刀具磨损与刀具使用寿命.ppt

金属切削原理及刀具,山东英才学院,第六章 刀具磨损与刀具使用寿命,切削中，刀具在切除金属的同时，其本身也逐渐被磨损，当磨损发展到一定程度刀具便失去了继续切削的能力。刀具磨损的快慢，在一定程度上可以用刀具使用寿命来衡量。刀具磨损过快，必然会增加刀具消耗，影响加工质量，降低生产效率，增加加工成本。分析刀具磨损的原因以及各种因素对磨,损的影响，是为了合理选择切削条件，正确使用刀具，设法减少磨损，使刀具经久耐用。此外，研究刀具磨损机理还为研制和发展新型刀具材料提供必要的科学依据。,第一节 刀具磨损形态,刀具磨钝失效可分为正常磨损和非正常磨损两种情况。一、正常磨损1、前刀面磨损(月牙洼磨损)在切削速度较高、切削厚度较大的情况下，加工塑性金属，当刀具的耐热性和耐磨性稍有不足时，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼。见下图。,月牙洼磨损示意图,随着磨损的加剧，主要是月牙洼逐渐加深，洼宽变化并不是很大。磨损程度用洼深KT表示。,2、后刀面磨损,特点：在刀具后刀面上出现与加工表面基本平行的磨损带。后刀面磨损可分为C、B、N三个区C区是刀尖区，由于散热差，强度低，磨损严重，最大值VC；B区处于磨损带中间，磨损均匀，最大磨损量VBmax；N区处于切削刃与待加工表面的相交处，磨损严重，磨损量以VN表示，此区域的磨损也叫边界磨损，加工铸件、锻件等外皮粗糙的工件时，N区区域容易磨损。,磨损示意图,3、前刀面和后刀面同时磨损,这是一种兼有上述两种情况的磨损形式。在切削塑性金属时，经常会发生这种磨损。这种磨损更为常见。,二、非正常磨损,非正常磨损又叫破损，刀具的破损比例较高，硬质合金刀具有5060是破损。特别是用脆性大的刀具连续切削或加工高硬度材料时，破损较严重。它又分为以下几种形式：1、崩刃 特点是切削刃产生小的缺口，尺寸与进给量相当。硬质合金刀具连续切削时容易产生。,2、剥落 特点是前后刀面上平行于切削刃剥落一层碎片，常与切削刃一起剥落。陶瓷刀具端铣常发生剥落，另外硬质合金刀具连续切削也发生剥落。3、裂纹 特点是垂直或倾斜于切削刃有热裂纹。由于长时间连续切削，刀具疲劳而引起。4、塑性破损 特点是刀刃发生塌陷。是由于切削时高温高压作用引起的。,第二节 刀具磨损的原因,刀具磨损的原因很多，细分起来大致有以下几种：硬质点磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损、相变磨损等。1、硬质点磨损因为工件材料中含有一些碳化物、氮化物、积屑瘤残留物等硬质点杂质，在金属加工过程中，会将刀具表面划伤，造成机械磨损。低速刀具磨损的主要原因是硬质点磨损。,2、粘结磨损加工过程中，切屑与刀具接触面在一定的温度和压力下，产生塑性变形而发生冷焊现象后，刀具表面粘结点被切屑带走，而发生的磨损。粘结是金属切削中的一个普遍现象。当切屑流出时，切屑底层粘附在前刀面上，迫使较软的一方切屑底层内部发生很大的剪切变形。,一般刀具材料的硬度总是超过切屑的硬度。但连续不断流出的切屑始终作用在一块不大的刀具表面上，粘结层周期性地局部破坏，导致了刀具表层材料内的交变应力，使粘结的刀具表层也会发生塑性变形。当塑性变形进一步加大，粘结点处刀具材料会产生破裂，使刀具前刀面上出现凹坑。这就是典型的粘结磨损。,3、扩散磨损,扩散磨损是在更高温度下产生的一种现象。当温度足够高时，相互间有亲和作用的元素原子从浓度高处向浓度低处迁移，这种现象称为扩散。例如高速切削时，硬质合金中的C、W、Co向钢中扩散，而钢中的Fe 向硬质合金中扩散。,刀具的扩散磨损除了刀具材料的组成元素在高温作用下直接扩散到工件材料中去以外，还会由于相互扩散使刀具表层的强度下降，使碳化物晶粒从刀具基体中被切屑带走，从而加剧了粘结磨损。因此扩散磨损往往同粘结磨损一起发生。教材P63中图6.5显示了扩散的形式。,4、氧化磨损,当切削温度达700800时，空气中的氧便与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物(如Co304、Co0、W03、TiO2等)被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。