机械制造技术基础3-4-2011年更新.ppt

1、第四节 刀具磨损和耐用度,郑州航空工业管理学院机电工程学院,机械制造技术基础 第三章 切削过程及控制,第四节 刀具磨损和耐用度,一、刀具磨损的形态,刀具失效形式： 磨损 正常工作时逐渐产生的损耗。 破损 突发的破坏，随机的。如裂纹、崩刃、破碎等。,一、刀具磨损的形态,正常磨损,1. 前刀面磨损,2. 后刀面磨损,3. 边界磨损,破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）,非正常磨损,切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，在前刀面上经常会磨出一个月牙洼。 发生位置月牙洼的位置发生在刀具前刀面上切削温度最高的地方。 磨损特征月牙洼和切削刃之间有一条小棱边。在磨损过程中，月牙洼的宽度、深

2、度不断增大，当月牙洼扩展到使棱边很窄时，切削刃的强度大为削弱，极易导致崩刃。,1. 前刀面磨损（月牙洼磨损）,刀 具 磨 损 的 形 态,1. 前刀面磨损（月牙洼磨损）,刀 具 磨 损 的 形 态,刀具磨损测量： 月牙洼磨损量以其最大深度KT表示。,2. 后刀面磨损,后刀面磨损：在后刀面上毗邻切削刃的地方被磨出后角为零的小棱面。 发生条件：在切削速度v 较低、切削厚度ac较小的情况下切削塑性材料或加工脆性材料时，主要发生后刀面磨损。 磨损特征：后刀面磨损带往往是不均匀的，刀尖部分（C区）强度较低，散热条件又差，磨损比较严重。,刀 具 磨 损 的 形 态,表示方式：,2. 后刀面磨损,刀 具 磨

3、 损 的 形 态,-靠近刀尖部位（C区），磨损最大宽度值为VC。,-主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，被磨成较严重的深沟，以VN表示。 -在后刀面磨损带中间部位（B区）上，磨损比较均匀，平均磨损带宽度以VB表示，而最大磨损带宽度以VBmax表示。,边界磨损：切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹，称为边界磨损。 边界处的加工硬化层、硬质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。,加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。,刀 具 磨 损 的 形 态,3. 边界磨损,切屑、工件材料中含有的一些碳化物、氮

4、化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等，对刀具表面刻划作用造成的机械磨损。（磨粒或耕犁磨损）,硬质点磨损在任何切削速度下都存在，但在低速切削时，硬质点磨损是低速刀具磨损的主要原因(HSS刀具和工具钢刀具)。,1.硬质点磨损：,机械的、热的和化学的三种作用的综合结果。,二、刀具磨损的原因,切屑、工件与前、后刀面之间，存在着高温高压和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘接。由于摩擦面之间的相对运动，粘接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。,2.粘接磨损（冷焊）,中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重； 刀、工材料硬度比小，亲合力大时磨损严重； 刀具刃磨质量差磨损严重。,主要发生在中等切削速度范围

5、内,二、刀具磨损的原因,3.扩散磨损,在切削高温下，刀具表面与切出的工件、切屑新鲜表面接触，刀具和工件、切屑双方的化学元素互相扩散到对方去，改变了原来材料的成分与结构，削弱了刀具材料的性能，加速磨损过程。,切削温度越高，扩散越快； 刀工材料亲合力越大，扩散越快； 高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。,在更高切削温度下发生的一种现象,二、刀具磨损的原因,在一定温度下，刀具材料与某些周围介质（如空气中的氧、切削液中的极压添加剂硫、氯等）起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，如四氧化三钴、一氧化钴、三氧化钴和二氧化钛等，被切屑或工件擦掉而形成磨损。（氧化磨损）,4.化学磨损,化学磨损是

6、边界磨损原因之一；主要发生在较高速切削条件下。,二、刀具磨损的原因,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。 右图所示为硬质合金刀具加工钢料时，在不同的切削速度（切削温度）下各类磨损所占的比重。,1. 硬质点磨损 2. 粘结磨损 3. 扩散磨损 4. 化学磨损,二、刀具磨损的原因,1. 刀具磨损过程 (1)初期磨损阶段 与刀具刃磨质量有关 (2)正常磨损阶段 VB与切削时间近似正比 斜率表示磨损强度,(3)急剧磨损阶段 切削力、温度急升，刀具磨损加剧，要在这个阶段到来之前，及时换刀,该阶段是刀具工作的有效阶段,三、刀具磨损过程及磨钝标准,2.刀具的磨钝标准：

