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刀具失效模式

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    发表于 2008-8-25 21:47:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    确定刀具的失效模式并不十分困难——只需取下刀具(特别是在刀具目前预测寿命的约30%和70%时取下刀具),检测该加工阶段的切削刃状况,并与本文给出的刀具磨损照片以及对失效模式的描述进行对比。
    (1)刀具的磨粒磨损
    再重复一遍,磨粒磨损是一种理想的失效模式。磨粒磨损是因为工件材料磨擦划过刀具的主后刀面而造成的,在给定的加工中,对于某一特定刀具制造商提供的一定数量的刀片,其磨粒磨损趋向于具有重复性,因此也就具有可预测性。
    磨粒磨损成为首选失效模式的另一个原因是其可以显示磨损的发展进程。通常,切削中出现的某些现象可以表明磨粒磨损正在加大。这些现象有的能观察到(如工件上出现毛刺、被加工表面光洁度发生变化等),有的能听到(如切削噪声逐渐变化等)。通过这些加工现象,可以很容易地确定何时需要更换刀片。
    由于磨粒磨损是一种理想的磨损形式,因此当加工中刀具出现磨粒磨损时,通常无需改变加工工艺。当然,某些刀具牌号和涂层确实能够提供更高的耐磨性(尤其在高速切削时),如果刀具出现磨粒磨损,改用这些刀具牌号或涂层则可以延长刀具寿命。
    (2)刀具的月牙洼磨损
    一般来说,月牙洼的产生可能同工件材料与刀片前刀面相互作用引起的任何磨损形式有关。最常见的月牙洼磨损是由钢制工件与硬质合金刀具之间的化学作用(即刀具前刀面渗出的碳溶入切屑中)引起的。不过,月牙洼磨损也有可能是由高速切削铸铁时切屑划过刀具前刀面的磨蚀作用所引起。
    月牙洼磨损的危险性在于切削刃通常仍然完好无损,刀具也能保持相对正常的切削状态,直至刀具出人意料地突然失效。
    为保护刀具前刀面避免月牙洼磨损,可采取的应对措施包括:

    ①减小切削速度以降低切削刃温度;

    ②减小进给率以减小刀片承受的应力;

    ③选用涂层刀具牌号以加强对前刀面的保护;

    ④改进刀具几何形状以减小直接作用于前刀面上的切削力。



    (3)刀具的沟槽磨损
    刀具产生沟槽磨损的原因通常是在全切深情况下被加工工件表面某处的削条件与其余部分相比发生恶化造成的。导致工件表面切削条件出现差异的原因可能与工件表面剥落有关;也可能由冷作应力或加工硬化所引起;还有可能与某些似乎无关紧要的因素——例如油漆——有关,工件表面的油漆有可能对切入工件不太深的切削刃起到一种淬火作用。



    对于刀具的沟槽磨损,采取何种应对措施与沟槽磨损是否由崩刃或磨粒磨损引起有关。根据磨损的类型,可以更换一种具有更高抗机械冲击性或更高耐磨性的刀片牌号。另一种可供选择的解决方案是增大刀具的余偏角,以增大剪切作用和减薄切屑;或者增大切削刃的钝化尺寸,以增加切削刃的强度。还有一种解决办法不需要改变刀具,而是在各次走刀时采用不同的切深,从而使磨损作用于切削刃的不同部分。


    (4)刀具的热裂纹
    大多数机床用户都将热裂纹与冷却液联系起来。当倾注到切削刃上的冷却液不均匀时,切削刃的温度就会发生波动,引起刀片膨胀和收缩,从而导致切削刃出现裂纹。
    但是,在不使用冷却液时同样可能产生热裂纹。例如,在干式铣削中,切削刃在切入和切出工件材料时也可能引起足以产生疲劳裂纹的温度波动。对于这种非冷却液引起的热裂纹,刀片上的裂纹是直而平行的;与此相反,由冷却液引起的热裂纹,由于温度的波动随机性较大,所产生的非平行裂纹更容易导致崩刃。对于热裂纹可采取的应对措施包括:

    ①减小切削速度以降低切削刃温度;

    ②停止使用冷却液,以减小温度高低波动幅度;

    ③选用抗热冲击性能较好的刀片牌号;

    ④选用涂层刀片牌号,特别是PVD涂层能够有效阻止裂纹的生成,因为用于抗裂纹的涂层可对刀片表面施加压缩应力。



    (5)刀具的崩刃和碎裂

    热裂纹一样,崩刃或碎裂在本质上并不属于“磨损”,这种失效模式是因为切削刃的脆性过大,难以承受切削冲击而发生碎片崩裂。需要说明,它既与切削冲击有关,也与切削刃有关。

