机械加工中刀具寿命的影响因素及对策

1、第8卷4期1996年12月宁夏工学院学报(自然科学版)JournalofNingxiaInstituteofTechnology(NaturalScience)Vol.8No.4December,1996机械加工中刀具寿命的影响因素及对策刘天聪(宁夏农学院食品系永宁750105)摘要本文以车刀为典型,分析了机械加工中影响刀具寿命的刀具材料、焊接、刀磨、几何参数与切削用量等因素,并提出了对策.关键词刀具寿命硬质合金切削用量几何参数分类号TG701刀具在切削加工中将逐渐产生磨损.当刀具磨损达到一定程度后,可以明显地发现切削力加大,切削温度上升,切削颜色改变,甚至产生振动.同时,工件尺寸也可能会超出

2、公差范围,已加工表面也明显恶化.此时,必须对刀具进行重磨或更换新刀,刀具磨损和寿命关系到切削加工的效率、质量和成本,因此它是切削加工中极为重要的问题之一.硬质合金刀具是机械加工中必不可少的工艺装备、它具有较高的冷硬性、热硬性、耐磨性,较低的坚韧性、导热性,它的“三高两低”特性,使之在切削的过程中,自己也变钝.刀具钝化有两类:一类是非正常钝化,即崩刀和卷刀、硬质合金等脆性材料在使用过程中容易发生突然崩落或整个刀片破碎.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选择不当,造成刀片强度不够;刀片焊接和刃磨质量不好,使用前已产生裂纹;使用中骤冷骤热,刀片材料受到热冲击的作用产生热

3、应力出现热裂纹;机床夹具工件刀具加工系统刚性不够,切削过程产生振动等.此外,断续切削特别容易出现崩刃,必须给予足够的注意.卷刃则是由于刀具刃口薄弱或硬度不够或切削温度太高而产生的.另一类是正常磨损,由于在切削力和切削温度的作用下,刀具、刃面与切屑和工件之间产生摩擦而逐渐磨损,当磨损到一定程度,切削力和切削温度急剧升高,产生振动,使刀具耐用度急剧下降,因此提高刀具寿命就是一个不容忽视的问题.刀具寿命是刀具从开始使用起、到报废为止的总切削时间,它与刀具的耐用度的关系是:刀具寿命=刀具耐用度×刃磨次数.提高硬质合金刀具寿命是一个综合性问题,其影响因素多方面的,本文以单刃刀具车刀为典型,从以

4、下几个方面进行具体分析,从而提出解决的途径.1正确选择刀具材料不同的刀具材料有不同的强度、韧性和耐磨性.所以在一定条件下使用高级材料就能延长刀具寿命,这是不言而喻的,但是完全满足这些性能的理想材料是没有的.因此,在刀具设计资19960326作者·58·宁夏工学院学报(自然科学版)1996年料中根据不同的材料,经济地选择不同性能的刀具材料.常用的硬质合金、按耐磨性与韧性排列,其顺序为: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,合金抗弯强度、韧性增加切削铸铁等脆性材料时,一般

5、形成崩碎切屑,切削力作用在刃口附近,切削过程有振动,因此宜选用抗弯强度和韧性较好的YG类硬质合金.由于YG类硬质合金的磨削性能较好,刃口可以磨得很锋利、故也适宜于有色金属及其合金的切削加工.切削中碳钢时,铁屑成带状,与前刀面接触面积较大,压力分布较均匀,力的波动较小,刀片的耐磨性是主要矛盾,就该选用YT类硬质合金.淬火钢虽然也是钢、但由于很硬,只能薄薄地切削,刀刃上的负荷很大,为防止崩刃,也选用YG类刀片.加工钢管外园,容易发生振动,宜选用YG类刀片.耐热钢、不锈钢的导热性差、切削温度高,刀刃上的压力、塑性大,加工硬化程度大,刀具的磨损严重、一般粗加工时刀刃的负荷大,也选用YG类刀片,而精加工