7、刀具磨损到一定限度就不能继续使用。这个磨损限度称为磨钝标准。 国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀耐用度的磨钝标准，可以使下列任何一种： （1）VB0.3mm； （2）如果主后面为无规则磨损，取0.6mm； （3）前面磨损量KT0.06+0.3f（f 为进给量）。,三、刀具磨损过程及磨钝标准,小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝 ISO标准规定以1/2 ap处的VB值作为刀具的磨钝标准； 在不同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的 粗车碳素钢0.60.8 粗车铸铁0.81.2 粗车合金钢0.40.5 精车碳钢0.10.3 工艺系统刚性大、HSS ， VB值较大； 工艺系统刚性差、Y

8、合金，VB值较小 自动化精加工刀具，以径向磨损量NB作为磨钝标准,三、刀具磨损过程及磨钝标准,2.刀具的磨钝标准：,小 结,切削力 切削力的来源：弹塑性变形及摩擦阻力 切削合力及分解：Fr：Fz、Fx、Fy 切削力计算的指数公式： 影响切削力的因素： 切削热 切削热的产生：弹塑性变形及摩擦阻力 切削热的传导：工件、切屑、刀具 刀具磨损 磨损方式：正常（前刀面和后刀面磨损）、非正常磨损 磨损原因：硬质点、粘结、扩散、化学磨损 磨损过程：初期-正常-急剧磨损 磨钝标准：后刀面平均磨损尺寸VB值,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，以T表示。 也可以用达到磨钝标准时所走过的切

9、削路程Lm来定义耐用度。Lm等于切削速度v和耐用度T的乘积，即： LmvT,1.刀具耐用度的定义,四、刀具耐用度及其经验公式,刀具总使用寿命： 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。 刀具总使用寿命刀具耐用度刃磨次数,式中CT 、m、n、p 为与工件、刀具材料等有关的常数,可见v 的影响最显著；f 次之；ap 影响最小,用YT5硬质合金刀具切削碳钢（b= 0. 63GP a）时，有：,四、刀具耐用度及其经验公式,四、刀具耐用度及其经验公式,2.切削用量对刀具耐用度的影响,1）刀具耐用度与切削速度的关系 工件、刀具材料和刀具几何形状确定后，v 对T 影响最大。 通过实验

10、得经验公式：v T m =C0 指数m ：表示v 对 T 的影响程度，Y合金,m =0.2-0.4 ; HSS m = 0.1-0.125。m 越小，则v 对 T 的影响越大 系数C0 ：与刀具、工件材料和切削条件有关。,经过实验，综合可得到切削用量与刀具使用寿命的关系式：,由上式看出，切削用量， T ，其中速度v 对T 影响最大，进给量f 次之，背吃刀量ap影响最小，与对温度影响一致。,2）刀具耐用度与切削用量的关系,2.切削用量对刀具耐用度的影响,1. 最大生产率耐用度,使单件工时最短的刀具耐用度。Tp,2. 最低成本耐用度Tc,根据单件成本最低的原则确定的刀具使用寿命,五、刀具耐用度的选

11、择,3. 最大利润耐用度Tpr,以一定时间内企业能获得最大利润为目标确定的刀具使用寿命,选择刀具耐用度应从以下几方面考虑：,1. 制造和刃磨较简单、成本不高的刀具，刀具耐用度选得低 些，反之高些。 硬合金车刀T为6090min，钻头T为80120min，硬质 合金端铣刀T为90180min，齿轮刀具为200300min。,2. 装卡调整复杂的刀具，刀具耐用度选得高些，如仿形车床、组合钻床上刀具为通用机床上的24倍。,3. 切削大型工件为避免中途换刀，刀具耐用度选得高些，一般为中小件加工时的23倍。,4. 生产线上的刀具耐用度应规定为一个班或两个班，以便能在换班时间内换刀。,5. 精加工尺寸很大

12、的工件时，为避免在加工同一表面时中途换刀，耐用度应规定得至少能完成一次走刀，刀具耐用度应按零件精度和表面粗糙度要求决定。,课 前 复 习,切削力 切削力的来源：弹塑性变形及摩擦阻力 切削合力及分解：Fr：Fz、Fx、Fy 切削力计算的指数公式： 影响切削力的因素： 切削热 切削热的产生：弹塑性变形及摩擦阻力 切削热的传导：工件、切屑、刀具 刀具磨损 磨损方式：正常（前刀面和后刀面磨损）、非正常磨损 磨损原因：硬质点、粘结、扩散、化学磨损 磨损过程：初期-正常-急剧磨损 磨钝标准：后刀面平均磨损尺寸VB值 耐用度与切削用量的关系：达到磨钝标准的时间；,刀具的脆性破损：崩刃、碎断、剥落、裂纹破损