氧化磨损也可以称为化学磨损。,5、热电磨损,工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区会产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。这种磨损称为热电磨损。,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一种热电势，大约在120mv之间。这个数值根据不同的刀具工件材料副及不同的切削温度而异。如果机床与工件之间或机床与刀具之间没有绝缘，则在机床工件刀具夹具回路中会产生一个微弱的电流。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，这个热电流会加速刀具的磨损。这种磨损就是热电化学磨损,总之，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损原因和磨损强度是不同的。在不同的切削速度(切削温度)下各类磨损所占的比重不同。结论：对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。高温时扩散和氧化磨损强度高；在中低温时，冷焊磨损占主导地位；磨料磨损则在不同的切削温度下都存在。见教材图6.6P64.,6、刀具破损原因：,在断续切削条件下，由于强烈的机械与热冲击，超过刀具材料强度，引起刀具破损 断续切削时，在交变机械载荷作用下，降低了刀具材料的疲劳强度，容易引起机械裂纹而破损。由于切削与空切的变化，刀具表面温度发生周期性变化，容易产生热裂纹，又在机械力的混和作用下，发生破损。采取措施：提高韧性、使抗弯强度提高等，防止刀具破损。,第三节 刀具磨损过程及磨钝标准,一、刀具磨损过程正常刀具磨损是随刀具的使用时间的延长而逐渐增加的。见下图。,正常刀具的磨损过程可分为三个阶段：1、初期磨损阶段 刀具的磨损曲线比较陡峭，原因是 新刀刚刃磨好，刀具表面存在很多微小缺陷，刀刃粗糙度大或者是存在一些不稳定颗粒，当刀具使用初期这些不稳定部分会很快磨损掉，因此初期磨损曲线比较陡峭。2、正常磨损阶段 初期磨损阶段过后，刀刃和刀面的不稳定因素都已经消失，进入,了刀具正常磨损阶段。这个阶段刀具的磨损曲线表现为缓慢均匀的随时间的推移成比例的逐渐增加。这一阶段是刀具的有效工作阶段，我们总希望这一阶段愈长愈好。3、急剧磨损阶段 当刀具继续使用到一定的时间，我们会发现已加工表面粗糙度加大，切削力增大，切削温度增高，,此时刀具的磨损速度迅速增加，如不及时重磨或者更换刀具则刀具可能很快失效。这一阶段应当尽量避免。二、刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。在评定刀具材料切削性能和研究实验时，都以刀具表面的磨损量作为衡量刀具的磨钝标准。,实际切削中一般刀具的后刀面上都有磨损，它对加工精度和切削力的影响比前刀面磨损显著，同时后刀面磨损量比较容易测量，因此在刀具管理和金属切削的科学研究中多按后刀面磨损尺寸来制定磨钝标准。通常所谓磨钝标准是指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值，以VB表示。,国际标准ISO统一规定以12背吃刀量处的刀具后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。自动化生产中，常以刀具的径向磨损量NB作为刀具的磨钝标准。见图6.8,在实际生产中，经常卸下刀来测量后刀面磨损量肯定会影响生产的正常进行，因此不能直接以后刀面磨损量的大小来衡量磨损的程度。通常根据切削中的一些现象来判断刀具是否已经磨钝。粗加工时，观察加工表面是否出现亮带，切屑的颜色和形状的变化，是否出现震动和不正常的响声等。精加工时，可观察,已加工表面的粗糙度的变化以及经常测量零件的尺寸精度和形状精度等。如发现异常情况，就要及时换刀。根据加工条件的不同，所定的磨钝标准也应当不同。精加工的磨钝标准要取小值，粗加工的磨钝标准要取大值；工艺系统刚性较低时，应考虑在磨钝标准内不应引起震动，等等。,磨钝标准的具体数值可参考有关手册。