6、时可用YT类刀片,如果选用YW刀片,强度与耐磨性都较好,效果更好.除上述可供选择的常用硬质合金之外,近年来发展的新型硬质合金有:超微粒硬质合金YG10H,微粒越细,其硬度就越高,耐磨性就越好.这种合金的耐热性和耐磨性比高速钢好,而抗弯强度比一般硬质合金高.因此它能适应低速切削和断续切削,能加工大多数高温、高强度合金,如不锈钢、钛合金等难加工材料.涂层硬质合金,由于在基本上涂复35微米厚的一层硬度、耐磨性和耐热性较高的、TiN、Al2O3等材料,使刀片具有较好的综合性能、但这种刀片只适用于机夹可转位刀具,TiC并且不适于加工钛合金和奥氏体不锈钢之类的材料.钢结硬质合金,用高速钢或其他钢料作粘合剂

7、的一种高强度的硬质合金,性能介于高速钢与硬质合金之间,可用来制造结构复杂的刀具,如钻头和铣刀等.以上是刀具材料的一般选择原则,当然在实际问题中,还要考虑加工对象的表面形状、产量与成本.产量大、切削速度高,要求采用较先进的刀具材料,反之,则宜采用低价的刀具材料.2焊接时要注意防止裂纹的产生裂纹是硬质合金刀具最常见的缺陷,其造成的原因也较为复杂,对刀具寿命的影响也很大,有必要采取措施,寻找裂纹的产生原因,并加以防止,以利于提高刀具寿命.硬质合金刀片脆、导热性差、热后收缩率大,如果在焊接时工艺不当,会产生很大的内应力,引起刀片裂纹的产生,影响刀具寿命,常见的焊接裂纹主要有三种:断裂、崩裂、爆裂并以发

8、状裂纹为主要形式.图1图2第8卷4期刘天聪:机械加工中刀具寿命的影响因素及对策·59·刀片与刀槽的接触面不平整,如有黑皮、麻坑、局部凹凸等,不能形成平面贴合,造成焊料分布不均匀.这样不仅影响焊缝强度,而且引起应力集中、导致刀片断裂(图1),为此要求接触面的内凹一般不大于0.15毫米,外凸不大于0.10毫米,刀片应采用机械研磨或化学研磨方法,磨平接触平面、对刀片或刀槽的焊面,应清洗干净.刀片对刀杆支承部分的伸出量过大或刀杆支承部分较弱,使刀具在焊接过程中承受拉应力,而产生断裂(图2),为此,要求刀片与刀杆支承部分的厚度比hc/ht>3,伸出量l<0.5毫米.硬质合

9、金刀片与钢的热膨胀系数相差很大,若在焊接时快速加热,会产生很大内应力,促使刀片在焊接层处形成崩裂(图3),如焊料熔点太高,不仅使刀杆熔化,而使刀片在焊接处热应力过大,造成崩裂现象.所以,焊接温度控制在约大于焊料熔点30°60°°60°C.焊料溶点低于刀杆熔点40C.刀杆应由下而上的均匀加热,得以预热,刀片底温应比测温要高.刀槽形状与刀片焊接而形状不一致或相差较大,则焊接表面过多,焊层过大.由于热膨胀后的收缩率不一致,也易在刀片焊接层处形成崩裂.因此要求刀槽形状与刀片焊接面形状最好一致.局部过热,会使刀片本身或刀片与刀杆的温度差较大(大或厚的刀片尤为严重)

10、,热应力使刀片刃口崩裂(图4).所以要求加热时最好先对刀杆予热.若刀片与刀杆一起加热,应前后左右往返移动火焰,避免热量集中而造成局部过热,对于大而薄的刀片,可采用补偿垫片(冲孔或网状垫片、厚度0.20.3毫米),放于接触平面之间,以清除刀片与刀体间不同收缩率而引起的内应力.图3YT30刀片比一般硬质合金的脆性更大,导热性更差,为避免焊接崩裂,可先在刀槽底面焊一块YG合金,再焊YT30刀片.焊接中或焊接后,骤热冷却或急速冷却以及焊接脱水不良,都会使刀片产生爆裂,而且这种裂纹深而贯通(图5).图4图5因此,要求焊接有良好的脱水性,切忌焊后放入水中急冷或急速空冷.对焊好的刀具应放在干燥的保温介质中(

