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刀具磨损、刀具寿命与切削用量的选择

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-02-07    浏览次数:166

一、刀具磨损形态和磨损机制


 1.刀具磨损的形态


    1)前刀面磨损(月牙洼磨损) 切削塑性材料时,如果切削速度和切削厚度较大,切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼,这种磨损形式称作前刀面磨损。出现月牙洼的部位就是切削温度最高的部位。月牙洼和切削刃之间有一条小棱边,月牙洼随着刀具磨损不断变大,当月牙洼扩展到使棱边变得很窄时,切削刃强度降低,极易导致崩刃。月牙洼磨损量以其深度KT表示。


    2)后刀面磨损 由于后刀面和加工表面间的强烈摩擦,后刀面靠近切削刃部位会逐渐地被磨成后角为零的小棱面,这种磨损形式称作后刀面磨损。切削铸铁和以较小的切削厚度、较低的切削速度切削塑性材料时,后刀面磨损是主要形态。后刀面上的磨损棱带往往不均匀,刀尖附近(C区)因强度较差,散热条件不好,磨损较大;中间区域(B区)磨损较均匀,其平均磨损宽度以VB 表示。


    3)边界磨损 切削钢料时,常在主切削刃靠近工件外皮处和副切削刃靠近刀尖处的后刀面上磨出较深的沟纹,这种磨损称作边界磨损。沟纹的位置在主切削刃与工件待加工表面、副切削刃与已加工表面接触的部位。


 2.刀具磨损机制


    1)硬质点划痕 由工件材料中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等在刀具表面上划出一条条沟纹,造成机械磨损。硬质点划痕在各种切削速度下都存在,它是低速切削刀具(如拉刀、板牙等)产生磨损的主要原因。


    2)冷焊粘结 切削时,切屑与前刀面之间由于高正压力和高温度的作用,切屑底面材料与前刀面发生冷焊粘结形成冷焊粘结点,在切屑相对于刀具前刀面的运动中冷焊粘结点处刀具材料表面微粒会被切屑粘走,造成粘结磨损。上述冷焊粘结磨损机制在工件与刀具后刀面之间也同样存在。在中等偏低的切削速度条件下,冷焊粘结是产生磨损的主要原因。


    3)扩散磨损 切削过程中,刀具后刀面与已加工表面、刀具前刀面与切屑底面相接触, 由于高温和高压的作用,刀具材料和工件材料中的化学元素相互扩散,使刀具材料化学成分发生变化,耐磨性能下降,造成扩散磨损。例如,用硬质合金刀具切削钢质工件时,切削温度超过800℃,硬质合金刀具中的CoCW等元素就会扩散到切屑和工件中去,由于Co元素减少,硬质相(WC TiC )的粘结强度下降,导致刀具磨损加快。扩散磨损在高温下产生,且随温度升高而加剧。


   4)化学磨损 在一定温度作用下,刀具材料与周围介质(例如空气中的氧,切削液中的极压添加剂硫、氯等)起化学作用,在刀具表面形成硬度较低的化合物,易被切屑和工件擦掉造成刀具材料损失,由此产生的刀具磨损称为化学磨损。化学磨损主要发生在较高的切削速度条件下。


  二、刀具磨损过程及磨钝标准


 1.刀具磨损过程


  刀具磨损实验结果表明,刀具磨损过程可以分为三个阶段:


    1)初期磨损阶段 新刃磨的刀具刚投入使用,后刀面与工件的实际接触面积很小,再加上刚刃磨后的后刀面微观凸凹不平,单位接触面积上承受的正压力极大,刀具磨损速度极快,此阶段称为刀具的初期磨损阶段。刀具刃磨以后如能用细粒度磨粒的油石对刃磨面进行研磨,可以显著降低刀具的初期磨损量。


    2)正常磨损阶段 经过初期磨损后,刀具后刀面的微观粗糙表面已经磨平,刀具后刀面与工件的接触面积逐渐增大,单位接触面积上承受的压力逐渐减小,磨损速度趋缓。此阶段的刀具磨损称为正常磨损阶段,它是刀具的有效工作阶段。


    3)急剧磨损阶段 当刀具磨损量增加到一定限度时,切削力、切削温度将急剧增高,刀具磨损速度加快,直至丧失切削能力,此阶段称为刀具的急剧磨损阶段。在急剧磨损阶段让刀具继续工作是一件得不偿失的事情,既保证不了加工质量,又将大量消耗刀具材料,如出现刀刃崩裂的情况,损失就更大。刀具在进入急剧磨损阶段之前必须更换。


 2.刀具的磨钝标准


       刀具磨损到一定限度就不能继续使用了,这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。 因为一般刀具的后刀面都会发生磨损,而且测量也较方便,因此国际标准ISO统一规定以  1/2背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽度 作为刀具的磨钝标准。 自动化生产中使用的精加工刀具,从保证工件尺寸精度考虑,常以刀具的径向尺寸磨损量作为衡量刀具的磨钝标准。


