磨损耐用度.doc

第六节 刀具磨损、破损和耐用度 刀具在切削过程中将逐、渐产生磨损。当刀具磨损达到一定程度时，可以明显地发现切削力加大，切削温度升高，切屑颜色改变，甚至产生振动。同时，工件尺寸也可能会超出公差范围，已加工表面也明显恶化。此时，必须对刀具进行重磨或更换新刀。刀具的磨损和耐用度关系到切削加工的效率、质量和成本，因此它是切削加工中极为重要的问题之一；本节着重研究包括：刀具磨损的机理，延缓磨损的措施，合理耐用度的制订，磨损和耐用度的试验方法等等。 一、刀具磨损的形态 在切削过程中，前刀面、后刀面经常与切屑、工件接触，在接触区里发生着强烈的摩擦，同时，在这接触区里又有很高的温度和压力。因此前刀面和后刀面随着切削的进行都会逐渐产生磨损。 刀具磨损的形态及原因后果可见下表（表1-1）表1-1刀具磨损的形态刀具磨损的形态形成的原因磨损的后果前刀面磨损（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当月牙洼扩展到是棱边很窄时，切削刃的强度大为削弱，极易导致崩刃。后刀面磨损 由于加工表面和刀具后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，这种磨损形式叫做后刀面磨损在切削速度较低、切削厚度较小的情况下切削塑性金属以及加工脆性金属暗一触不产生月牙洼磨损但都存在着后刀面磨损。 在切削刃参加切削工作的各点上，后刀面磨损是不均匀的。从图62可见，在刀尖部分(即图a中的c区)由于强度和散热条件较差，因此磨损较为剧烈，其最大值为VC。在切削刃靠近工件外表面处(N区)，由于上道工序的加工硬化层或毛坯表面硬层的影响及其他原因，往往使与这部分材科接触的切削刃连同该处的后刀面产生较大的磨损而形成缺口。该区域的磨损量以VN表示。在参与切削的切削刃中部(B区)，其磨损比较均勾。这部分的磨损，以VB表示平均磨损值，以表示最大磨损值。前刀面和后刀面同时磨损这是一种兼有前两种形式的磨损形式在切削塑性金属时经常会发生这种磨损。二、刀具磨损的原因 为了减小和控制刀具的磨损，为了研制新的刀具材料，必须研究刀具磨损的原因和本质。切削过程中的刀具磨损具有下列特点 (1)刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。 (2)接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。 (3)接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达800一1000，对于高速钢刀具可达300-600 在上述条件下工作，刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种作用的综合结果，可以产生磨料磨损、冷焊磨损(也称为粘结磨损)、扩散磨损和氧化磨损等。刀具磨损的原因如表1-2表1-2刀具磨损的原因磨损的原因形成原因产生磨损的地方影响因素磨料磨损切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但他们当中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点，可在刀具表面划出沟纹，这就是磨料磨损除了前刀面会有磨料磨损外，在后刀面上，同样可以发现有由于磨料磨损而产生的沟纹。但对低速切削的刀具(如拉刀、板牙等)，磨料磨损是磨损的主要原因。高速钢刀具的硬度和耐磨性低于硬质合金、陶瓷等，故其磨料磨损所占的比重较大。冷焊磨损切削时，切屑、工件、后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦因而他们之间会产生冷焊粘结，由于摩擦副之间的相对运动冷焊结将产生破裂被一方带走从而造成冷焊磨损工件材料或切屑的硬度较刀具材料的硬度为低，冷焊结的破裂往往发生在工件或切屑这一方。但由于交变应力、接触疲劳、热应力以及刀具表层结构缺陷答原因，冷焊结的破裂也可能发生在刀具这一方，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而造成刀具磨损。 冷焊磨损一般在中等偏低的切削速度下比较严重。脆性金屑比塑性金属的抗冷焊能力强，相同的金属或晶格类型、品格间距、电子密度、电化学性质相近的金属，其冷焊倾向大，多相金属比单相金属冷焊倾向小；金属化合物比单相固溶体冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。 