    对崩刃和碎裂可采取的措施包括:

    ①选用抗机械冲击性能(即刚性)较好的刀片牌号;

    ②增大刀具余偏角以减薄切屑和增大剪切作用;

    ③改进工艺系统的刚性,包括提高机构的稳定性或改善机床的维护水平;

    ④增大切削刃的钝化尺寸以增加切削刃强度。

    (6)刀具的切削刃熔焊

    在某种程度上,切削刃熔焊是一个可以圆满解决的问题,方法是提高切削速度,这样还可以提高生产率。

    切削刃熔焊是因工件材料被熔焊到刀具上而产生的。加工时切屑温度升高到足以使其软化发粘,然后又快速冷却,就会黏附在刀片上。解决方法是防止切屑变得过热,或者增加切屑温度使其在离开刀具之前不会马上冷却。



    为了防止切屑加热到足以发生熔焊的温度,可尝试使用冷却液。其它可能采用的方法还包括采用较大的径向或轴向正前角,以减小切削力。此外还可以选用涂层刀片牌号。涂层可以减小刀具与工件之间的摩擦和相互发生反应的可能性。



    与此相反的方法是使切屑温度进一步升高。通过提高切削速度和(或)进给率,可起到对切屑额外加热的作用,从而防止切屑因软化发粘而发生熔焊现象。



    (7)刀具的变形



    刀具的变形是指刀片在切削热和切削压力的作用下发生软化和扭曲变形。



    硬质合金这种坚硬的刀具材料也会发生变形听起来似乎有些不可思议,但实际上如今刀具变形的情况正日益增多。曾经有一段时期,硬质合金的耐热性能远远超过当时的机床性能,以致机床在适用的加工条件下实际上并不会造成刀具变形的危险。但随着机床性能的不断进步,如今的高性能机床能够在足以使硬质合金刀具变形的高切削参数下进行加工,而机床的高稳定性又足以使硬质合金刀具不会发生碎裂失效。



    当存在刀具变形危险时,可采取的应对措施如下:

    ①降低切削速度以减少切削热;

    ②降低进给率以减小刀具承受的切削压力;

    ③选用具有高耐热性或高耐磨性的刀具牌号;

    ④减小切削刃钝化尺寸或采用更大的正几何刃形,以减小作用于切削刃上的应力和切削热。

    ⑤选用涂层刀具牌号,尤其可选用氮铝钛涂层或氧化铝涂层,这两种涂层中的任一种均可有效隔绝切削热,保护刀片不发生变形
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    开心
    2019-4-17 07:40
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    [LV.3]偶尔看看II

    发表于 2008-8-26 11:30:29 | 显示全部楼层
    切削刀具失效分析-刀具摘要:图1 刀具失效形式图2 刀具后刀面磨损图3 刀具后刀面磨损的典型曲线图4 机械磨损引起的剥落前刀面剥落后刀面剥落图5 热扩散引起的剥落图6 边界磨损图7 刀具失效分析使用新购买的刀具或重磨的刀具一段时间后,就会发现已加工表面粗糙度增大,切屑的颜色、形状和初始切削时 行业拐点初显 哈锅四轮驱动定三分天下科技自主创新使陕西企业核心竞争力大幅提升电力设备制造业:后劲十足陕西安徽五年投入500亿元建电网钢价"抬头" 市场回暖值得期待废铜烂铁经加工成市场上抢手货从2006中国数控机床展看行业发展优和势兼备 2005年我国纺织机械产量同比上升了23%安阳鑫盛机床新品受关注桂林机床入选05年“最具成长性企业” 齐二机床集团广纳社会英才 八百余求职者现场新型数控机床 全国展会上受青睐自主创新赢得尊重 沈阳机床“B计划”挑战零沈阳机床自主技术创新称雄中国数控机床展中国数控机床展览会在上海开幕沈阳机床夺得国产数控机床“春燕奖” “十一五”开局不凡 机床公司喜获“春燕奖” 激发创意 实现想象--西门子参加CCMT取得圆满

