145月

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。
  在金属表面加工切削过程中,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。
  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。
  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。
  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:
  2.1 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。
  2.2 刀具角度对脆性破损的影响:切削的时候、刀具切削部分在切削力的作用下,将产生很大的应力。在多数情况下,前刀面的一定区域内受拉应力,而在后刀而内受压应力.当拉应力超过刀具材料的抗拉强度时,就会使刀具切削部分中最薄弱的地方产生裂纹或断裂而破损.随着前角的减小,压应力区扩大、而拉应力区则缩小。如果刀具采用负前角,则全部成为压应力区,所以较小的前角或负前角(若后角一定,即楔角加大),能提高刀具的抗破损能力。
  2.3 切削用量对脆性破损的影响:切削用量对刀具切削部分的应力状态也有影响,而其中以切削厚度对应力状态的影响最大.当切削厚度小时,冲击载荷小,而且应力集中于切削刃附近,刀屑接触长度短,主要是压应力。随着切削厚度的增加,冲击载荷加大,刀屑接触长度变长,使拉应力区和拉应力值加大。因切削厚度加大,即进给速度加大,则单位时间内的冲击能量增加。从上述分析看出,切削厚度增加,容易使刀具发生脆性破损。
  2.4 断续切削的切入切出条件也影响刀具的脆性破损。最典型的实例是端铣的对称铣与不对称铣,比如端铣:在端铣淬硬钢、不锈钢等硬度大的材料时,以对称铣为最好偏距不大的逆铣其次,而顺铣最容易发生刀具早期破损。因为工件材料硬度大,切入时冲击大。对称铣削时具有的最大切削厚度为平均切削厚度(见图2中A);对于不对称逆铣,切入时切削厚度小(见图2中B),减少了冲击;对于不对称顺铣,切入时切削厚度大(见图2中C),冲击力大,所以容易引起刀具脆性破损。这一点对陶瓷刀具等高脆性材料的刀具更为严重。
  3 减少或防止刀具破损的措施
       金属切削液的选用。威尔金属切削液性能优异,可以尝试使用。
       选择超声冲击金属表面加工技术。
  3.1 选择合适的刀具材料
  根据工件材料选择合适的刀具材料,是解决刀具破损的主要措施之一。
  对于刀具的塑料破损:因为发生塑性破损的条件是刀具的硬度小于切屑的硬度,所以当刀具材料和切屑材料的硬度比越高时,就越不容易发生塑性破损。
  发生塑性破损的安全系数n可用下式计算:
  因此,近代刀具材料创新的一个重要方向就是提高刀具材料的硬度。如涂层刀具,陶瓷刀具,金刚石刀具以及立方氧化硼刀具。
  对于刀具的脆性破损:由于切削刃是受到很大的冲击和振动而发生脆性破损的,所以刀具材料应有足够的韧性,以利于在冲击负荷下可能较多地吸收断裂前的能量,和进行充分的塑性变形。
  3.2 选择合适的刀具角度
  减小前角或采用负前角,能改善刀具内的应力状态,提高刀具抗破损能力。例如端面铣刀,为了减小冲击和保证刀齿的锋利性,常采用如图3所示的带负倒棱的前刀面,倒棱宽度br1的最佳值约为每齿进给量的1.5倍。
  3.3 选择合适的切削用量
  对耐热性差的刀具材料,不宜用高速切削,否则,刀具将会产生塑性破损。对脆性大的刀具材料,如硬质合金等,切削速度过低,易崩刀;而切削速度过高,易热裂;切削截面过大,刀具容易过载,易挤碎,可以从切削深度和进给量两个方面控制切削截面。
  3.4 对于硬质合金焊接式刀具,要防止骤热骤冷引起的刀具裂纹
  a)控制加热温度和加热速度; b)控制冷却速度; c)注意刀槽形状;
  d)根据刀具工作时承受的负荷及切削温度,合理选择焊料和焊剂,确保刀片与刀杆工作时的结合强度。
  3.5 刀具刃磨时的注意事项
  刀具刃磨时,对于工具钢,高速钢材料的刀具,要防止烧伤或退火,烧伤和退火使刀具硬度降低,容易使刀具产生塑性破损;而对于硬质合金等脆性材料的刀具,要防止产生裂纹。
  要合理选择砂轮(包括砂轮的磨料,粒度,硬度,形状等),以便刀具能磨出足够光洁的刀面和锋利的刀刃。砂轮转速一般在25-35米/秒,且要转动平稳,若砂轮跳动大,会使刀具的刃口崩刀,也会使刀片产生裂纹。
  3.6 中心钻折断的原因与预防
  在车床上钻中心孔时,中心钻很容易折断,折断的原因有以下几点:
  a)机床和工具的原因;b)操作不当的原因;c)中心钻本身的原因;d)工件毛坯的原因;e)没有使用充分的冷却润滑液,影响顺利排屑。
  预防措施;就是在钻中心孔之前,必须严格校正车床尾座;调整钻夹头和锥套,调整无效的则要更换,使用中心架的要校正中心架。
  如果改进工装或工艺,把工件旋转该为中心钻旋转,以中心钻来定心,这样对预防中心钻折断效果更好。
  在金属表面加工切削中,由于刀具破损往往会影响金属切削加工的正常进行,严重时还会损坏机床,甚至危害安全,必须引起重视,并及时解决,确保切削加工在经济、安全、可靠的状态下正常进行。