在高速钢刀具的正常工作速度和硬质合金刀具偏低的工作速度下，正能满足产生冷焊的条件，故此时冷焊磨损所占的比重较大。提高切削速度后，硬质合金刀具冷焊磨损减轻。扩散磨损扩散磨损是在高温下产生的。切削金属时，切屑、工件、刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了原来的材料与结构，使刀具材料变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损 扩散磨损往往与冷焊磨损、磨料磨损同时产生，此时磨损率很高。离切削刃有一定距离处的前刀面上温度最高，该处的扩散作用最强烈，于是在该处形成月牙洼。高速钢刀具的工作温度较低，故其扩散磨损历占的比重远小于硬质合金刀具。 除刀具、工件材料自身的性质以外，温度是影响扩散磨损的最主要的因素。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、CoO、等）被切屑或工件擦掉而形成磨损，称为氧化磨损。一般，空气不易进入刀屑接触区，氧化磨损最容易在主、副切削刃的工作边界处形成，在这里的后刀面(有时在前刀面)上划出较探的沟槽(图6-7这是造成“边界磨损”的原因之一。氧化磨损与氧化膜的粘附强度有关，粘附强度越低，则磨损越快；反之则可减轻这种磨损热电磨损工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。这种在热电势的作用下产生的扩散磨损，称为热电磨损”。试验证明，若在工件-刀具接触处通以与热电势相反的电动势，可减少热电磨损。几种刀具磨损的实例如下表1-3 图6-3所示为高速钢车刀切削含Ti的奥氏体不锈钢工件时，切屑与前刀面的摩擦情况。切屑中的Ti(C，N)颗粒在刀具表面上起耕犁作用。图64表示硬质合金刀具前刀面上的冷焊坑。例如用硬质合金切钢时，从800开始，硬质合金中的Co便迅速地扩散到切屑、工件中WC分解为w和C后扩散到钢中(图65)。因切屑、工件都在高速运动，刀具表面和它们的表面在接触区保持着扩散元素的浓度梯度，从而使扩散现象持续进行。于是，硬质合金表面发生贫碳、贫钨现象。粘结相Co的减久,又使硬质合金中硬质相(WC,TiC)的粘结强度降低。切屑、工件中的Fe则向硬质合金中扩散，扩散到硬质合金中的Fe，将形成新的低硬度、高脆性的复合碳化物。所有这些都使刀具磨损加剧。 切削高碳钢和铸铁时，元素C将向硬质合金中扩散。 碳化物能溶解到钢(切屑、工件)中，这是扩散的另一种形式。图6-6揭示了硬质合金中WC转移的情况，图中上面是钢，下面是硬质合金，中间白色的区域是滞流层硬质合金中的WC颗粒已进入到钢层中而将被切屑带走。除刀具、工件材料自身的性质以外，温度是影响扩散磨损的最主要的因素。一般，空气不易进入刀屑接触区，氧化磨损最容易在主、副切削刃的工作边界处形成，在这里的后刀面(有时在前刀面)上划出较探的沟槽(图6-7)，这是造成“边界磨损”的原因之一。三、刀具磨损过程及磨钝标准 刀具磨损到一定程度就不能继续使用，否则将降低工件的尺寸和加工表面质量，同时也要增加刀具的消耗和加工成本。那么，刀具磨损到什么程度就不能使用呢？这需要制定一个磨钝标准。为此，先研究刀具的磨损过程。（1） 刀具磨损的过程 后刀面磨损量VB随时间t的增大而增大。图6-9为典型的刀具磨损曲线，其磨损过程分为三个阶段：刀具磨损的过程如表1-4表1-4刀具磨顿的过程磨顿的阶段各阶段的特点初级磨损阶段 这一阶段磨损曲线的斜线较大。由于刃磨后的新刀具，其后刀面与加工表面的实际接触面积很小，压强很大，故磨损很快。此外，新刃磨后的刀面上的微观不平度也加速了磨损图6-9刀具磨损过程曲线正常磨损阶段这一阶段中磨损曲线基本上是一条上行的直线，其斜率代表刀具正常工作时的磨损强度。磨损强度是比较刀具切削性能的重要指标之一。剧烈磨损阶段。这一阶段的磨损斜率很大，即磨损强度很大。此时刀具如继续工作，则不但不能保证加工质量，而且刀具材料消耗的多。经济上是不合算的。故应当使刀具避免发生剧烈磨损。刀具磨损的后果影响到影响的德后果切削力随着磨损的增加而增加，耐用期临近前，和达到主切削力切削温度随着磨损的增加，切削温度增高。