                                   
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    图1 刀具失效形式

                                   
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    图2 刀具后刀面磨损

                                   
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    图3 刀具后刀面磨损的典型曲线

                                   
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    图4 机械磨损引起的剥落

                                   
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    前刀面剥落

                                   
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    后刀面剥落
    图5 热扩散引起的剥落

                                   
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    图6 边界磨损

                                   
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    图7 刀具失效分析
    使用新购买的刀具或重磨的刀具一段时间后,就会发现已加工表面粗糙度增大,切屑的颜色、形状和初始切削时不同,切削温度升高,切削力增大,切削加工系统甚至出现振动或不正常的声响。上述现象表明刀具已发生严重磨损,必须更换新刀或重新进行刃磨。
    刀具磨损是切削加工过程中不可避免的现象,但刀具磨损过快或发生非正常磨损(也称破损),必然会影响加工质量,增加刀具消耗,使生产效率降低,加工成本提高。因此,通过研究刀具磨损,可制订合理的切削加工方案,提高生产效率和零件加工质量,并有利于降低加工成本。
    为了能使刀具经久耐用,尽量减少磨损,需要了解各种切削因素对刀具磨损的影响。影响刀具切削性能的主要因素有:刀具几何参数(后角、前角、主偏角、刀尖圆弧半径等)、刀具材料、切削用量、工件材料及其机械性能等。这些因素中工件材料属于不可控因素,改变其它因素的属性可控制刀具的磨损形式及磨损率,如通过改变工件材料的热处理状态可改变工件材料的机械性能,从而影响刀具的磨损;选择合理的刀具材料和刀具几何参数也可改善刀具磨损;生产上一般还可通过合理选择切削用量来减少刀具磨损,提高刀具的使用寿命。
    要知道如何合理选择上述可控因素,还需要分析刀具失效的形式及其产生机理。刀具失效的形式(图1)可分为正常磨损和非正常磨损两大类:正常磨损是在切削过程中,刀具切削刃、前刀面、后刀面分别与加工表面、切屑和已加工表面接触,在接触区里受切削力和切削热的耦合作用,并发生强烈的摩擦产生的,切削刃、前刀面和后刀面都会产生磨损。正常磨损时,刀具的磨损量随切削时间增长而均匀地增加。刀具的先期破坏或使用过程中的剥落、突然崩刃、卷刃或刀片的整个破裂都称之为非正常磨损。
    刀具正常磨损主要是由以下几种原因造成的:
    磨料磨损是切屑或工件表面存在硬质点(如碳化物颗粒以及积屑瘤碎片等)在刀具表面(前刀面和后刀面)上划出沟纹而造成的磨损。低速切削时,其它原因产生的磨损不明显,因此对低速切削的刀具而言,磨料磨损是刀具磨损的主要原因;
    黏结磨损是切削时切屑和工件材料沿刀具前、后刀面移动,破坏了刀具表面的氧化层和其它吸附膜,特别是刚从工件材料内部切削出的新鲜表面间形成强烈黏结造成的磨损。切削速度与黏结磨损之间存在着非常复杂的关系,一般黏结磨损主要发生在中等切削速度范围内,刀具材料与工件材料之间的亲和力、刀具材料和工件材料之间的硬度比以及刀具材料组分、晶粒粗细、刀具表面状态和切削液类型等都影响刀具黏结磨损速度;
    扩散磨损是由于切屑、工件与刀具前、后刀面在高温、高压下接触且有较大的化学活性,接触面上的化学元素互相扩散到对方去,改变了两者的化学成分和材料结构而形成的磨损。扩散磨损一般与黏结磨损同时发生。由于每种元素的扩散速度是不同的,因此扩散磨损的程度与刀具材料的组分有很大关系,另外扩散的速度与温度也有很大关系,温度越高,则扩散越快,因此扩散磨损主要发生在高速切削速度范围内。
    其它磨损如溶解磨损、氧化磨损等。
    可见刀具磨损产生的原因非常复杂,牵涉到机械、热、化学、物理等各种因素,在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下,磨损的原因和磨损程度是不同的,对于一定的工件材料与刀具材料组合,切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。
    刀具发生非正常磨损的原因也很多,主要有:
    刀具材料的韧性或硬度太低;
    刀具的结构或几何角度不合理,使得切削刃过于脆弱或切削力过大;
    切削用量选择不合理,使切削力太大或切削温度太高;
