刀具磨损、破损和刀具耐用度.ppt

第六章刀具磨损、破损和刀具耐用度,1、前刀面磨损(月牙洼磨损)切削塑性材料且ac0.5mm时，切屑与前刀面在高温、高压下相互接触，产生剧烈摩擦，以形成月牙洼磨损为主，其值以最大深度KT表示(如图61(c)所示)。形成条件：加工塑性材料，v大，ac大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量。,6.1刀具磨损形态,刀具的失效形式：正常磨损和破损,刀具的磨损形态及其测量位置(a)刀具磨损形式(b)边界磨损发生的地方(c)测量磨损的地方,2、后刀面磨损切削脆性材料或ac0.1mm的塑性材料时，切屑与前刀面的接触长度较短，其上的压力与摩擦均不大，而相对的刀刃钝圆使后刀面与工件表面的接触压力却较大，磨损主要发生在后刀面。其值以磨损带宽度VB表示(如图所示)。,形式：后角=0的磨损面（VB：平均磨损宽度，VBmax：最大磨损宽度）形成条件：加工塑性材料,v较小,ac较小；加工脆性材料影响：切削力,切削温度,产生振动，降低加工质量,3、边界磨损（前、后刀面磨损）切削塑性材料且ac0.10.5mm时，兼有前两种磨损的形式；加工铸、锻件，主切削刃靠近工件外皮处及副切削刃靠近刀尖处，因为ac减小、切削刃打滑，所以磨出较深的沟纹(如图61(a)、(b)所示)。加工铸、锻件等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。磨损形式随切削条件的改变可以互相转化。在大多数情况下，后刀面都有磨损，且VB直接影响加工精度，加之便于测量，所以常以VB表示刀具磨损程度。,刀具磨损与一般机械零件不同:(1)刀具与切屑、工件间的接接触表面经常是化学活性很高的新鲜表面，不存在氧化膜等污染；(2)前后刀面的接触压力非常大，有时超过被切材料的屈服强度；(3)刀屑、刀具工件接触表面的温度很高，硬质合金刀具加工钢料时达8001000度，高速钢刀具加工钢料时达300600度。正常磨损的原因主要是机械、热和化学三种作用的综合结果。,6.2刀具磨损的原因,1、硬质点磨损硬质点磨损是指工件上具有一定擦伤能力的硬质点，如碳化物、积屑瘤碎片、已加工表面的硬化层等，在刀具表面上划出一条条沟纹而造成的磨损。硬质点硬度超过刀具材料基体的硬度。硬质点磨损是拉刀、板牙等高速钢制造的低速切削刀具磨损的主要原因，硬质合金刀具发生硬质点磨损的情况较少。,2、粘结磨损粘结是指刀具与工件材料接触到原子间距离时所产生的结合现象。两摩擦表面的粘结点因相对运动，晶粒或晶粒群受剪或受拉被对方带走，是造成粘结磨损的原因。由于刀具材料有组织不均匀、存在内应力、微裂纹及空隙、局部软点等缺陷，所以刀具表面常发生破裂而被切屑或工件带走，形成粘结磨损，在前刀面上形成不规则的凹坑。高速钢、硬质合金、陶瓷刀具、立方氮化硼和金刚石刀具都会因粘结而发生磨损。,粘结磨损程度主要取决于刀具材料和工件材料在不同温度下的相互亲和能力。（粘结强度系数K0）硬质合金晶粒越小，磨损越慢；刀具与工件的硬度比，刀具表面形状和组织，切削条件和工艺系统刚度等都影响粘结磨损的速度。切削钢料应用YT类硬质合金。（但不锈钢和高温合金不宜用YT类，因为YT类合金中的钛元素易于工件中的钛元素发生亲和而导致粘结，在高温下扩散磨损也较剧烈。）,减小粘结磨损的途径：1、硬质合金的晶粒加以细化，硬质合金表面涂覆TiC、TiN、Al2O3等。2、高速钢刀具表面要进行表面处理使表面形成一层抗粘结的减磨层或高硬度的抗磨层，如氧氮化处理；3、适当提高切削速度使运动平稳减小振动，避开积屑瘤的不稳定区域；4、使用润滑性能良好的切削液等。,3、扩散磨损刀具与工件、切屑的接触面，在高温下双方金属中的化学元素从高浓度处向低浓度处迁移，这种固态下元素相互迁移而造成的刀具磨损称为扩散磨损。