因摩擦大了，切削温度高又促进了磨损，反复作用切屑形成月牙洼磨损增加后C形屑变窄，断屑更好些，月牙洼当断屑槽用，表面状况表面粗糙度增加了，硬化层也增加了（二）刀具磨钝标准 刀具磨损后将影响切削力、切削温度和加工质量，因此必须根据加工情况规定一个最的允许磨损值，这就是刀具的磨钝标准。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损标准。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值，以VB表示。制订磨损标准需考虑被加工对象的特点和加工条件的具体情况 工艺系统的刚性较差时应规定较小的磨顿标准。因为当后刀面磨损底切削力将增大，尤以径向切削力最为显著。与新磨过的车刀相比，VB04mm时，增加1230%VB08时，增加3050%。故车削刚性差的工件时，应控制在VB=03左右;而车削刚性好的工件时，磨钝标准可取得大一些。 后刀面解损后，切削温度升高。加工不同的工件材料，切削温度的升高也不相同，在相同的切削条件下，加工合金钢的切削温度高于碳素钢，加工高温合金及不锈钢的切削温度又高于合金钢。在切削难加工材料时，一般应选用较小的磨钝标，加工一般材料，磨钝标准可以大一些。 加工精度及表面质量要求较高时，应当减小磨钝标准，以确保加工质量。例如在精车时，应控制VB=03的范围内。加工大型工件，为避免中换刀，一般采用较低的切削速度以延长刀具耐用度。此时切削温度较低。故可适当加大磨钝标准。在自动化生产中使用的精加工刀具，一般都根据工件的精度要求制订刀具磨钝标准。在这种情况下，常以刀具的径向磨损量NB(图6l0)作为衡量标难。此外还需考虑工艺系统的弹性变形、刀具调整误差、工件尺寸的分布律以及工件材料性质不均匀等因素。因此要用统计方法来确定刀具的磨纯标淮。 根据生产实践中的调查资科，硬质合金车刀的磨钝标淮推荐值列于表6-1。 ISO已规定了外圆车刀耐用度实验中的刀具磨钝标准，这个规定只用于切削实验，生产现场中的刀具磨钝标准往往要大一些(精加工除外)。表6-1硬质合金车刀的磨钝标淮推荐值加工条件后刀面磨顿标准VB（mm）精车0.10.3合金钢粗车，粗车刚性较差的工件0.40.5碳素钢粗车0.60.8铸铁粗车0.81.2刚及铸铁大件低速粗车1.01.5四、刀具耐用度及其经验公式1、刀具耐用度的定义及表示 刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达磨钝标准为止的切削时间称为刀具耐用度，以T表示。耐用度指净切削时间，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来定义耐用度的，等于切削速度v和耐用度T的乘积，即 (6-3)2、刀具寿命的含义及与耐用度的关系 刀具寿命与刀具耐用度有着不同的含义。刀具寿命表示一把新刀用到报废之前总的切削时间，其中包括多次重磨。因此刀具寿命等于刀具耐用度乘以重磨次数。 刀具耐用度是很重要的数据。在同一条件下切削同一材料时，可以用耐用度来比较不同刀具材料的切削性能；同一刀具材料切削各种材料，又可以用耐用度来比较工件材料的切削加工性；也可以用耐用度来判断刀具几何参数是否合理。工件材科、刀具材料的性能对刀具耐用度影响最大。在切削用量中，最主要的影响因素是切削速度，其次是进给量、切削深度。此外，刀具几何参数对耐用度也有重要影响。二、切削用量对刀具耐用度的影响1切制速度与刀具耐用度的关系 切削速度与刀具耐用度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。为了节约材林同时又要能反映刀具在正常工作情况下的磨损强度，按照ISO的规定：当切削刃参加工作部分的中部磨损均匀时，磨钝标准取VB=0.3，若磨损不均匀时取VB06mm。 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等)作磨损试验，得出在各种速度下的刀具磨损曲线(因611)，再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耐用度等。然后在双对数坐标纸上定出等点(图6-12)。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。因此这条在双对数坐标图上的直线可用下列方程式表示： 式中m=tg，即该直线的斜率； A位当T=1s（或1min） 时直线在纵坐标上的截距。m及 A 均可在图中实测。