機械加工中刀具壽命的影響因素及對策

1、第8卷4期1996年12月寧夏工學院學報(自然科學版)JournalofNingxiaInstituteofTechnology(NaturalScience)Vol.8No.4December,1996機械加工中刀具壽命的影響因素及對策劉天聰(寧夏農學院食品系永寧750105)摘要本文以車刀為典型,分析了機械加工中影響刀具壽命的刀具材料、焊接、刀磨、幾何參數(shù)與切削用量等因素,并提出了對策.關鍵詞刀具壽命硬質合金切削用量幾何參數(shù)分類號TG701刀具在切削加工中將逐漸產生磨損.當?shù)毒吣p達到一定程度后,可以明顯地發(fā)現(xiàn)切削力加大,切削溫度上升,切削顏色改變,甚至產生振動.同時,工件尺寸也可能會超出

2、公差范圍,已加工表面也明顯惡化.此時,必須對刀具進行重磨或更換新刀,刀具磨損和壽命關系到切削加工的效率、質量和成本,因此它是切削加工中極為重要的問題之一.硬質合金刀具是機械加工中必不可少的工藝裝備、它具有較高的冷硬性、熱硬性、耐磨性,較低的堅韌性、導熱性,它的“三高兩低”特性,使之在切削的過程中,自己也變鈍.刀具鈍化有兩類:一類是非正常鈍化,即崩刀和卷刀、硬質合金等脆性材料在使用過程中容易發(fā)生突然崩落或整個刀片破碎.造成崩刃的原因是多方面的,例如:刀片材料、刀具角度或刀具切削用量選擇不當,造成刀片強度不夠;刀片焊接和刃磨質量不好,使用前已產生裂紋;使用中驟冷驟熱,刀片材料受到熱沖擊的作用產生熱

3、應力出現(xiàn)熱裂紋;機床夾具工件刀具加工系統(tǒng)剛性不夠,切削過程產生振動等.此外,斷續(xù)切削特別容易出現(xiàn)崩刃,必須給予足夠的注意.卷刃則是由于刀具刃口薄弱或硬度不夠或切削溫度太高而產生的.另一類是正常磨損,由于在切削力和切削溫度的作用下,刀具、刃面與切屑和工件之間產生摩擦而逐漸磨損,當磨損到一定程度,切削力和切削溫度急劇升高,產生振動,使刀具耐用度急劇下降,因此提高刀具壽命就是一個不容忽視的問題.刀具壽命是刀具從開始使用起、到報廢為止的總切削時間,它與刀具的耐用度的關系是:刀具壽命=刀具耐用度×刃磨次數(shù).提高硬質合金刀具壽命是一個綜合性問題,其影響因素多方面的,本文以單刃刀具車刀為典型,從以

4、下幾個方面進行具體分析,從而提出解決的途徑.1正確選擇刀具材料不同的刀具材料有不同的強度、韌性和耐磨性.所以在一定條件下使用高級材料就能延長刀具壽命,這是不言而喻的,但是完全滿足這些性能的理想材料是沒有的.因此,在刀具設計資19960326作者·58·寧夏工學院學報(自然科學版)1996年料中根據(jù)不同的材料,經濟地選擇不同性能的刀具材料.常用的硬質合金、按耐磨性與韌性排列,其順序為:YT30YW1YT15(YW2)YT14YT5YG3XYG6X(YA6)YG6YG8YG11YG15切削速度增加,合金硬度、耐磨性增加走刀量增加,合金抗彎強度、韌性增加切削鑄鐵等脆性材料時,一般

5、形成崩碎切屑,切削力作用在刃口附近,切削過程有振動,因此宜選用抗彎強度和韌性較好的YG類硬質合金.由于YG類硬質合金的磨削性能較好,刃口可以磨得很鋒利、故也適宜于有色金屬及其合金的切削加工.切削中碳鋼時,鐵屑成帶狀,與前刀面接觸面積較大,壓力分布較均勻,力的波動較小,刀片的耐磨性是主要矛盾,就該選用YT類硬質合金.淬火鋼雖然也是鋼、但由于很硬,只能薄薄地切削,刀刃上的負荷很大,為防止崩刃,也選用YG類刀片.加工鋼管外園,容易發(fā)生振動,宜選用YG類刀片.耐熱鋼、不銹鋼的導熱性差、切削溫度高,刀刃上的壓力、塑性大,加工硬化程度大,刀具的磨損嚴重、一般粗加工時刀刃的負荷大,也選用YG類刀片,而精加工