    刀具由于骤热骤冷(如断续切削、冷却液等)产生太大的热应力以致出现裂纹;
    操作不当等使切削刃受到突然机械或热冲击,以致崩刃、热裂等。
    由于后刀面磨损(如图2所示)可以较准确地进行预报,刀具寿命较易控制,因此也是期望发生的失效形式。切削力增加或切削速度升高引起的切削温度增加均会使后刀面磨损加剧。刀具使用寿命通常用其后刀面磨损带的宽度VB来表示,如图3所示。
    机械磨损引起的剥落既发生在前刀面,也发生在后刀面。发生在前刀面上的剥落区域一般比发生在后刀面上的剥落区域小,如图4所示。热扩散也会导致前、后刀面的剥落,如图5所示。刀具的非正常磨损即剥落破损或刀刃的断裂通常发生在断续切削过程中,加工系统刚性差时也会发生刀具破损。增加刀具材料的韧性(增加硬质合金刀具材料中黏结相钴的含量,或增加TiC及TaC等的含量)可有效避免刀具破损的发生。另外,增加刀具结构的强度,增大加工系统的刚性都会减少刀具发生破损的概率。
    边界磨损(图6)一般发生在切削深度方向与工件表层相接触的切削位置,是局部的剥落及前刀面月牙洼磨损,在加工不锈钢、高温合金、淬硬材料、表层较硬或很软的钢时,容易发生边界磨损。为了减小这类刀具磨损,可采用CVD涂层刀具;增加硬质合金刀具材料中黏结相钴的含量(如富钴类硬质合金),也可减小这类刀具磨损。
    总之,刀具失效的影响因素、失效形式及产生机理都是非常复杂的。生产上,可从观察刀具失效形式入手,分析其失效机理,找出影响因素,提出相应的减少刀具失效的措施(如图7)。
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    奋斗
    2018-10-20 07:49
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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2008-8-27 18:31:37 | 显示全部楼层
    磨削工艺方面
      (1)磨削裂纹的产生是因为磨削热所致,所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。一般所采用的湿磨法,无论如何注入切削液,切削液都不可能在磨削的同时进入磨削面,因而无法降低磨削点位置的磨削热。切削液只能是使砂轮和零件的磨削点在磨削走过后瞬时受到冷却,同时切削液对零件的磨削点起淬火作用,因而事实上加大了磨削裂纹的产生。如果采用于磨法,背吃刀量选择较浅的磨法,可减少磨削裂纹。但是这种方法效果不是很显著,而且灰尘飞扬,影响工作环境,不宜采用。
      (2)选用硬度较软、粒度较粗的砂轮来磨削,可以降低磨削热。但如果粒度太粗时会影响工件的表面粗糙度。对于表面粗糙度质量要求高的工件,不能采用此法,因而受到一定的限制。(3)分粗精磨,即粗磨选用粒度较粗的软砂轮磨削,便于强力磨削,提高效率,然后再用粒度细的砂轮进行精磨(背吃刀量较浅)。分开两台磨床进行粗磨和精磨,这是一种比较理想的方法。
      (4)刚出炉的工件,必须待工件自然冷却后(冷却到常温)才能进行磨削。如果在时间允许的情况下,最好让工件自然时效1~2个月,消除应力后再进行磨削,这也会收到很好的效果。
      (5)选用粒度较为锋利的砂轮,PA36~46K,及时清除砂轮表面积屑,减少背吃刀量,增加走刀(磨削)次数,减小工作台速度,取<=1~2m/min,也是一种有效的减少磨削裂纹的途径。
      热处理方面
      从以上分析知道,产生磨削裂纹的根本原因在于淬火件的马氏体组织是一种膨胀状态,有应力存在,要减少和消除这种应力,应进行去应力回火即淬火后应马上进行回火处理。
      第一种磨削裂纹是工件在快速加热至100℃左右,并迅速冷却而产生的。所以,为防止这第一种磨削裂纹,工件应在150~200℃左右回火。第二种磨削裂纹是工件在磨削中继续升温至300℃时,表面再次产生收缩而产生的。所以,为防止这第二种磨削裂纹,则应将工件在300℃左右回火。回火时间必须在4h以上,应该注意工件在300℃回火时会使工件硬度下降,有时不宜采用。
      有时经过一次回火后仍可能产生磨削裂纹,这时可以进行二次回火或人工时效,这个方法非常有效。
      如果零件硬度要求不高,而零件外观表面要求较高时,可以将回火温度提高到400℃以上回火,即调质处理,这时零件表面不会再出现磨削裂纹现象。
      在零件材质方面
      当零件硬度要求较高而不能在300℃以上回火时,便要在零件材质上想办法。在前面分析中我们知道,马氏体的膨胀收缩率随着钢中含碳量的增加而增大,故碳素工具钢(T8以上)和渗碳淬火钢产生磨削裂纹尤为严重。所以,当零件硬度和表面外观质量均要求较高时,便不能选用碳素工具钢和渗碳淬火钢,而应选用诸如lCrl3、16Mn等钢种。对于零件表面外观质量要求较高,而零件又是急件时,在时间上不允许自然时效l~2个月(出炉后的零件);或者因磨削工艺方面受到限制:如使用砂轮方面受到限制、磨床数量少,零件磨削工作量大等因素而无法分开磨床来粗精磨;或者由于车间工人环境清洁优美,也不便于采用干磨法等。这时只能在零件材质上考虑,只能选用含碳量低的lCrl3、40Cr等钢种,而不可能选用T8以上的碳素工具钢或渗碳淬火钢。
      总之,只要在磨削工艺方面、零件热处理方面和零件材质方面综合考虑,我们便可以有效地防止磨削裂纹的产生。
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