高温下，刀具材料中的W、Co、Ti、C等易扩散到工件和切屑中去；而切屑中的Fe、Si、Mn、Cr等也会扩散到刀具中来，从而改变刀具材料中的化学成分，使其硬度下降，加速刀具磨损。与铁相互扩散强度的由大到小的顺序为：金刚石碳化硅立方氮化硼氧化铝与钛合金相互扩散的由大到小的顺序为：氧化铝立方氮化硼碳化硅金刚石,4、化学磨损(氧化磨损)在高温下(700800)，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而被切屑带走，这样形成的刀具磨损称为化学磨损。空气中的氧易与硬质合金中的Co、WC、TiC发生氧化作用，产生低硬度的氧化物(Cr3O4、TiO2、WO3等）被切屑和工件带走，从而使刀具磨损。5、热电磨损切削时，刀具与工件构成一自然热电偶，产生热电势，工艺系统自成回路，热电流在刀具和工件中通过，从而促进扩散作用而加速刀具磨损，这称为热电磨损。,硬质点磨损各种切速下均存在低速情况下刀具磨损的主要原因粘结磨损（冷焊）刀具材料与工件材料亲和力大刀具材料与工件材料硬度比小中等偏低切速,粘结磨损加剧,扩散磨损高温下发生氧化磨损高温情况下，在切削刃工作边界发生,刀具磨损,刀具磨损原因,硬质合金刀具高速切削钢料时，主要是扩散磨损，并伴随有粘结磨损和化学磨损等；对一定刀具和工件材料，起主导作用的是切削温度，低温时以机械磨损（硬质点磨损）为主，高温时以热、化学磨损（粘结、扩散、氧化磨损）为主；合理地选择刀具材料、几何参数、切削用量、切削液，控制切削温度，有利于减少刀具磨损。高速钢刀具（硬质点磨损和粘结磨损）；硬质合金刀具（粘结磨损和扩散磨损）；氧化铝陶瓷刀具（机械磨损和粘结磨损）；立方氮化硼刀具的扩散磨损很小，而金刚石刀具的扩散磨损很大，金刚石刀具不宜加工钢料。,一、刀具的磨损过程（1)初期磨损阶段。新刃磨的刀具，由于表面粗糙不平，在切削时很快被磨去，故磨损较快。经研磨过的刀具，初期的磨损量较小。（2)正常磨损阶段。经初期磨损后，刀具表面已经被磨平，压强减小，磨损速度较为缓慢。磨损量随切削时间延长而近似地成比例增加。反映刀具正常工作时的磨损率。,6.3刀具磨损过程及磨钝标准,（3)急剧磨损阶段。当磨损量增加到一定限度后，机械摩擦加剧，切削力加大，切削温度升高，磨损原因也发生变化(如转化为相变磨损、扩散磨损等)，磨损加快，已加工表面质量明显恶化，出现振动、噪音等，以至刀具崩刃，失去切削能力。继续使用会影响加工质量且刀具刃磨时去材料更多，成本更大。在这个阶段来临之前，要及时换刀或更换新切削刃。,刀具不能无休止地使用下去，而应规定一个合理的磨损限度，刀具磨损到此限度，则应换刀或重新刃磨。二、刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称磨钝标准。ISO统一规定，以ap2处主后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准。自动化生产中用的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损量作为衡量刀具的磨钝标准，称刀具径向磨损量NB（如图所示）。,刀具的径向磨损量,磨钝标准，可依加工条件不同而异。精加工较粗加工为小；加工系统刚性较低时，应考虑在磨钝标准内是否发生振动；工件材料的可加工性、刀具制造、刃磨的难易程度也是确定磨钝标准应考虑的因素。VB值可从切削用量手册中查得。一般为0.30.6mm。,实际生产中，不可能经常停机去测量VB值，而改用与其相应的切削时间，即刀具耐用度表示。刀具耐用度定义：刀具由刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具磨钝标准所经过的总切削时间，称为刀具耐用度，以T表示，单位为分钟（min)。精加工也可用加工零件数表示。