车刀磨损及保护

1、车刀的磨损及保护摘要：车削加工是金属切削加工中最重要的工序之一，在机械制造业中占重要地位。车刀刀刃的质量对加工工件的质量有着很大的影响。车刀根据其不同用途可分为切断车刀和成形车刀。车刀在切削过程中由于其与车刀之间存在摩擦，使车刀在使用过程中出现不同程度的磨损。通过对单晶硅、氧化铜和铝合金等不同材料对同一种刀具的磨损情况及相同工件对不同刀具磨损的分析，确定不同材料对刀具表面的磨损不同及不同材料对同一刀具表面的磨损程度不同。根据切削速度对刀具的磨损和涂层对刀具的保护作用，提出减小车刀磨损的方法。根据国内车刀行业水平与发达国家的差距，提出通过实现刀具刃磨的在线测量或准在线测量来提升我国刀具行业水平。

2、关键词：金属切削；车刀；摩损；保护；差距Abstract: Turning metal cutting is one of the most important processes, occupies an important position in the machinery manufacturing industry. Quality turning the blade on the quality of the workpiece has a great impact. Tool can be divided according to their different uses cutt

3、ing lathe turning and shaping. Turning in the cutting process due to the existence of friction between it and turning, so turning varying degrees of wear occurs during use. Through the silicon, copper and aluminum oxide, such as different materials and wear of the same workpiece with a tool for anal

4、ysis of different tool wear, the type of material to determine the type of the surface of the tool wear and wear on the different materials of the same surface of the tool different. According to cutting tool wear and tool coating protective effect of proposed methods to reduce the turning wear. Acc

5、ording to the gap between domestic industry turning with developed countries, proposed by implementing online measurement tool sharpening or quasi-line measurement tool industry to improve our level. Keywords: metal cutting; turning; wear; protection; gap1 我国机械行业现状装备制造业是我国国民经济中的重要基础工业。机械装备为各类产品的物化提供

6、平台和载体，机械装备的技术水平是衡量社会生产力的重要标志，机械科学、机械工程技术和机械工业的发展对经济建设和社会发展都至关重要。目前，世界机械工业产值达到了总工业产值的1/3以上。我国的制造业增加值在国内生产总值所占的比重高达40%，我国的财政收入一半也是来自制造业。随着我国加入WTO，经济越来越融入到全球经济体系中，我国的制造业在世界制造业中的地位也越来越重要，并正从制造大国迈向制造强国。在21世纪的前期，制造业仍是我国国民经济增长的主要来源。在机械制造行业中，绝大多数零件的制造都离不开车刀。车刀是用于车削加工的、具有一个切削部分的刀具。车刀是切削加工中应用最广的刀具之一。车刀的工作部分就是

7、产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。车刀用于各种车床上，加工外圆、内孔、端面、螺纹、车槽等。在机械生产中有着非常重要的地位。2 金属切削刀具及摩擦2.1金属切削概述金属切削加工是利用切削刀具或工具从毛坯（如铸件、锻件和型材坯材）上切除多余的材料，获得符合图纸技术要求零件的加工方法。机械中绝大多数零件要经过切削加工来获得。切削加工分为钳工和机械加工两大部分。机械加工是由操作者手持工具对工件进行的切削加工。钳工使用的工具简单，加工方法灵活，其主要方式有划线、锯切、挫削、刮削、研磨、钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、套扣、机械装配和修理等。机械

8、加工的主要方式有车削、钻削、铣削、刨削、磨削等。运动切削运动包括主运动和进给运动。在切削过程中主运动是形成切削速度的或消耗主要动力的运动，是速度最高的一个运动。而进给运动是使工件的多余材料不断被除去的切削运动。直接完成这两个切削工作的工具是刀具，刀具能否胜任切削工作，主要由切削部分的几何形状与刀具材料的物理和力学性能决定。2.2车刀分类车刀大体上可分为两类：切断车刀和成形车刀。切断车刀切既窄且深的槽，排屑空间小，切屑极易堵塞，为了减小同已加工表面的摩擦，其切削部分的   两侧必须磨有副偏角，因而根部的强度大大削弱。此外,切断车刀在切近工件中心处时,切削速度趋近于零，不利于切

9、削。因此,切断车刀在工作时极易"打刀"(崩裂)。先进的切断车刀一般将主切削刃做成人字形,前面磨成屋脊形，使切屑产生横向收缩，朝一个方向稳定地排出，不致堵塞在槽中，同时再将刀头底部制成凸肚形，以最大限度地提高强度和刚度；成形车刀是加工回转体成形表面的专用刀具，其刃形是根据工件廓形设计的，可用在各类车床上加工内外回转体的成形表面。 用成形车刀加工零件时可一次形成零件表面，操作简便、生产率高，加工后能达到公差等级IT8IT10、粗糙度为105m，并能保证较高的互换性。但成形车刀制造较复杂、成本较高，刀刃工作长度较宽，故易引起振动。 成形车刀主要用在加工批量较大的中、小尺寸带成形表