13、刀具的塑性破损：切削时，由于高温和高压的作用，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丧失切削能力。,六、刀具的破损,在提高刀具材料的强度和抗热冲击性能的基础上： 合理选择刀具材料的牌号。 选择合理的刀具角度。通过调整前角、后角、刃倾角和主、副偏角，增加切削刃和刀尖的强度；在主切削刃上磨出倒棱，可以有效的防止崩刃。,防止刀具破损的措施,六、刀具的破损,选择合适的切削用量。硬质合金较脆，要避免切削速度过低时切削力过大而崩刃；也要防止切削速度过高，因温度太高而产生热裂纹。 尽量采用可转位刀具；采用焊接刀具时，要避免焊接、刃磨不当所产生的各种弊病。 要尽可能的保证工艺系统有

14、较好的刚性，以减少切削时的振动。,防止刀具破损的措施,六、刀具的破损,第五节 切削用量的选择,第五节 切削用量的选择,一、选择切削用量的原则： 合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。,第五节 切削用量的选择,1.切削用量同加工生产率的关系： 三要素对生产率的影响 f保持不变，ap增至3 ap ，如仍保持刀具合理的耐用度，则v必须降低15%，此时生产率P3ap2.6P，即生产率提高至2.6倍。 ap保持不变，f增至3f，如仍保持刀具合理的耐用度，则v必须降低32%，此时生产率P3f2P，即生产率提高至2倍。 切削速度高过一

15、定的临界值时，生产率反而会降低。 ap增大至某一数值时，因受加工余量的限制而成为常值时，进给量f不变，把切削速度v增至3v时，P3v0.13P,生产率大为降低。,第五节 切削用量的选择,2.切削用量的选择原则 选择切削用量的最佳组合，在保持刀具合理耐用度的前提下，使ap 、f、v三者的乘积值最大，以获得最高的生产率。 首先选取尽可能大的背吃刀量ap ； 其次根据机床动力和刚性限制条件或已加工表面粗糙度的要求，选取尽可能大的进给量f； 最后利用切削用量手册选取或者用公式计算确定切削速度v。,第五节 切削用量的选择,1、背吃刀量ap的选定 粗加工（表面粗糙度Ra8020m）时， ap由加工余量和工

16、艺系统的刚度决定，一次走刀应尽可能切除全部余量，在中等功率机床上，背吃刀量可达810mm。 半精加工（表面粗糙度Ra105m）时，取为0.52mm。 精加工（表面粗糙度R2.51.25m）时，取为0.10.4mm,二、切削用量的选定,在加工余量过大或系统刚性不足情况下，粗加工可分几次走刀。若分两次走刀，第一次走刀的ap取大些，可占全部余量的2/33/4，而第二次走刀的ap取小些，以使精加工工序具有较高的刀具寿命和加工质量。,切削有硬皮的铸、锻件或不锈钢等加工硬化严重的材料时，应尽量使ap超过硬皮或冷硬层厚度，以避免刀尖过早磨损。,2、进给量f 的选择 粗加工时，f 的大小主要受机床进给机构强度

17、、刀具的强度与刚性、工件的装夹刚度等因素的限制。 精加工时，f 的大小主要受加工精度和表面粗糙度的限制。,生产实际中常根据经验或查表法确定f 。 粗加工时，根据工件材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及以确定的背吃刀量来选择f 。 在半精加工和精加工时，则按加工表面粗糙度要求，根据工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度来选择f。,第五节 切削用量的选择,二、切削用量的选定,3、切削速度的选定 根据已经选定的背吃刀量ap 、进给量 f 及刀具使用寿命T，切削速度v可按下式计算求得 式中各系数和指数可查阅切削用量手册。,二、切削用量的选定,第五节 切削用量的选择,生产中选择切削速度的一般原则,第五节 切削用量的

18、选择,粗车时， ap和f较大，v较低；精车时， ap和f较小，v较高。 工件材料强度、硬度高时，应选较低的v；加工奥氏体不锈钢、钛合金和高温合金等难加工材料时，只能取较低的v。 切削合金钢比中碳钢v应降低20%30%；切削调质状态的钢比正火、退火状态钢要降低v 20%30%；切削有色金属时比中碳钢时可提高100%300%。 刀具材料的切削性能愈好， v也选得愈高。如硬质合金的v比高速钢刀具可高好几倍，涂层刀具的v比未涂层刀具要高，陶瓷、金刚石和CBN刀具更高。 精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。 断续切削时，为减少冲击和热应力，宜适当降低v 。 在易发生振动时，切削速度应避开自激振动的临界速度。 加工大件、细长件和薄壁工件或加工带外皮的工件时，适当降低v 。,三、切削用量最佳化的概念,T-v关系及lm-v关系中的极值（图3-37） 最佳切削温度概念：刀具磨损强度最低，耐用度最高的。 各切削速度之间的关系（图3-38）：可以证明，最高刀具耐用度的切削速度vT、最佳切削速度v0、经济切削速度vc和最高生产率切削速度vp之间：vTv0vcvp,小 结,刀具磨损与耐用度 刀具磨损方式：正常磨损和非正常磨