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刀具磨損的三個階段

2020年05月11日 閱讀(90)

一、刀具磨損的形態及其原因
切削金屬時,刀具一方面切下切屑,另一方面刀具本身也要發生損壞。刀具損壞的形式主要有磨損和破損兩類。前者是連續的逐漸磨損,屬正常磨損;后者包括脆性破損(如崩刃、碎斷、剝落、裂紋破損等)和塑性破損兩種,屬非正常磨損。
刀具磨損后,使工件加工精度降低,表面粗糙度增大,并導致切削力加大、切削溫度升高,甚至產生振動,不能繼續正常切削。因此,刀具磨損直接影響加工效率、質量和成本。


刀具正常磨損的形式有以下幾種:
1.前刀面磨損 2.后刀面磨損 3.邊界磨損(前、后刀面同時磨損)
從對溫度的依賴程度來看,刀具正常磨損的原因主要是機械磨損和熱、化學磨損。機械磨損是由工件材料中硬質點的刻劃作用引起的,熱、化學磨損則是由粘結(刀具與工件材料接觸到原子間距離時產生的結合現象)、擴散(刀具與工件兩摩擦面的化學元素互相向對方擴散、腐蝕)等引起的。
(1)磨粒磨損
在切削過程中,刀具上經常被一些硬質點刻出深淺不一的溝痕。磨粒磨損對高速鋼作用較明顯。
(2)粘結磨損
刀具與工件材料接觸到原子間距離時產生的結合現象,稱粘結。粘結磨損就是由于接觸面滑動在粘結處產生剪切破壞造成。低、中速切削時,粘結磨損是硬質合金刀具的主要磨損原因。
(3)擴散磨損
切削時在高溫作用下,接觸面間分子活動能量大,造成了合金元素相互擴散置換,使刀具材料機械性能降低,若再經摩擦作用,刀具容易被磨損。擴散磨損是一種化學性質的磨損。
(4)相變磨損
當刀具上最高溫度超過材料相便溫度時,刀具表面金相組織發生變化。如馬氏體組織轉變為奧氏體,使硬度下降,磨損加劇。因此,工具鋼刀具在高溫時均用此類磨損。
(5)氧化磨損
氧化磨損是一種化學性質的磨損。
刀具磨損是由機械摩擦和熱效應兩方面因素作用造成的。
1)在低、中速范圍內磨粒磨損和粘結磨損是刀具磨損的主要原因。通常拉削、鉸孔和攻絲加工時的刀具磨損主要屬于這類磨損。
2)在中等以上切削速度加工時,熱效應使高速鋼刀具產生相變磨損、使硬質合金刀具產生粘結、擴散和氧化磨損。


二、刀具磨損過程、磨鈍標準及刀具壽命
1、刀具磨損過程
隨著切削時間的延長,刀具磨損增加。根據切削實驗,可得圖示的刀具正常磨損過程的典型磨損曲線。該圖分別以切削時間和后刀面磨損量VB(或前刀面月牙洼磨損深度KT)為橫坐標與縱坐標。從圖可知,刀具磨損過程可分為三個階段:
1.初期磨損階段 2.正常磨損階段 3.急劇磨損階段
2、刀具磨鈍標準
刀具磨損到一定限度就不能繼續使用。這個磨損限度稱為磨鈍標準。規定后刀面上均勻磨損區的高度VB值作為刀具的磨鈍標準。
3、刀具的耐用度(刀具壽命)
一把新刀(或重新刃磨過的刀具)從開始切削至磨損量達到磨鈍標準為止所經歷的實際切削時間,稱為刀具的耐用度,用T分鐘表示。又稱為刀具壽命。