用途：确定换刀时间、衡量工件材料切削加工性和刀具材料性能优劣、刀具几何参数选择是否合理、切削用量选择是否合理等。,6.4刀具耐用度的经验公式及刀具耐用度的分布,刀具寿命定义：一把新刀开始使用直到报废之前总的切削时间。它包含着刀具用钝后的多次刃磨。刀具寿命等于刀具耐用度乘以刃磨次数（包括新开刀刃）。可转位刀片的寿命等于可使用的切削刃数乘以耐用度。刀具耐用度反映刀具磨损的速率。凡是影响切削温度和刀具磨损的因素都影响刀具的耐用度。温度越高，耐用度越低。,1、切削速度与刀具耐用度的关系稳定其它切削条件，在常用的切削速度范围内，取不同的切削速度vc1、vc2、vc3，进行刀具磨损实验，可得一组磨损曲线，根据规定的VB值，对应于不同的vc，就有相应的T，在双对数坐标纸上，定出(vc1、T1)、(vc2、T2)、(vc3、T3)各点。可发现，在一定切削速度范围内，这些点基本上在一条直线上。,不同vc时的刀具磨损曲线,双对数坐标上的vc-T曲线,此直线方程为,式中:vc切削速度(mmin)；T刀具耐用度(min)；m指数；表示vc对T的影响程度，mtg直线斜率。C0系数，与刀具、工件材料、切削条件有关。,上式是重要的刀具耐用度公式。指数m为vc、T双对数坐标系中直线斜率，耐热性差时m值小，m愈小，表示vc对T的影响愈大。一般高速钢刀具m0.10.125，硬质合金刀具m0.20.3，陶瓷刀m0.4。表明耐热性高的刀具材料在高速时仍然有较高的耐用度。,不同刀具材料耐用度比较,2、进给量f、背吃刀量ap与刀具耐用度T的关系用同样的方法可求出,式中:T耐用度系数，与刀具、工件材料、切削条件有关；X、Y、Z指数，分别表示vc、f、ap对T的影响程度。,用YT15硬质合金车刀切削b=0.637GPa的碳钢时（f0.70mm/r），切削用量与T的关系为,（2-42）,由此看出，vc对T的影响最大，f次之，ap最小。与三者对温度的影响顺序完全一致，反映了切削温度对刀具耐用度有着重要的影响。应注意的是，上述关系是在一定条件下通过实验求出的。如果切削条件改变，各因素对刀具耐用度的影响就不同，各指数、系数也相应地发生变化。,刀具耐用度符合对数正态分布刀具耐用度的试验方法：外圆车削试验，端面车削法，放射性同位素法。,式中：tm工序的切削时间，也称基本工时；tct换刀一次所消耗的时间，（卸刀、装刀、对刀）；tot除换刀时间外的其它辅助时间；T刀具寿命；tm/T换刀次数。,是以单位时间生产最多数量产品或加工每个零件所消耗的生产时间为最少来衡量的。使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，单件工序的工时tw为：,一、最高生产率耐用度,6.5合理耐用度的选用原则,(6-1),将上式代入式（6-1），对T求导，并令其为0，可得到最高生产率耐用度为：,式中C工序成本；M机时费；Ct刀具费用；tm，tct，T含义同前,是使每件产品（或工序）的加工费用最低为原则的刀具耐用度。仍以车削为例，工序成本为：,仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到最低成本耐用度Tc为,二、最低成本耐用度（经济耐用度）,规定刀具耐用度遵循的原则：1、根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本选择；2、机夹可转位车刀和陶瓷刀具，耐用度可选的低些；3、多刀机床、组合机床和自动化机床、自动线上的刀具，耐用度应选的高些；4、对薄弱的关键工序，为了平衡整个生产过程，应选用较低的耐用度；5、大件精加工时，为了避免在加工同一表面时中途换刀，耐用度应选的高些；6、生产线上的刀具耐用度应规定为一个班或两个班，以便在换班时换刀。,刀具破损也是刀具损坏的主要形式之一。