       制订刀具的磨钝标准时,既要考虑充分发挥刀具的切削能力,又要考虑保证工件的加工质量。精加工时磨钝标准取较小值,粗加工时取较大值;工艺系统刚性差时,磨钝标准取较小值;切削难加工材料时,磨钝标准也要取较小值。


  国际标准ISO推荐硬质合金车刀刀具寿命试验的磨钝标准,有下列三种可供选择:


 1VB=0.3mm 


  2)如果主后刀面为无规则磨损,取VBmax=0.6mm 


  3)前刀面磨损量 ,式中f为以mm/r为单位的进给量值。


    三、刀具寿命


 1.刀具寿命的定义


       刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止所经历的总切削时间,称为刀具寿命,用表示。一把新刀往往要经过多次重磨,才会报废,刀具寿命指的是两次刃磨之间所经历的切削时间。刀具寿命乘刃磨次数,就是刀具总寿命。


 2.刀具寿命的经验计算公式


       切削速度 对刀具寿命的影响最大,进给量 次之,背吃刀量 最小。这与它们对切削温度的影响顺序完全一致,表明切削温度与刀具寿命之间有着紧密的内在联系。


       切削用量与刀具寿命密切相关。刀具寿命T定得高,切削用量就要取得低,虽然换刀次数少,刀具消耗少了,但切削效率下降,经济效益未必好;刀具寿命T定得低,切削用量可以取得高,切削效率是提高了,但换刀次数多,刀具消耗变大,调整刀具耗时长,经济效益也未必好。在生产中,确定刀具寿命有两种不同的原则,按单件时间最少原则确定的刀具寿命叫最大生产率刀具寿命;按单件工艺成本最低的原则确定的刀具寿命叫最小成本刀具寿命。


       一般情况下,应采用最小成本刀具寿命。在生产任务紧迫或生产中出现节拍不平衡时,可选用最高生产率刀具寿命。


      制订刀具寿命时,还应具体考虑以下几点:


     1)刀具构造复杂、制造和磨刀费用高时,刀具寿命应规定得高些。


     2)多刀车床上的车刀,组合机床上的钻头、丝锥和铣刀,自动机及自动线上的刀具,因为调整复杂,刀具寿命应规定得高些。


     3)某工序的生产成为生产线上的瓶颈时,刀具寿命应定得低些,这样可以选用较大的切削用量,以加快该工序生产节拍;某工序单位时间的生产成本较高时,刀具寿命应规定得低些,这样可以选用较大的切削用量,缩短加工时间。


     4)精加工大型工件时,刀具寿命应规定得高些,至少保证在一次走刀中不换刀。


  四、刀具的破损及刀具状态监控


       在切削加工中,刀具有时没有经过正常磨损,而在很短时间内突然损坏,这种情况称为刀具破损。磨损是逐渐发展的过程,而破损是突发的。破损的突发性很容易在生产过程中造成较大的危害和经济损失。


 1.刀具的破损形式


    刀具的破损形式分为脆性破损和塑性破损。


   1)脆性破损


      硬质合金刀具和陶瓷刀具切削时,在机械应力和热应力冲击作用下,经常发生以下几种形态的破损:


     1)崩刃切削刃产生小的缺口。在继续切削中,缺口会不断扩大,导致更大的破损。用陶瓷  刀具切削和用硬质合金刀具作断续切削时,常发生这种破损。


     2)碎断切削刃发生小块碎裂或大块断裂,不能继续进行切削。用硬质合金刀具和陶瓷刀具作断续切削时,常发生这种破损。


     3)剥落在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片,经常与切削刃一起剥落,有时也在离切削刃  一小段距离处剥落。陶瓷刀具端铣时常发生这种破损。


     4)裂纹破损长时间进行断续切削因疲劳而引起的一种破损。热冲击和机械冲击均会引发裂纹,裂纹不断扩展合并就会引起切削刃的碎裂或断裂。


    2)塑性破损


      在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件间接触面上,由于过高的温度和压力的作用,刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力,这就是刀具的塑性破损。抵抗塑性破损的能力取决于刀具材料的硬度和耐热性。硬质合金和陶瓷的耐热性好,一般不易发生这种破损。相比之下,高速钢耐热性较差,较易发生塑性破损。


  2.刀具破损的防治措施


   (1)脆性破损


      硬质合金刀具和陶瓷刀具切削时,在机械应力和热应力冲击作用下,经常发生以下几种形态的破损:


     1)崩刃切削刃产生小的缺口。在继续切削中,缺口会不断扩大,导致更大的破损。用陶瓷刀具切削和用硬质合金刀具作断续切削时,常发生这种破损。


     2)碎断切削刃发生小块碎裂或大块断裂,不能继续进行切削。用硬质合金刀具和陶瓷刀具作断续切削时,常发生这种破损。


     3)剥落在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片,经常与切削刃一起剥落,有时也在离切削刃  一小段距离处剥落。陶瓷刀具端铣时常发生这种破损。


     4)裂纹破损长时间进行断续切削因疲劳而引起的一种破损。热冲击和机械冲击均会引发裂纹,裂纹不断扩展合并就会引起切削刃的碎裂或断裂。


   2)塑性破损


      在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件间接触面上,由于过高的温度和压力的作用,刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力,这就是刀具的塑性破损。抵抗塑性破损的能力取决于刀具材料的硬度和耐热性。硬质合金和陶瓷的耐热性好,一般不易发生这种破损。相比之下,高速钢耐热性较差,较易发生塑性破损。


 2.刀具破损的防治措施


  1)合理选择刀具材料 用作断续切削的刀具,刀具材料应具有较高的韧性。


  2)合理选择刀具几何参数 通过选择合适的几何参数,使切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱是防止崩刃的有效措施。


  3)保证刀具的刃磨质量 切削刃应平直光滑,不得有缺口,刃口与刀尖部位不允许烧伤。


  4)合理选择切削用量 防止出现切削力过大和切削温度过高的情况。


  5)工艺系统应有较好的刚性 防止因为产生强烈振动而损坏刀具。


  6)对刀具状态进行实时监控 监测刀具状态的方法有测力法、测主电机电流法和声发射法等。


 五、切削用量的选择


 1.切削用量的选择原则


       切削用量的选择,对生产效率、加工成本和加工质量均有重要影响。所谓合理的切削用量是指在保证加工质量的前提下,能取得较高的生产效率和较低成本的切削用量。约束切削用量选择的主要条件有:工件的加工要求,包括加工质量要求和生产效率要求;刀具材料的切削性能;机床性能,包括动力特性(功率、扭矩)和运动特性;刀具寿命要求。


  1)切削用量与生产效率、刀具寿命的关系


       机床切削效率可以用单位时间内切除的材料体积 (mm3/min)表示,切削用量三要素均与 呈正比关系,三者对机床切削效率影响的权重是完全相同的。从提高生产效率考虑,切削用量三要素中任一要素提高一倍,机床切削效率都提高一倍,但提高 一倍与提高 一倍对刀具寿命带来的影响却是完全不相同的。切削用量三要素中对刀具寿命影响最大的是背吃刀量,其次是进给量 ,再其次是切削速度;在保持刀具寿命一定的条件下,提高背吃刀量比提高进给量的生产效率高,比提高切削速度的生产效率更高。


  2)切削用量的选用原则


      选择切削用量的基本原则是:首先选取尽可能大的背吃刀量 ;其次根据机床进给机构强度、刀杆刚度等限制条件(粗加工时)或已加工表面粗糙度要求(精加工时),选取尽可能大的进给量f;最后根据“切削用量手册”查取或根据公式计算确定切削速度。


  3)切削用量三要素的选用


     1)背吃刀量背吃刀量根据加工余量确定。粗加工时,只要机床功率许可,粗加工余量应争取在一次走刀中全部切除。下面几种情况,可几次走刀分切:①加工余量太大,导致机床动力不足或刀具强度不够;②工艺系统刚性不足;③断续切削。切削表层有硬皮的锻铸件或切削冷硬倾向较为严重的材料(例如不锈钢)时,应尽量使值超过硬皮或冷硬层深度,以防刀具过快磨损。半精加工时,可取为0.5~2mm 。精加工时,可取0.1~0.4 


     2)进给量粗加工时,对表面质量没有太高要求,合理的进给量应是工艺系统所能承受的最大进给量。限制粗加工进给量的因素是:机床进给机构的强度、刀杆的强度和刚度、硬质合金或陶瓷刀片的强度等。限制精加工进给量的主要因素是表面粗糙度和加工精度要求。 


       实际生产中,经常采用查表法确定进给量。粗加工时,根据加工材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量等条件由“切削用量手册”查得进给量的取值。半精加工和精加工时,则主要根据加工表面粗糙度要求,选择进给量值。


 3)切削速度根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具寿命,可以用公式计算或用查表法确定切削速度。


  在确定切削速度时,还应考虑以下几点:


 1)精加工时,应尽量避开产生积屑瘤的速度区。


 2)作断续切削,应适当降低切削速度。


 3)在易产生振动的情况下,机床主轴转速应选择能进行稳定切削的转速区进行。


 4)加工大件、细长件、薄壁件以及带铸、锻外皮的工件时,应选较低的切削速度。

 
 
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