国际标准ISO推荐的车刀使用寿命实验的磨钝标准如下：高速钢或陶瓷刀，可以是下列的任何一种：1、破损2、如果后刀面在中间区内是有规则的磨损，取VB=0.3mm。,3、如果后刀面在中间区内是无规则的磨损、划伤、剥落或有严重的沟痕，取VB最大=0.6mm。硬质合金刀具，可以是下列的任何一种1、VB=0.3mm2、如果后刀面是无规则的磨损，取VB最大=0.6mm。3、前刀面的磨损量KT=0.06+0.3f，其中f为进给量。,第四节 刀具使用寿命及其与切削用量的关系,一、刀具使用寿命的定义 刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间，称为刀具使用寿命，以T表示。它是指净切削时间，不包括用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间。也有用达到磨钝标准前的切削路程lm。来定义刀具使用寿命的。lm等于切削速度Vc和刀具使用寿命(时间)T的乘积，即,lm=VcT,这里需要指出，以往把上述定义的刀具使用寿命称为刀具耐用度。过去刀具使用寿命刀具耐用度曾有过不同的含义。刀具使用寿命表示一把新刀(如焊接车刀或麻花钻等)用到报废之前的总切削时间，其中包括多次重磨。因此刀具使用寿命等于刀具耐用度乘以重磨次数，但按现行的推荐标准精神，应称为刀具总使用寿命。,刀具使用寿命是很重要的数据。在同一条件下切削同一工件材料时，可以用刀具使用寿命来比较不同刀具材料的切削性能；同一刀具材料切削各种工件材料，又可以用刀具使用寿命来比较工件材料的切削加工性；也可以用刀具使用寿命来判断刀具几何参数是否合理。工件材料、刀具材料的性能对刀具使用寿命影响最大。在切削用量中，影响刀具使用寿命最主要的因素是切削速度，其次是进给量、切削深度。此外，刀具几何参数对刀具使用寿命也有重要影响。,二、切削用量与刀具使用寿命的关系,1.切削速度与刀具使用寿命的关系 切削速度与刀具使用寿命的关系是用实验方法求得的。实验前先选定刀具后刀面的磨钝标准。为了节约材料，同时又要能反映刀具在正常工作情况下的磨损强度，按照IS0的规定：当主切削刃参加工作部分的中部磨损均匀时，磨钝标准取VB0.3mm；在磨损不均匀时，取VBmax0.6mm。,选定好磨钝标准后，在固定其他切削条件的情况下，只改变切削速度（如取V=Vc1，Vc2，Vc3，Vc4，等）作磨损试验，得出在各种速度下的刀具磨损曲线。见下图；,不同的切削速度下刀具的磨损曲线,根据选定的磨钝标准VB求出在各切削速度下所对应的刀具使用寿命T1，T2，T3，T4，等。然后在对数坐标纸上定出(T1，Vc1)；(T2，Vc2)；（T3，Vc3），(T4，Vc4)；等点，见下图。,上图说明，在一定的切削速度范围内，这些点基本上分布在一条直线上。这条在双对数坐标图上的直线可用下列方程式表示：lgVc=-mlgT+lgC。式中mtg，即该直线的斜率；C。为当T=1s(或1min)时直线在纵坐标上的截距。m及C。均可从图中实测。因此VcT(或TVc)关系可写成：泰勒公式。,这个关系式是20世纪初由美国工程师泰勒(FWTaylor)建立的，人们常称之为泰勒公式。上式表示了切削速度与刀具使用寿命之间的关系，它是选择切削速度的重要依据。指数m，表示切削速度对刀具使用寿命的影响程度。,应当指出，上式TVc关系的经验公式只在一定的切削速度范围内适用。如在很宽的切削速度范围内进行刀具使用寿命实验，则所得的TVc曲线往往不是单调的函数关系，而是形成驼峰形的曲线，在较低的速度范围内，当Vc提高时，T不但不减小，反而增大；到达某一速度时，T有最大值。速度继续提高，T才单调下降。对应曲线下降部分，就是泰勒公式有效的速度范围。,对于高速钢刀具，m=0.10.125；对于硬质合金刀具，m0.20.3；对于陶瓷刀具，m0.30.4。m大，表明切削速度对使用寿命的影响小，即刀具的切削性能较好。见下图。m值只是近似地为常数。当切削速度变化范围较大时，m值是变动的。切削速度高时，m值有减小的趋势。,不同的刀具材料的使用寿命比较,2进给量、切削深度与刀具使用寿命的关系,按照求VcT关系式的方法，同样可以求得fT和apT关系式：综合以上三式可以得到刀具使用寿命的三因素公式：,对于不同的工件材料和刀具材料，在不同的切削条件下，上式中的系数和指数，可在资料中查得。