因此v- T(或T-v) 关系可写成： （6-4）或 （z=1/m） （6-5） 这个关系式是二十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。式6-4表示了切削速度与刀具耐用度之间的关系，是选择切削速度的重要依据。指数m或z，表示切削速度对刀具耐用度的影响程度。对于高速钢刀具，m010125；对于硬质合金刀具，m0.10.4。m大(z小)，表明切削速度对耐用度的影响小，即刀具的切削性能较好。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，m值有减小的趋势。切削速度与耐用度的关系 切削速度对耐用度影响最大，其次是进给量，它在耐用度线图中表现为平行线，但前提是工件材料和刀具材料都应不变。对切削深度的影响，对前角、后角、主偏角的影响同样还有对冷却和润滑的影响都同样适合。如改变工件材料，刀具材料和耐用度标准，则耐用度直线就是另一斜度。（如表1-4） 表1-4 影响刀具耐用度的因素影响因素切削速度v，m/min进给量f，mm/r切深，mm切削条件logTminLogv m/min S11S2S1S2 工件材料、刀具材料、进给量、切深、前角、后角、和主偏角为常数刀具耐用度曲线的形状。切削速度增加，则在相同条件下耐用度下降logTminLogv m/min V1V2V1V2 工件材料、刀具材料、进给量、切深、前角、后角、和主偏角为常数在相同条件下 进给量增加，耐用度下降，反之亦然 logTminLogv m/min 1=5313 工件材料、刀具材料、进给量、切深、前角、后角、和主偏角为常数相同条件下，切深增加，耐用度下降，反之亦然刀具几何logTminLogv m/min 普通的前角数据与数据之误差前角logTminLogv m/min 后角5o6o后角主偏角 相同条件下（同上），不为常数。如前角与普通数据相差太多，耐用度在相同条件下下降。正前角：楔角很小。角前角：月牙洼很大。 相同条件下（同上），a不为常数。使后角楔角大小不利。logTminLogv m/min =4545o45o 相同条件下（同上），不为常数。主偏角愈小，参加切削的切刃愈长，相同条件下，耐用度较长，反之也然。工件材料logTminLogv m/min C35Al-SlMS 对不同的材料，其耐用度直线斜度发生变化logTminLogv m/min 123 相同条件下（同上），材料不为常数。组织、硬度、抗拉强度和合金成分影响这耐用度。相同条件下在组织中的珠光体量增加，硬度增加，材料抗拉强度增加，耐用度下降。刀具材料logTminLogv m/min 高速钢硬质合金陶瓷刀具 相同条件下（同上），材料不为常数，刀具材料对耐用度的影响极大，如左图所示。同样耐用度T，刀具材料改善了，就有可能用较高的切削速度。辅助材料logTminLogv m/min 无冷却冷却 相同条件下（同上），刀具材料：高速钢。相同条件下使用冷却剂和润滑剂用高速钢刀具，刀具耐用度提高3、 Tv关系的驼峰性 式6-2所示Tv关系的经验公式只在一定切削速度范围内适用，如切削速度在很广的范围内进行刀具耐用度实验，则所得的v-T曲线往往不是单调的函数关系而是形成驼蜂形的曲线(图6-13)。在较低的速度范围内，当v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。同样，-v关系也具有驼峰性。 驼峰处的耐用度最高或切削路程长，能否说明此处的切削速度是“最佳的切削速度”呢?不是。此处的切削速度偏低，金屑切除率也较低，在生产中往往没有实用价值。一般生产中常选用位于驼峰以右的切削速度六、刀具的破损在切削加工中，刀具经常不经过正常磨损，而在很短时间内突然损坏以致失效。这种情况称之为破损。刀具破损的型式很多，有烧刃、卷刃、崩刃、断裂、表层剥落等。对于不同性质的刀具材料和不同的切削条件，将出现不问的破损情况。、刀具破损的主要形式1工具钢、高速钢刀具相对于硬质合金而言，工具钢、高速钢的韧性较好，在一般切削条件下，甚至在断续切削时都不易发生崩刃等情况，但是它们的硬度和耐热性较低，当切削用量过大，尤其是切削速度过高，使切削温度超过一定数值（如高速钢超过600)，它们的金相组织就会发生变化，由马氏体转变为硬度较低的托氏体、索氏体或硬度很低的奥氏体，从而丧失切削能力。此时，切削刃和刀尖部分变色，瞬时间严重损坏，人们常称为烧刀”或“相变磨损”。