11、如木炭粉、石炭、石棉粉)等缓慢冷却,最好经缓冷后,在300°C左右保温6小时,随炉冷却.焊接所产生的裂纹、有宏观和微观两种,前者可用肉眼观察,后者却不能,往往在刃磨或切削中才被发现.所以对微观裂纹的刀具,可以用1040倍的放大镜察.也可用·60·宁夏工学院学报(自然科学版)1996年煤油清洗法,颜色探伤法,使裂纹处露出来,应尽量避免将有裂纹的刀具转入生产使用.3刃磨时要注意防止裂纹的产生由于硬质合金硬度高、脆性大、导热性差和抗振性不良,所以刃磨较为困难,并易产生裂纹.因此,在刃磨中,必须掌握磨削硬质合金的工艺、防止裂纹的产生.常见的裂纹缺陷有热裂、振裂、崩裂和爆裂

12、,并以网状裂纹为主要形式.这种裂纹将使刀具的强度降低二分之一以上,严重地影响切削性能、使刀具寿命急速下降.硬度很高的硬质合金,在刃磨过程中使砂轮砂粒极易钝化、如果砂轮自砺性不良,失去应有的切削能力,剧烈的磨擦致使刀片表面局部高温、形成附加应力、引起热变形,产生热裂纹(图6),为此,要求在刃磨时:1、选择合理的砂轮,2、及时修磨砂轮工作表面,3、供给充分的冷却液,4、选择间断磨削法和树脂砂轮磨削法,以获得良好的自励和散热.图6图7由于刀杆刚性不足、机床主轴跳动,刃磨余量过大,夹持不稳等,使刃磨过程振动不止,使刀片产生振裂(图7),为此要求:1、机床砂轮夹具刀具系统应具有一定的刚性,特别是机床主轴

13、的轴向窜动和经向跳动不宜过大,2、应先在氧化铝砂轮上磨去刀杆的突出部分,再用碳化硅砂轮刃磨刀片,3、手持刀杆刃磨,应借助支承、防止双手颤动,并将刀刃高出砂轮中心线12毫米.砂轮在工作中有轴向和径向跳动过大,砂轮的旋转方向与刃口的磨削方向不对,前角与后角的刃磨顺序不妥,都将使刃口产生崩刃、在刀具的刀尖园弧上、主副切削刃上,前刀面上,都有可能产生细微碎裂状崩刃(图8).为此:1、要控制砂轮的轴向窜动和径向跳动,2、砂轮的旋转方向应使刀片压向刀杆,3、刃磨时,先磨前面负倒楼、断屑槽,其次磨主后面,最后磨刀尖园弧及修光刃.由于刃磨过程用力过猛,摩擦力增大,温度急剧上升,或刃磨时急剧冷却、断续冷却、温度

14、突变、收缩压力过大,都将使刀片产生爆裂(如图5).所以,刃磨时必须合理选择磨削用量.一般选用砂轮园周速度V=10m/s15m/s,进给量f纵=0.5m/s1.0m/s,f横=0.01mm/行程0.02mm/行程.手工刃磨一般不使用冷却液,倘若使用,必须供给充分、切忌将干磨发热刀具侵入水中进行急速冷却.尽可能使砂轮的接触面变窄,使刃磨热量减少.刃磨中产生的裂纹因素很多,多种多样,直接影响使用效果,因此应及早发现微观裂纹,以防后患.检查方法与焊接裂纹相同.图84合理选择刀具的几何参数第8卷4期刘天聪:机械加工中刀具寿命的影响因素及对策·61·分的几何参数,有着极重要的影响和作用

15、,因此必须重视刀具的主要几何参数的选择,以充分发挥刀具的切削性能.刀具的主要参数有前角r0、后角0、主偏角Kr、刃倾角角s,其次有付偏角Kr、刃口倒棱与刀尖园弧半径等.几何角度的选择常和前刀面形状的选择联系在一起,因此就从前刀面形状的选择开始,逐步加以讨论.4.1前刀面的形状及选择a.正前角平面型b.带倒棱曲面型c.带侧棱平面型d.负前角双面型e.负前角单面型图91°、正前角平面型(图a),其优点是刃口锋利、刃磨容易,一般用于精加工的硬质合金刀具及加工较软的脆性材料(如灰铸铁).2°、带倒棱曲面型(图b),倒棱的作用是在采用正前角的同时加强刀刃,曲面的作用是为了断屑.这种形