实际上，上式就是刀具使用寿命或一定刀具使用寿命下切削速度的预报方程。例如，用硬质合金外圆车刀切削b0.75GPa(75kgfmm2)的碳素钢时，当f0.75mmr，经验公式为：,由上式可知，切削速度对刀具使用寿命的影响最大，其次是进给量，切削深度影响最 小。所以在优选切削用量以提高生产率时，其选择先后顺序应为：首先尽量选用大的切削深度ap，然后根据加工条件和加工要求选取允许的最大进给量f，最后才在刀具使用寿命或机床功率所允许的情况下选取最大的切削速度Vc。可以看出，温度是影响寿命的决定因素。,三、刀具使用寿命的分布介绍,下面介绍的是在正常磨损条件下的刀具使用寿命分布。在工件、刀具和切削条件固定时，刀具使用寿命并不是常数。如果重复进行切削实验或加工，刀具使用寿命在一定范围内按一定规律变动。因为工件、刀具材料的制造质量、微观组织、机械(力学)性能、几何参数、刃磨质量以及机床运动和其他工艺条件，都是随机变化的。,每一个因素的变化不可能不影响刀具使用寿命，故刀具使用寿命也是随机变量。数理统计研究表明，在一定切削条件下，刀具使用寿命的变化规律服从正态分布或对数正态分布。掌握刀具使用寿命分布，对生产有指导意义。在现代化加工中，对刀具使用寿命需进行科学管理，定时换刀，必须了解刀具使用寿命的分布情况。算出满足刀具使用寿命的概率，以提高自动加工的稳定性。,第五节 刀具合理使用寿命的选择,刀具磨损到达磨钝标准后即需重磨或换刀。在自动线、多刀切削及大批量生产中，一般都要求定时换刀。究竟切削时间应当多长，即刀具使用寿命应取多大才算合理呢?一般有两种方法：,一是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)；二是根据单件工序成本最低的原则来制订刀具使用寿命，即经济使用寿命(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。,刀具使用寿命对生产效率与加工成本的影响,一、刀具最大生产率使用寿命,设完成一个工序所需要的工时tw为：式中tm工序的切削时间（机动时间）T刀具使用寿命；,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）；t0t除换刀时间外的其他辅助工时。上式中工序的切削时间和刀具使用寿命是变量。,设工件长度为lw，工件转速为nw，工件直径dw，进给置为f，切削深度为ap，工件余量为，则,将上式带入变形得下式：,在选择Vc时，f，ap等均为常数，可以用A来表示，故上式变形为：最终：,显然，tw是T的函数。要使单件工时最少，可令即,整理得Tp即为刀具最大生产率使用寿命。,二、刀具经济使用寿命,设每个工件的工序成本为C：式中 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。显然，C是T的函数。如将上式求极值则可得最小值，说明此处工序成本最低。可令得,Tc即为刀具经济使用寿命。,对比两式可知，TcTp，即VccVcp。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。从Tc式可知，复杂刀具的刀具成本Ct较简单刀具为高，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(60min)；高速钢钻头的使用寿命为(80120min)；硬质合金端铣刀的使用寿命为(120一180min)；齿轮刀具的使用寿命为(200300min)。,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。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。随着刀具的革新和生产技术的发展，换刀时间与刀具成本有所降低，现代化机床的应用又提高了机,Tp 一般使用寿命 Tc,床折旧费，因而经济使用寿命逐渐接近于最大生产率使用寿命，使用寿命的数值亦趋于降低，例如数控机床上机夹可转位车刀使用寿命已降低到(15min)。这就是说，切削速度大大提高了。对于装刀、调刀比较复杂的机床可采用机外调刀的办法缩短换刀时间，以提高生产效率。比如加工中心。,课外练习,6.16.8全部。,