6、時可用YT類刀片,如果選用YW刀片,強度與耐磨性都較好,效果更好.除上述可供選擇的常用硬質合金之外,近年來發(fā)展的新型硬質合金有:超微粒硬質合金YG10H,微粒越細,其硬度就越高,耐磨性就越好.這種合金的耐熱性和耐磨性比高速鋼好,而抗彎強度比一般硬質合金高.因此它能適應低速切削和斷續(xù)切削,能加工大多數(shù)高溫、高強度合金,如不銹鋼、鈦合金等難加工材料.涂層硬質合金,由于在基本上涂復35微米厚的一層硬度、耐磨性和耐熱性較高的、TiN、Al2O3等材料,使刀片具有較好的綜合性能、但這種刀片只適用于機夾可轉位刀具,TiC并且不適于加工鈦合金和奧氏體不銹鋼之類的材料.鋼結硬質合金,用高速鋼或其他鋼料作粘合劑

7、的一種高強度的硬質合金,性能介于高速鋼與硬質合金之間,可用來制造結構復雜的刀具,如鉆頭和銑刀等.以上是刀具材料的一般選擇原則,當然在實際問題中,還要考慮加工對象的表面形狀、產量與成本.產量大、切削速度高,要求采用較先進的刀具材料,反之,則宜采用低價的刀具材料.2焊接時要注意防止裂紋的產生裂紋是硬質合金刀具最常見的缺陷,其造成的原因也較為復雜,對刀具壽命的影響也很大,有必要采取措施,尋找裂紋的產生原因,并加以防止,以利于提高刀具壽命.硬質合金刀片脆、導熱性差、熱后收縮率大,如果在焊接時工藝不當,會產生很大的內應力,引起刀片裂紋的產生,影響刀具壽命,常見的焊接裂紋主要有三種:斷裂、崩裂、爆裂并以發(fā)

8、狀裂紋為主要形式.圖1圖2第8卷4期劉天聰:機械加工中刀具壽命的影響因素及對策·59·刀片與刀槽的接觸面不平整,如有黑皮、麻坑、局部凹凸等,不能形成平面貼合,造成焊料分布不均勻.這樣不僅影響焊縫強度,而且引起應力集中、導致刀片斷裂(圖1),為此要求接觸面的內凹一般不大于0.15毫米,外凸不大于0.10毫米,刀片應采用機械研磨或化學研磨方法,磨平接觸平面、對刀片或刀槽的焊面,應清洗干凈.刀片對刀桿支承部分的伸出量過大或刀桿支承部分較弱,使刀具在焊接過程中承受拉應力,而產生斷裂(圖2),為此,要求刀片與刀桿支承部分的厚度比hc/ht>3,伸出量l<0.5毫米.硬質合

9、金刀片與鋼的熱膨脹系數(shù)相差很大,若在焊接時快速加熱,會產生很大內應力,促使刀片在焊接層處形成崩裂(圖3),如焊料熔點太高,不僅使刀桿熔化,而使刀片在焊接處熱應力過大,造成崩裂現(xiàn)象.所以,焊接溫度控制在約大于焊料熔點30°60°°60°C.焊料溶點低于刀桿熔點40C.刀桿應由下而上的均勻加熱,得以預熱,刀片底溫應比測溫要高.刀槽形狀與刀片焊接而形狀不一致或相差較大,則焊接表面過多,焊層過大.由于熱膨脹后的收縮率不一致,也易在刀片焊接層處形成崩裂.因此要求刀槽形狀與刀片焊接面形狀最好一致.局部過熱,會使刀片本身或刀片與刀桿的溫度差較大(大或厚的刀片尤為嚴重)

10、,熱應力使刀片刃口崩裂(圖4).所以要求加熱時最好先對刀桿予熱.若刀片與刀桿一起加熱,應前后左右往返移動火焰,避免熱量集中而造成局部過熱,對于大而薄的刀片,可采用補償墊片(沖孔或網狀墊片、厚度0.20.3毫米),放于接觸平面之間,以清除刀片與刀體間不同收縮率而引起的內應力.圖3YT30刀片比一般硬質合金的脆性更大,導熱性更差,為避免焊接崩裂,可先在刀槽底面焊一塊YG合金,再焊YT30刀片.焊接中或焊接后,驟熱冷卻或急速冷卻以及焊接脫水不良,都會使刀片產生爆裂,而且這種裂紋深而貫通(圖5).圖4圖5因此,要求焊接有良好的脫水性,切忌焊后放入水中急冷或急速空冷.對焊好的刀具應放在干燥的保溫介質中(