三、刀具的破損
刀具破損和刀具磨損一樣,也是刀具失效的一種形式。刀具在一定的切削條件下使用時,如果它經受不住強大的應力(切削力或熱應力),就可能發生突然損壞,使刀具提前失去切削能力,這種情況就稱為刀具破損。破損是相對于磨損而言的。從某種意義上講,破損可認為是一種非正常的磨損。刀具的破損有早期和后期(加工到一定的時間后的破損)兩種。刀具破損的形式分脆性破損和塑性破損兩種。硬質合金和陶瓷刀具在切削時,在機械和熱沖擊作用下,經常發生脆性破損。脆性破損又分為:
1.崩刀 2.碎斷3.剝落 4.裂紋破損。


四、刀具的狀態監控
如前所述,刀具損壞的形式主要是磨損和破損。在現代化的生產系統(如FMS、CIMS等)中,當刀具發生非正常的磨損或破損時,如不能及時發現并采取措施,將導致工件報廢,甚至機床損壞,造成很大的損失。因此,對刀具狀態進行監控非常重要。
刀具破損監測可分為直接監測和間接監測兩種。所謂直接監測,即直接觀察刀具狀態,確認刀具是否破損。其中最典型的方法是ITV(Industrial Television, 工業電視)攝像法。間接監測法即利用與刀具破損相關的其它物理量或物理現象,間接判斷刀具是否已經破損或是否有即將破損的先兆。這樣的方法有測力法、測溫法、測振法、測主電機電流法和測聲發射法等。


五、刀具耐用度(刀具壽命)的選擇原則
切削用量與刀具壽命有密切關系。在制定切削用量時,應首先選擇合理的刀具壽命,而合理的刀具壽命則應根據優化的目標而定。一般分最高生產率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種,前者根據單件工時最少的目標確定,后者根據工序成本最低的目標確定。
比較最高生產率耐用度Tp與最低生產成本耐用度Tc可知:Tc>Tp。生產中常根據最低成本來確定耐用度,但有時需完成緊急任務或提高生產率且對成本影響不大的情況下,也選用最高生產率耐用度。刀具耐用度的具體數值,可參考有關資料或手冊選用。

選擇刀具壽命時可考慮如下幾點:
(1)根據刀具復雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復雜和精度高的刀具壽命應選得比單刃刀具高些。
(2)對于機夾可轉位刀具,由于換刀時間短,為了充分發揮其切削性能,提高生產效率,刀具壽命可選得低些,一般取15—30min。
(3)對于裝刀、換刀和調刀比較復雜的多刀機床、組合機床與自動化加工刀具,刀具壽命應選得高些,尤應保證刀具可靠性。
(4)車間內某一工序的生產率限制了整個車間的生產率的提高時,該工序的刀具壽命要選得低些;當某工序單位時間內所分擔到的全廠開支 M較大時,刀具壽命也應選得低些。
(5)大件精加工時,為保證至少完成一次走刀,避免切削時中途換刀,刀具壽命應按零件精度和表面粗糙度來確定。


六、影響刀具耐用度T因素(見P43)
1、切削用量
切削用量對刀具耐用度T的影響規律如同對切削溫度的影響。
切削速度Vc、 背吃刀量(切削深度)ap、進給量增大,使切削溫度提高,刀具耐用度T下降。
Vc影響最大、 進給量f其次,ap影響最小。(見P43 刀具耐用度T計算公式2.28)
根據刀具耐用度合理數值T計算的切削速度稱為刀具耐用度允許的切削速度,用VT表示,其計算式為:
顯然低成本允許的切削速度低于高生產率允許的切削速度。
2、工件材料
(1)硬度或強度提高,使切削溫度提高,刀具磨損加大,刀具耐用度T下降。
(2)工件材料的延伸率越大或導熱系數越小,切削溫度越高,刀具耐用度T下降。
3、刀具幾何角度
(1)前角對刀具耐用度的影響呈“駝峰形”。
(2)主偏角Κr減小時,使切削寬度bD增大,散熱條件改善,故切削溫度下降,刀具耐用度T提高。
4、刀具材料
刀具材料的高溫硬度越高、越耐磨,刀具耐用度T越高。
加工材料的延伸率越大或導熱系數越小,均能使切削溫度升高因而使刀具耐用度T降低。


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