨钝标准。磨钝标准的具体数值可从切削用量手册中查得。规定磨钝标准的两点标准：一般将粗加工的磨钝标准定在正常磨损阶段的后期临近剧烈磨损阶段以前。随着后刀面磨损值的加大，切削力将增大，尤以Fx与Fy增大得更为显著，所以当机床、刀具、工件系统刚度差时，刀具磨钝标准应适当减小。,根据加工精度和表面质量要求规定磨钝标准。刀具磨损后将恶化加工零件的表层质量，降低尺寸精度，故半精加工与精加工的磨钝标准一般低于粗加工的，并且应根据零件表层质量及精度的要求确定。对表层质量要求严格（特别是防止出现过大的残余拉应力或避免在表层出现微裂纹等缺陷）的重要零件，对后刀面的磨损量应该严格控制。国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准，可以是以下任何一种：（1）VB=0.3mm；（2）如果主后刀面为无规则磨损，取VB max=0.6mm；（3）前面磨损量KT=0.06+0.3f（f为进给量）,6.4刀具使用寿命与切削用量的关系,刀具使用寿命1.刀具的使用寿命：刀具刃磨后，从开始投入切削至达到磨钝标准的净切削时间称为刀具使用寿命，记为 T。2.刀具总寿命:新刀从开始切削至报废的总切削时间，包括多次重磨。等于刀具使用寿命与刃磨次数的乘积。刀具寿命可以作为衡量材料的可加工性的标准；衡量刀具材料切削性能的标准；衡量刀具几何参数合理性的标准。,刀具使用寿命与切削用量的关系 1.切削速度与刀具使用寿命的关系用单因素法试验，改变vc得出各种速度下的刀具磨损量与时间的关系曲线。选定VB，在图中得不同vc，对应得Ti，于是在双对数坐标纸上得到在一定速度范围内的Vc-T曲线。则有：式中 Co：与刀具材料、切削条件等有关的常数；m：速度影响指数。表示了切削速度与刀具寿命之间的关系，是选择切削速度的重要依据。m的大小表明切削速度对寿命影响的程度，也表明了刀具材料切削性的。高速钢：m=0.10.125；硬质合金：m=0.20.3;陶瓷刀具：m0.4。,Lgvc=-mlgT+lgCo,好坏,2.进给量、被吃刀量与刀具使用寿命的关系 CT:刀具使用寿命系数，与工件材料，刀具材料及加工条件有关；x,y,z:vc、f、ap对寿命的影响指数 vc、f、ap对T的影响由大到小，故在一定的T下优选切削用量的秩序为：ap、f、vc。,f Tm1=C1apTm2=C2,6.5刀具合理使用寿命的制订,合理的刀具使用寿命一般有两种方法：一根据单件工序工时最短的原则来确定刀具使用寿命，即最大生产率使用寿命Tp；二根据单件工序成本最低的原则来制订刀具使用寿命，即最低成本使用寿命（经济使用寿命）Tc。与最大生产率使用寿命和经济使用寿命相对应的切削速度称为最大生产率的切削速度(Vcp)和经济的切削速度(Vcc)。一般情况下，应采用经济使用寿命。,1.刀具最大生产率使用寿命 完成一个工序所需要的工时tw，则：tm：工序的切削时间（机动时间）tct：刀具磨钝后，换一次刀所消耗的时间（包括卸刀、装刀、对刀等时间）；tm/T：换刀次数；t0t：除换刀时间外的其他辅助工时。lw：工件长度；nw：工件转速；dw：工件直径；h:工件余量，则,tmATm(A为一常数)twATm十tctATm-1十t0ttw是T的函数。twT有最小值，说明此处工时最短，即生产率最高。2.最低成本使用寿命C：工序生产成本；M：该工序单位时间内的机床折旧费及所分担的全厂开支；Ct：刀具成本和折旧费。,TcTp，即VccVcp。一般采用最低成本使用寿命。当完成紧急任务或生产中出现不平衡环节时，则可采用最大生产率刀具使用寿命使用寿命制订原则：1.复杂刀具的刀具成本Ct较简单刀具高，故前者的使用寿命应高于后者。例如目前硬质合金焊接车刀的使用寿命大致为3600s(60min)；高速钢钻头的使用寿命为 80-120min；硬质合金端铣刀的使用寿命为120-180min；齿轮刀具的使用寿命为200-300min。2.对于装刀、调刀较为复杂的多刀机床、组合机床等，tct较大，刀具使用寿命应定得高些。3.对于价格昂贵的现代化机床，如数控机床、加工中心，则M值大，刀具使用寿命应定得低些；全厂开支大时也是如此。,