11、如木炭粉、石炭、石棉粉)等緩慢冷卻,最好經緩冷后,在300°C左右保溫6小時,隨爐冷卻.焊接所產生的裂紋、有宏觀和微觀兩種,前者可用肉眼觀察,后者卻不能,往往在刃磨或切削中才被發(fā)現(xiàn).所以對微觀裂紋的刀具,可以用1040倍的放大鏡察.也可用·60·寧夏工學院學報(自然科學版)1996年煤油清洗法,顏色探傷法,使裂紋處露出來,應盡量避免將有裂紋的刀具轉入生產使用.3刃磨時要注意防止裂紋的產生由于硬質合金硬度高、脆性大、導熱性差和抗振性不良,所以刃磨較為困難,并易產生裂紋.因此,在刃磨中,必須掌握磨削硬質合金的工藝、防止裂紋的產生.常見的裂紋缺陷有熱裂、振裂、崩裂和爆裂

12、,并以網狀裂紋為主要形式.這種裂紋將使刀具的強度降低二分之一以上,嚴重地影響切削性能、使刀具壽命急速下降.硬度很高的硬質合金,在刃磨過程中使砂輪砂粒極易鈍化、如果砂輪自礪性不良,失去應有的切削能力,劇烈的磨擦致使刀片表面局部高溫、形成附加應力、引起熱變形,產生熱裂紋(圖6),為此,要求在刃磨時:1、選擇合理的砂輪,2、及時修磨砂輪工作表面,3、供給充分的冷卻液,4、選擇間斷磨削法和樹脂砂輪磨削法,以獲得良好的自勵和散熱.圖6圖7由于刀桿剛性不足、機床主軸跳動,刃磨余量過大,夾持不穩(wěn)等,使刃磨過程振動不止,使刀片產生振裂(圖7),為此要求:1、機床砂輪夾具刀具系統(tǒng)應具有一定的剛性,特別是機床主軸

13、的軸向竄動和經向跳動不宜過大,2、應先在氧化鋁砂輪上磨去刀桿的突出部分,再用碳化硅砂輪刃磨刀片,3、手持刀桿刃磨,應借助支承、防止雙手顫動,并將刀刃高出砂輪中心線12毫米.砂輪在工作中有軸向和徑向跳動過大,砂輪的旋轉方向與刃口的磨削方向不對,前角與后角的刃磨順序不妥,都將使刃口產生崩刃、在刀具的刀尖園弧上、主副切削刃上,前刀面上,都有可能產生細微碎裂狀崩刃(圖8).為此:1、要控制砂輪的軸向竄動和徑向跳動,2、砂輪的旋轉方向應使刀片壓向刀桿,3、刃磨時,先磨前面負倒樓、斷屑槽,其次磨主后面,最后磨刀尖園弧及修光刃.由于刃磨過程用力過猛,摩擦力增大,溫度急劇上升,或刃磨時急劇冷卻、斷續(xù)冷卻、溫度

14、突變、收縮壓力過大,都將使刀片產生爆裂(如圖5).所以,刃磨時必須合理選擇磨削用量.一般選用砂輪園周速度V=10m/s15m/s,進給量f縱=0.5m/s1.0m/s,f橫=0.01mm/行程0.02mm/行程.手工刃磨一般不使用冷卻液,倘若使用,必須供給充分、切忌將干磨發(fā)熱刀具侵入水中進行急速冷卻.盡可能使砂輪的接觸面變窄,使刃磨熱量減少.刃磨中產生的裂紋因素很多,多種多樣,直接影響使用效果,因此應及早發(fā)現(xiàn)微觀裂紋,以防后患.檢查方法與焊接裂紋相同.圖84合理選擇刀具的幾何參數(shù)第8卷4期劉天聰:機械加工中刀具壽命的影響因素及對策·61·分的幾何參數(shù),有著極重要的影響和作用

15、,因此必須重視刀具的主要幾何參數(shù)的選擇,以充分發(fā)揮刀具的切削性能.刀具的主要參數(shù)有前角r0、后角0、主偏角Kr、刃傾角角s,其次有付偏角Kr、刃口倒棱與刀尖園弧半徑等.幾何角度的選擇常和前刀面形狀的選擇聯(lián)系在一起,因此就從前刀面形狀的選擇開始,逐步加以討論.4.1前刀面的形狀及選擇a.正前角平面型b.帶倒棱曲面型c.帶側棱平面型d.負前角雙面型e.負前角單面型圖91°、正前角平面型(圖a),其優(yōu)點是刃口鋒利、刃磨容易,一般用于精加工的硬質合金刀具及加工較軟的脆性材料(如灰鑄鐵).2°、帶倒棱曲面型(圖b),倒棱的作用是在采用正前角的同時加強刀刃,曲面的作用是為了斷屑.這種形