16、式的前刀面多用于硬质合金加工钢料,卷屑槽半径R须和ap和f相适应,一般6毫米,宽度2.54毫米.R=43°、带倒棱平面(图c),与图b的型式不同之处在没有卷屑槽、用于不同断屑的情况,例如间断切削.4°、负前角双面型(图d)、采用负前角的目的是为了保证刀刃的强度、以免崩刃、用于硬质合金刀具加工淬火钢或其他强度很高的钢料以及很硬的脆性材料.这种前刀面形状与图c不同之处在负前角部分的长度A较长,它后面一段正前角部分在切削时不起作用,做成双面型的目的是为了减少削刀面刃磨面积,节约硬质合金.5°、负前角单面型(图e),这种形式与图d一样,都适用于加工特硬的材料、当刀具磨损主

17、要在后刀面,不需磨前刀面时可用这种型式.4.2合理选择前角前角的作用是减少切削过程中切屑的变形,因而减少切削力,从而也减少切削热力与刀具磨损,但如果前角太大了、刀具的楔角减少,散热性能降低,反而使刀具耐用度降低.因此,应对每种加工材料优选它的合理前角.一般,工件材料塑性越大、合理前角应越大;塑性材料的前角应比脆性材料的前角大;加工淬火钢,应采用负前角.根据上述原则,前角的合理数值推荐如下:1°、对于脆性材料,采用平面型前刀面,灰铸铁,常取前角5°15(材料硬的取小值)高硅铸铁,常取前角-6°-8°淬火钢,常取前角-5°-20°2

18、76;、对于塑性材料,采用带倒棱曲面型前刀面,在这种情况下,前角是倒棱后面曲面开始处的前角.铝合金常取前角40°50°软铜常取前角30°35°#(315)常取粗车用-s)·62·宁夏工学院学报(自然科学版)1996年#中等硬度钢,(45钢、40Cr,可锻铸铁)取10°20°,特硬钢(高锰钢),常取-5°-10°(5°10°,当s=-20°时)以上介绍的是选择硬质合金车刀前角的一般原则,对于其他切削情况,应做具体分析、灵活选择,如铣削时前角要比车削选得小一些.4.3合

19、理选择主偏角主偏角对刀具耐用度有很大影响.主偏角小时,切削截面变薄,刀刃单位长度上的负荷减轻,刀具的耐用度因此提高.其次主偏角小时,刀尖角就加大,使刀尖的强度与散热性能都改善,也有利于提高刀具耐用度.但主偏角减小后,径向切削力增加,容易产生振动,应根据机床工件刀具系统的刚度来选择.主偏角的选择原则是:1°、粗加工和半精加工,一般选用较大的主偏角,以利于减少振动,提高刀具耐用度、断屑和采用较大的切削深度、一般取60°75°2°、加工很硬的材料,如冷硬铸铁和淬硬钢,为减轻单位长度上切削刃的负荷,改善刀头和容热条件,提高刀具耐用度,宜取较小的主偏角,一般取10

20、°30°,如高硅铸铁选用20°,冷硬铸铁选用3°5°.3°工艺系统刚性较好时,减少主偏角可提高耐用度,可取45°刚性不足时(如车细长轴),应取较大的主偏角,可取7590°,甚至大于90°,以减少切深抗力Fy,减少振动.4.4合理选择刃倾角用负值刃倾角的刀具可以加强刀尖强度、使切削平稳,提高刀具承受冲击的能力,但带来了增加径向分力,难于切入工件等缺点,因此也有了合理的刃倾角数值.硬质合金性能较脆,尤其是刨削、铣削时冲击较大,易于崩刃掉牙,宜采用绝对值较大的负值刃倾角.其选择原则及参考值如下:1°加

21、工一般钢料和灰铸铁、粗车时取s=0°-5°,精车时取0°+5°,有冲击负荷时s=-5°-15°,冲击性特别大时,负s可以取更大的绝对值,甚至s=-20°-30°.s=-102°强力切削刨刀°-20°3°车削淬硬钢s=-5°-12°(或取到-18°)4°工艺系统刚性不足时,尽量不用负值刃倾角.4.5合理选择后角后角对刀具耐用度的影响也具有辨证的关系.后角加大,可减轻后刀面与加工表面的摩擦,减少刀具磨损,但如果后角太大,使刀具楔角大小,散热