刀具破损多发生在脆性较大的刀具材料进行断续切削时，或者加工高硬度材料时。破损形式：早期破损（切削开始或短时间切削后即发生破损）和后期破损（受交变的机械应力和热应力作用导致疲劳而引起的破损）脆性破损和塑性破损脆性破损：硬质合金和陶瓷刀具切削时，在机械和热冲击作用下，前、后刀面尚未发生明显的磨损前，就在切削刃处出现崩刃、碎断、剥落、裂纹等。塑性破损：切削时，由于高温、高压作用，有时在前、后刀面和切屑、工件的接触层上，刀具表层材料发生塑性流动而失去切削能力。,6.6刀具的破损,1、崩刃。在切削刃上产生的小缺口。缺口尺寸与进给量相当或者稍大一些。切削刃修磨后还能继续进行切削。属于早期破损。陶瓷刀具、硬质合金刀具（低速断续切削）2、碎断。（打刀）在切削刃上发生小块破裂（重磨修复后可用）或大块断裂（不能修磨后再用），刀具不能继续正常切削。,一、刀具的脆性破损,3、剥落。指经常连同切削刃一起在前刀面、后刀面上剥下一层碎片，有时也在离切削刃稍远处剥落。这种早期破损现象多发生在断续切削、且在有切屑粘结在前面上在切入时。在积屑瘤脱落时，更容易发生这种破损。4、裂纹破损。在长时间断续切削后，由于疲劳而引起裂纹的一种破损。热应力引起垂直于或倾斜于切削刃的热裂纹，机械应力引起平行于切削刃或成网状的机械疲劳裂纹。这种裂纹不断扩展、合并，导致切削刃的破损或断裂。,二、刀具的塑性破损,切削时，由于高温和高压作用，使得前、后刀面的刀具材料发生塑性流动而丧失切削能力，称为塑性破损。过程：刀刃变钝圆刀具材料向后刀面流动后角变化（部分为0）接触面增大切削力增大刀具材料继续向后刀面流动部分刀具材料被工件带走。塑性破损的条件是高温下刀具材料的硬度小于工件材料的硬度。刀具材料与工件材料硬度比值越高，越不容易发生塑性破损。,刀具磨损、破损检测与监控,1、刀具破损的主要原因是冲击、机械疲劳和热疲劳。（早期破损主要是机械冲击，热应力影响小；后期破损主要是在机械和热冲击作用下，刀具内裂纹失稳扩展所致。）2、刀具材料的特性（硬度高、脆性大，组织不均匀等）也是引起刀具破损的原因。,三、刀具脆性破损的原因,机械应力：正前角时（前刀面一定区域内受拉应力，后刀面区受压应力，前刀面上离刀刃22.5倍刀屑接触长度附近拉应力最大）；小前角或负前角时（拉应力区减小或者全部成为压应力，能提高抗破损能力。）热应力：断续切削时，由于切削与空切的交替变化，刀具表面上的温度发生周期性的变化。空切时温度降低由于冷缩前刀面受拉应力，切削时受热由于热胀而受压应力。拉、压应力交替作用使刀具产生热裂现象。温差越低，应力越大，越易引起裂纹。,刀具破损耐用度：指刀具刃磨后开始切削，一直到尚未达到磨钝标准之前就发生破损而不能继续切削时，刀刃受冲击的次数（N）。,五、刀具的脆性破损耐用度,1、依据被加工材料和切削条件，合理选择刀具材料的种类和牌号；2、选择合理的刀具角度，通过调整使刀尖具有较好的强度。在主切削刃上磨出倒棱。3、选择合适的切削用量；4、尽量采用可转位车刀；5、为减小振动，尽可能保证工艺系统具有较好的刚性；6、操作时要尽量避免刀具承受突变性负荷。,六、防止刀具破损的措施,小结,1、刀具磨损对切削过程有重大影响。2、刀具损坏失效的形式有正常磨损和破损两类。破损多数发生在脆性较大的刀具进行断续切削时或在高硬度材料的加工中；而正常磨损则在任何加工情况下存在。3、刀具磨损是机械、化学和物理等作用的综合结果。4、刀具磨损与切削温度密切相关，凡是影响切削温度的因素都影响刀具的磨损。5、刀具的磨钝标准通常用主后面的平均磨损值VB衡量。6、刀具耐用度是估计刀具是否已达到磨钝标准的间接可测量的量，通常情况下按经济耐用度原则选择切削用量。,思考题,1、用高速钢车刀和硬质合金车刀切削钢料时，各自的磨损原因有何异同？切削普通钢料为何不宜采用YG类硬质合金？2、刀具耐用度方程式vTmC0中，指数m的物理意义是什么？3、P116页的思考题。,