金属机床切削刀具破损产生的原因及对策

时间:2022-09-18 12:40:42

金属机床切削刀具破损产生的原因及对策

刀具破损是指刀具的非正常磨损而造成的损坏。如:打刀、崩刀、钻头折断等。

在金属切削过程中,当刀具还没有达到磨钝标准甚至在刀具尚未产生明显磨损时,因刀具破损常使切削工作不能正常进行。特别是加工高硬度材料或对脆性较大的材料进行断续切削时,这种现象就更多。据有关资料介绍,硬质合金刀具大约有50%~60%因破损使切削工作不能正常进行,至于陶瓷刀具,这个比例数就更高了。

刀具破损,不仅使刀具过早地丧失了切削能力,而且破损的刀具重新刃磨困难,有时甚至不能修复。

1 刀具破损的形式

刀具破损按其在切削过程中发生的时期,可分为早期破损和后期破损。所谓早期破损,是指在切削刚开始或开始不久,刀具的前、后刀面尚未发现明显的磨损(一般VB≤0.1 mm)时,发生的刀具破损,切削高硬度材料或对脆性较大的材料进行断续切削时,最常出现的就是早期破损。而所谓后期破损,则是在切削加工进行了一定时间后,刀具因疲劳等原因产生的破损。刀具早期破损比后期破损对正常切削的影响更大。

刀具破损按其破损性质分为塑性破损和脆性破损两大类,下面就介绍一下这两类破损的表现形式。

1.1 刀具的塑性破损

在金属切削过程中,由于前、后刀面受到高温高压的作用,使其与切屑和加工表面的接触表层发生较严重的塑性变形,当这种塑性变形超出了正常磨损范围,而使刀具丧失了切削能力,这就是刀具的塑性破损。

最常见的塑性破损是卷刃、刀尖塌陷。

刀具塑性破损过程,可以用图1—1的示意图说明:在切削刚开始的瞬间,由于切削刃处的强度最弱,首先产生钝圆,随后,钝圆半径逐渐增大,致使后刀面接触层发生塑性流动,导致实际后角发生变化,并在某一区段上等于零,使后刀面上的接触面积增大,刀具材料从接触区向后刀面流动,细颗粒从流动的刀具材料上脱落,被已加工表面带走,刀具因此而失去切削能力。

刀具的塑性破损与工件材料、刀具材料及切削条件(如切削用量、切削温度等)有关。由于刀具材料不同和工件材料的不同,刀具塑性破损则会在不同的切削用量下发生。例如:用碳素钢刀具车削普通钢,在中等切削厚度(ac=0.3 mm~0.4 mm)时,其塑性破损的切削速度v=0.17 m/s~0.25 m/s,切削温度为300℃;当用高速钢刀具时,则切削速度v=0.60 m/s~1.00 m/s,切削温度达700℃;而用硬。

质合金刀具时,则切削速度v=5.8 m/s~8.3 m/s,切削温度达1100℃~1200℃。如果被车削的材料改为耐热钢,则由于其负载应力增加及材料导热性差,发生塑性破损的切削速度和切削温度会更低些。

1.2 刀具的脆性破损

当使用象硬质的合金、陶瓷这样硬度高脆性大的刀具材料进行切削加工时,刀具上常出现的崩刀、碎裂、断裂、剥落和裂纹而使刀具破损,便是刀具的脆性破损。

1)崩刀:是指在刀具切削刃上产生的较小尺寸的缺口,其缺口尺寸与进给量的大小相当或稍大些。产生崩刀的刀具还能继续使用一段时间。崩刀一般多发生在切削初期,因此属早期破损,比如用陶瓷刀具切削工件时,最常发生的就是这种崩刀,用硬质合金刀具断续切削时,也常出现崩刀现象。

2)碎裂:是指在刀具切削刃上产生较大尺寸的缺口,比如切削刃产生较大的断刃或在切削刃上产生小块崩碎。产生碎裂的刀具,不能继续进行切削工作了,但经过修磨之后,还可以再用。当用硬质合金或陶瓷刀具进行断续切削时,常常出现这种切削刃的碎裂,它有时发生在切削初期,有时在切削一段时间后发生,以早期破损较多。

3)断裂:是指在刀具切削刃上产生的大块崩碎或整个切削刃的破断。刀具发生切削刃的断裂之后,便不能继续进行切削工作,也很难修磨再用。这种断裂可能发生在断续切削的初期,但多数发生在切削较长一段时间之后。

4)剥落:是指在切削过程中,从刀具前刀面或后刀面上剥下一层碎片,有时连刀刃一起剥落。这种剥落多发生在断续切削的初期,比如用陶瓷刀具端铣淬硬钢时,最常发生这种剥落。硬质合金刀具低速断续切削时也可能发生这种剥落,尤其是当切屑粘结在前刀面上再次切入时,最容易发生剥落。另外,当积屑瘤脱落时,也能使前刀面剥去一层碎片。当剥落层的厚度较大时,刀具便难以重磨再用了。

5)裂纹:是指刀具进行较长时间的断续切削后,由于热冲击而产生的热裂纹,或由于机械冲击产生的疲劳裂纹。这些裂纹不断扩展合并,便会引起切削刃的破裂或断裂。

2 刀具破损的原因分析

刀具塑性破损的原因,前面已做了分析,下面主要介绍脆性破损的原因。

引起刀具脆性破损的主要原因是冲击、机械疲劳和热疲劳。早期破损主要是冲击应力超过刀具材料的强度极限造成的;后期破损则主要是机械疲劳和热疲劳造成的。具体分析入下:

1)断续切削:刀具脆性破损主要发生在用硬质合金或陶瓷刀具进行断续切削时,铣削和刨削无疑是断续切削,由于工件表面几何形状或材料物理机械性能的不规则和不均匀性(比如:加工余量不均匀,表面硬度不均匀以及工件表面上有沟、槽、孔等),也使其切削带有断续的性质。

在断续切削中,当刀具将要切出工件时,由于切屑背面没有支承,剪切面将会转向加工表面下面,形成俗话说的“扎刀”(产生负剪切角),其结果是工件切出端出现倒角现象。剪切面方向的改变,将使刀具上应力分布状态发生很大的变化。据有关资料介绍,在断续切削中,刀具将要切出产生负剪切角时,刀具内拉应力区扩大,最大拉应力更接近切削刃处,其最大拉应力值较正常切削时增大10倍以上,刀具内的最大剪应力也很大.这种应力状态,显然对刀具十分不利,即刀具在切出过程中,很容易产生刃口剥落。

在断续切削时,一定伴随有强烈的机械和热的冲击.硬质合金和陶瓷刀具具有硬度高、脆性大的特点,又是粉末冶金材料,其组织不均匀、存在着缺陷和空隙,因此这些冲击就容易引起刀具脆性破损。

断续切削时,使刀具受交变载荷作用,降低了刀具材料的疲劳强度,而且载荷循环次数的增加,刀具材料的疲劳强度将显著降低。因此,在较长时间的断续切削后,容易引起机械疲劳裂纹。

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