22、情况较差,反而降低刀具的耐用度.一般从耐用度观点出发,不论是车削或铣削、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,进给量越小,合理后角越大.因此,后角的选择应针对不同情况分别考虑.例如:1°、对强力切削,切断刀、大前角车刀等,后角从保证刀具强度出发、采用小的后角,可取3°6°.2°、对系统刚度差的,或切削刃宽,为消除振动,采用小的后角,可取3°6°.3°、对铸造黄铜,组织疏松,为获得挤压作用也采用小后角,可取4°6°.,第8卷4期光洁度取8°10°

23、.刘天聪:机械加工中刀具寿命的影响因素及对策·63·5°、对脆性材料,采用负前角,为便刀刃易于切入,采用较大后角可取10°15°.6°、对切削厚度薄的刀具,如铣刀等,为提高刀具耐用度,采用较大后角取10°20°.副后角一般选取和后角相等.4.6前刀面倒棱和刃口园弧半径的选择前刀面倒棱和刃口倒园,可加强刀刃提高刀具的耐用度,但倒棱和倒园使刃口变钝、增大金属变形和切削力,因此倒棱和倒园的几何参数应根据刀具材料、工件材料和加工条件合理选择.硬质合理刀具精加工各种钢材和铸铁时,采用负倒棱,负倒棱宽度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,可将刃口适当倒园,园弧半径rn按进给量的大小选取,一般YG类刀具的rn<f/3,YT类刀具的rn<f/1.5.5正确选择切削用量,特别是切削速度5.1为什么要着重考虑切削速度因切削速度对切温度的影响最大、而切削温度又是影响刀具磨损强度的重要因素.5根据科学实验,可得出如下的耐用度(T)公式:T(耐用度)=51.750.75分钟(f<0.75毫米/Vfab转)上式是用硬质合金车刀YT15车削b=75公斤/毫米2的中碳钢所得的结果,它反映了切削用量对刀具磨损的一般规律.切削速度、走刀量以及切削深度增加时

25、,刀具耐用度都将降低,但其影响以切削速度最大,走刀量次之,切深最小.所以当选择切削用量时,从刀具耐用度观点出发,应使切深最大,走刀量次之,而切削速度最小,这是合理选择切削用量的一个原则.将以上耐用度公式经过变换,可以写成:V=这就是切削速度公式,当f和apTfap0.2固定不变时,公式可简化为: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当切削速度增加15%,刀具耐用度降低了一半,可见切削度对刀具耐用度影响很大.那末,切削速度究竟选多大合适呢?这要看加工什么材料?不同的材料在作为

26、加工对象时对刀具的磨蚀性是不一样的,这就是一般所谓“材料的加工性”,例如加工一般铸铁、切削速度可选V=4080米/分,加工园钢,V=120150米/分,加工高硅铸铁,切削速度只取2025米/分,而加工冷硬铸铁就更低了,V=5米/分.在一定磨损量和耐用度(通常为60分钟)的情况下,一种加工材料所允许的切削速度代表这种材料的“加工性”,以V60表示,V60越大,加工性越好.前面讲到,切削速度越高,刀具耐用度越低,这一规律也是有它的适用范围与条件的.在用质合金刀具低速切削时,由于切削温度低,刀具材料的韧性差,刀刃上的颗粒容易受振脱落.因此速度降低时,刀具耐用度不但不高,反而会降低,所以加工一般钢料时切削速度不宜低于50米/分.5.,·64·宁夏工学院学报(自然科学版)1996年过小时,刀刃在加工表面上挤压的比较严重,反而对刀具的耐用度不利.另一方面,对于脆硬的刀具材料,走刀量过大,刀刃上的压力就越重,有崩刃的危险,就越出正常磨损的范围了,根据生产实践经验,加工高硅铸铁时,走刀量一般不超过0.2毫米/转,相当于切削截面厚度=0.07毫米.5.3切削深度的变化也将影响切削力和切