16、式的前刀面多用于硬質合金加工鋼料,卷屑槽半徑R須和ap和f相適應,一般6毫米,寬度2.54毫米.R=43°、帶倒棱平面(圖c),與圖b的型式不同之處在沒有卷屑槽、用于不同斷屑的情況,例如間斷切削.4°、負前角雙面型(圖d)、采用負前角的目的是為了保證刀刃的強度、以免崩刃、用于硬質合金刀具加工淬火鋼或其他強度很高的鋼料以及很硬的脆性材料.這種前刀面形狀與圖c不同之處在負前角部分的長度A較長,它后面一段正前角部分在切削時不起作用,做成雙面型的目的是為了減少削刀面刃磨面積,節(jié)約硬質合金.5°、負前角單面型(圖e),這種形式與圖d一樣,都適用于加工特硬的材料、當?shù)毒吣p主

17、要在后刀面,不需磨前刀面時可用這種型式.4.2合理選擇前角前角的作用是減少切削過程中切屑的變形,因而減少切削力,從而也減少切削熱力與刀具磨損,但如果前角太大了、刀具的楔角減少,散熱性能降低,反而使刀具耐用度降低.因此,應對每種加工材料優(yōu)選它的合理前角.一般,工件材料塑性越大、合理前角應越大;塑性材料的前角應比脆性材料的前角大;加工淬火鋼,應采用負前角.根據(jù)上述原則,前角的合理數(shù)值推薦如下:1°、對于脆性材料,采用平面型前刀面,灰鑄鐵,常取前角5°15(材料硬的取小值)高硅鑄鐵,常取前角-6°-8°淬火鋼,常取前角-5°-20°2

18、76;、對于塑性材料,采用帶倒棱曲面型前刀面,在這種情況下,前角是倒棱后面曲面開始處的前角.鋁合金常取前角40°50°軟銅常取前角30°35°#(315)常取粗車用-s)·62·寧夏工學院學報(自然科學版)1996年#中等硬度鋼,(45鋼、40Cr,可鍛鑄鐵)取10°20°,特硬鋼(高錳鋼),常取-5°-10°(5°10°,當s=-20°時)以上介紹的是選擇硬質合金車刀前角的一般原則,對于其他切削情況,應做具體分析、靈活選擇,如銑削時前角要比車削選得小一些.4.3合

19、理選擇主偏角主偏角對刀具耐用度有很大影響.主偏角小時,切削截面變薄,刀刃單位長度上的負荷減輕,刀具的耐用度因此提高.其次主偏角小時,刀尖角就加大,使刀尖的強度與散熱性能都改善,也有利于提高刀具耐用度.但主偏角減小后,徑向切削力增加,容易產生振動,應根據(jù)機床工件刀具系統(tǒng)的剛度來選擇.主偏角的選擇原則是:1°、粗加工和半精加工,一般選用較大的主偏角,以利于減少振動,提高刀具耐用度、斷屑和采用較大的切削深度、一般取60°75°2°、加工很硬的材料,如冷硬鑄鐵和淬硬鋼,為減輕單位長度上切削刃的負荷,改善刀頭和容熱條件,提高刀具耐用度,宜取較小的主偏角,一般取10

20、°30°,如高硅鑄鐵選用20°,冷硬鑄鐵選用3°5°.3°工藝系統(tǒng)剛性較好時,減少主偏角可提高耐用度,可取45°剛性不足時(如車細長軸),應取較大的主偏角,可取7590°,甚至大于90°,以減少切深抗力Fy,減少振動.4.4合理選擇刃傾角用負值刃傾角的刀具可以加強刀尖強度、使切削平穩(wěn),提高刀具承受沖擊的能力,但帶來了增加徑向分力,難于切入工件等缺點,因此也有了合理的刃傾角數(shù)值.硬質合金性能較脆,尤其是刨削、銑削時沖擊較大,易于崩刃掉牙,宜采用絕對值較大的負值刃傾角.其選擇原則及參考值如下:1°加

21、工一般鋼料和灰鑄鐵、粗車時取s=0°-5°,精車時取0°+5°,有沖擊負荷時s=-5°-15°,沖擊性特別大時,負s可以取更大的絕對值,甚至s=-20°-30°.s=-102°強力切削刨刀°-20°3°車削淬硬鋼s=-5°-12°(或取到-18°)4°工藝系統(tǒng)剛性不足時,盡量不用負值刃傾角.4.5合理選擇后角后角對刀具耐用度的影響也具有辨證的關系.后角加大,可減輕后刀面與加工表面的摩擦,減少刀具磨損,但如果后角太大,使刀具楔角大小,散熱