当工具钢、高速钢刀具热处理不当，没有达到应有的硬度，或者虽然达到了应有硬度但用来切削高硬工件材料，则在重切削刀具(如车刀、铣刀)上，切削刃和刀尖部分可能产生“塑性变形，在精加工、薄切削刀具(如拉刀、铰刀)上可产生“卷刃”产生塑性变形后，切削刃部分的形状和几何参数都将发生变化(见图621)，使刀具迅速磨损，产生卷刃后，刀具不能继续工作。有些工具钢、高速钢刀，如钻头、丝锥、拉刀、立铣刀等，当切削负荷过重、刀具材料中有缺陷或刀具设计不当时，其工作部分或夹固部分，会产生折断(图616)。2硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石刀具这些刀具材料与工具钢、高速钢相比，硬度和耐热性较高，因此不易发生烧刀和卷刃；但它们的韧性较低，组织结构比较不均。容易带有各种缺陷，因此很容易发生崩刃、折断等情况，分述如下。(1)切削刃微崩(图617)：当工件材料的组织、硬度、余量不均，前角偏大导致切削刃强度偏低，工艺系统刚性不足产生振动，或进行断续切削，刃磨质量欠佳时，切削刃容易发生微崩”，即刃区出现微小的崩落、缺口或剥落。出现这种情况后，刀具将失去一部分切削能力，但还能继续工作。继续切削中，刃区损坏部分可能迅速扩大，导致更大的破损。 (2)切削刃或刀尖崩碎(图6-18)：这种破损型式常在比造成切削刃微崩更为恶劣的切削条件下产生，或者是微崩的进一步发展。崩碎的尺寸和范围都比微崩大，使刀具完全丧失切削能力，而不得不终止工作。刀尖崩碎的情况常称为“掉尖”。 (3)刀片或刀具折断(图6-19)：当切削条件极为恶劣，切削用量过大，有冲击载荷，刀片或刀具材料中有微裂纹(造成裂纹源)，由于焊接、刃磨在刀片中存在残余应力时，加上操作不慎等因素可能造成刀片或刀具产生“折断”。发生这种破损形式后，刀具不能继续使用，以致报废。刀尖受冲击脆性断裂情况刀刃受冲击断裂破损(崩刃)情况 （4）刀片表层剥落(图6-20)：对于脆性很大的刀具材料，如TiC含量高的硬质合金、陶瓷、立方氮化硼等，由于表层组织中有缺陷或潜在裂纹，或由于焊接、刃磨而使表层存在着残余应力，在切削过程不够稳定或刀具表面承受交变接触应力时，极易产生“表层剥落”。剥落可能发生在前刀面(因62a），也可能发生在后刀面(图6-20b)，剥落物呈片状，剥落面积较大。涂层硬金合金刀片上表面涂层材料(如TiO、TiC)的线膨胀系数大于基体材料，经过涂层工艺，刀片表面有残余拉应力，且徐层和基体间有脆性较大的中间层(相)，故产生剥落的可能性很大。刀片表面轻微剥落后，尚能继续工作，严重剥落后将丧失切削能力。(5)切削部位塑性变形(图6-21)：工具钢、高速钢刀具的切削部位可能产生“塑性变形：这是上文已经讲过了的。硬质合金刀具在高温和三向压应力状态下工作时，也会产生表层塑性流动，甚至使切削刃或刀尖发生塑性变形而造成塌陷。塌陷一般发生在切削用量较大和加工硬材料的情况下。TiC基硬质合金的弹性模量小于WC基硬质合金，故前者抗塑性变形能力较差。伴随着塌陷，前刀面可能被压裂(图6-22)。切削部分塑性变形后，将使刀具磨损加快，或迅速失效。图6 车刀断裂效果图0.0586.7m0.0m2500.0b) A区域断裂形貌径深测量图a) 刀具塑性断裂面效果图裂纹断口A区域 （6）刀片的热裂(图623，图624）；当刀具承受交变的机械裁荷和热负荷时，切削部分表面因反复热胀冷缩，不可避免地产生交变的热应力，从而使刀片发生疲劳而开裂。例如，硬质合金铣刀进行高速铣削时，刀齿不断受到周期性的冲击和交变热应力，而在前刀面上产生梳状裂纹(图623)。有些刀具虽然并没有明显的交变裁荷与交变应力，但因表层、里层温度不一致也将产生热应力，加上刀具材料内部不可避兔地存在缺陷，故刀片也可能产生裂纹。图6-24a是涂层硬质合金刀片在车削开始不久后在前刀面涂层部分形成平行于切削刃的单一粗裂纹，因图6-24b是凃层硬质合金刀片在车削相当长的时间后，前刀面上密布的网状裂，裂纹形成后，刀具有时还能继续工作一段时间，有时裂纹迅速扩展导致刀片折断或刀面严重剥落。（7）各种刀具的粘结破损形式及机理(1)铣刀粘结破损：波形刃铣刀片和平前刀面铣刀片铣削2.25Cr-1Mo-0.25V钢时，在前刀面都会形成与切屑流出方向相一致的粘结破损痕迹，如图1、图2所示。图1 平前刀面刀片粘结形貌图图2 波形刃刀片粘结形貌图从两种铣刀片破损形貌图3上来看，波形刃铣刀片破损主要在离刀尖一定的距离处的前刀面上产生小缺口（轻微崩刃），在刀尖处主要发生磨损；平刀片主要刀尖处发生明显的破损，由于粘结剥离材料而产生破损。d)平前刀面刀片粘