22、情況較差,反而降低刀具的耐用度.一般從耐用度觀點出發(fā),不論是車削或銑削、切削截面厚度越薄,它的合理后角越大.粗加工刀具的后角比精加工要小.工件材料越硬,進給量越小,合理后角越大.因此,后角的選擇應針對不同情況分別考慮.例如:1°、對強力切削,切斷刀、大前角車刀等,后角從保證刀具強度出發(fā)、采用小的后角,可取3°6°.2°、對系統(tǒng)剛度差的,或切削刃寬,為消除振動,采用小的后角,可取3°6°.3°、對鑄造黃銅,組織疏松,為獲得擠壓作用也采用小后角,可取4°6°.,第8卷4期光潔度取8°10°

23、.劉天聰:機械加工中刀具壽命的影響因素及對策·63·5°、對脆性材料,采用負前角,為便刀刃易于切入,采用較大后角可取10°15°.6°、對切削厚度薄的刀具,如銑刀等,為提高刀具耐用度,采用較大后角取10°20°.副后角一般選取和后角相等.4.6前刀面倒棱和刃口園弧半徑的選擇前刀面倒棱和刃口倒園,可加強刀刃提高刀具的耐用度,但倒棱和倒園使刃口變鈍、增大金屬變形和切削力,因此倒棱和倒園的幾何參數(shù)應根據(jù)刀具材料、工件材料和加工條件合理選擇.硬質合理刀具精加工各種鋼材和鑄鐵時,采用負倒棱,負倒棱寬度br1=0.30.8f,

24、倒棱前角r01=-5°-30°用于精加工和半精加工的刀具,可將刃口適當?shù)箞@,園弧半徑rn按進給量的大小選取,一般YG類刀具的rn<f/3,YT類刀具的rn<f/1.5.5正確選擇切削用量,特別是切削速度5.1為什么要著重考慮切削速度因切削速度對切溫度的影響最大、而切削溫度又是影響刀具磨損強度的重要因素.5根據(jù)科學實驗,可得出如下的耐用度(T)公式:T(耐用度)=51.750.75分鐘(f<0.75毫米/Vfab轉)上式是用硬質合金車刀YT15車削b=75公斤/毫米2的中碳鋼所得的結果,它反映了切削用量對刀具磨損的一般規(guī)律.切削速度、走刀量以及切削深度增加時

25、,刀具耐用度都將降低,但其影響以切削速度最大,走刀量次之,切深最小.所以當選擇切削用量時,從刀具耐用度觀點出發(fā),應使切深最大,走刀量次之,而切削速度最小,這是合理選擇切削用量的一個原則.將以上耐用度公式經過變換,可以寫成:V=這就是切削速度公式,當f和apTfap0.2固定不變時,公式可簡化為:VT=C由上式可算出,如切削速度增加15%,耐用度降低多少?151112.2V1T0.1=C=V2T02;T2=T1()=T1()5=V21.15V11.152當切削速度增加15%,刀具耐用度降低了一半,可見切削度對刀具耐用度影響很大.那末,切削速度究竟選多大合適呢?這要看加工什么材料?不同的材料在作為

26、加工對象時對刀具的磨蝕性是不一樣的,這就是一般所謂“材料的加工性”,例如加工一般鑄鐵、切削速度可選V=4080米/分,加工園鋼,V=120150米/分,加工高硅鑄鐵,切削速度只取2025米/分,而加工冷硬鑄鐵就更低了,V=5米/分.在一定磨損量和耐用度(通常為60分鐘)的情況下,一種加工材料所允許的切削速度代表這種材料的“加工性”,以V60表示,V60越大,加工性越好.前面講到,切削速度越高,刀具耐用度越低,這一規(guī)律也是有它的適用范圍與條件的.在用質合金刀具低速切削時,由于切削溫度低,刀具材料的韌性差,刀刃上的顆粒容易受振脫落.因此速度降低時,刀具耐用度不但不高,反而會降低,所以加工一般鋼料時切削速度不宜低于50米/分.5.,·64·寧夏工學院學報(自然科學版)1996年過小時,刀刃在加工表面上擠壓的比較嚴重,反而對刀具的耐用度不利.另一方面,對于脆硬的刀具材料,走刀量過大,刀刃上的壓力就越重,有崩刃的危險,就越出正常磨損的范圍了,根據(jù)生產實踐經驗,加工高硅鑄鐵時,走刀量一般不超過0.2毫米/轉,相當于切削截面厚度=0.07毫米.5.3切削深度的變化也將影響切削力和切