10、面的零件。2.3车道表面的摩擦由于切屑的材料不同，车刀刀尖的也不尽相同。在生产过程中，因为摩擦的存在，车刀刀尖会受到破损，继而降低车刀的生产效率和生产精度。切削过程中道具的磨损主要来源于两方面：一是刀具前刀面与切削底层的摩擦造成前刀面的的磨损；另一方面刀具后刀面与工件已加工表面之间的摩擦造成刀具的磨损1。刀具上的摩擦又可分为两部分；内摩擦和外摩擦。由于切削过程中因摩擦生热产生的高温高压的作用，使得切屑底部与刀具的前刀面会发生类似于“冷焊”的粘结现象。因该部分的摩擦往往发生在切削的内部，故称“内摩擦”。外摩擦则与之相反，发生在切削的外部。为了提高车刀的工作效率，提高生产效率和降低材料的损耗，我们

11、需要对车刀表面的磨损情况进行深入研究，从而相应的选择材料制作刀具来降低切削过程中摩擦对刀尖表面的磨损。3 切削过程车道的磨损情况3.1不同切削材料对刀具磨损如图1所示，金刚石车刀加工时单晶硅、氧化铜和铝合金的表面粗糙度值随加工时间的变化趋势。从图中我们可以看出：单晶硅的表面粗糙度的增大幅度最大且大于其余两种材料，铝合金和氧化铜的表面粗糙度则近似于平行，且铝合金的表面粗糙度的增大幅度大于氧化铜的。此外，单晶硅加工的头20分钟和加工80分钟后这两个时间段，其表面粗糙度的增大幅度较其他时间段大，其他时间段的增大幅度的相对较为平稳；铝合金和氧化铜在整个加工过程中的增大幅度相对平稳，表明加工表面质量缓慢

12、恶化。由此可见，同一车刀，加工时间的不同，被加工材料表面的粗糙度也不同，这是由于刀具的磨损所致。金刚石车刀在切削无氧铜时的磨损量最小，刀具刃口完整性保持良好，其磨损形式主要为前到面的月牙抗磨损。当切削环境少氧或者应用无氧的切削液时可以减少刀具在切削铜时的磨损；金刚石车刀在切削铝合金时因铝和金刚石具有亲和性，能在任何温度下生成碳化物，因此在切削铝时应在刀具表面涂覆润滑剂或者隔离膜，以降低刀具的磨损；在切削单晶硅时金刚石车刀主要发生化学磨损和机械磨损。2前者包括氧化反应、石墨化和热裂解；后者则包括金刚石晶体的微观解理断裂和磨损。因此应当在低温和少氧环境下切削单晶硅，以降低刀具的化学磨损。另外还应以

13、小切深和进给量来减少切削时对刀具刃口产生的应力作用和振动冲击，以减少刀具的磨损。1脆硬刀具材料的高温摩擦磨损特性及机理研究 张辉 山东大学 2011-04-18 博士.2 高速铣削表面粗糙度建模与预报 王素玉; 艾兴; 赵军; 刘增文. 制造技术与机床2006-08-02期刊3单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析,赵清亮；陈明君；梁迎春；董申 摩擦学学报,2002-10-30,期刊.4张春江等.钛合金切削加工技术.西安工业大学出版社,1986.5脆硬刀具材料的高温摩擦磨损特性及机理研究,张辉,山东大学, 2011-04-18,博士.6Brookes E J, Greenwood P, X

14、ing G. Friction and wear of synthetic diamondJ.International journal of Refractory Metals and Hard Materials,1999,17(1-3):69-77.7 List G. Sutter G, Bix F. Investigation of tool wear in high speed machining by using a ballistic set-up. Wear,2009,267(9-10):1673-1679.8Tso P L,Liu Y G. Study on PCD mach

15、ing. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2002.3图1 应用金刚石车刀加工时3种材料的表面粗糙度值随加工时间的变化趋势3.2切削同一工件不同材料的刀具的磨损目前国内用来加工钛合金的最主要刀具材料一般都是钨钴类硬质合金。一般地讲，钴含量决定其加工类型。钴含量少的用于钛合金的精加工，含量多的则用于粗加工。图2 不同硬质合金刀具端面车削TC1时的磨损情况。4从图中我们可以看出YT类（钨钛钴类硬质合金）的磨损情况很严重，不适合用于加工钛合金材料。而YG6X道具的切削效果最好，在相同的切削时间内，YG6X的磨损量是最小的

16、。这是该材料中的晶粒比YG8的细，钴相对比较均匀和分散，这样使得硬质合金的抗弯强度、冲击韧性、硬度和耐磨性得到了提高。通过此例子我们可以看到：不同材料的刀具在切削同一工件时的磨损量都不相同。因此，在选择切削刀具时必须充分考虑道具的磨损量，尽量选择合适的刀具以求将磨损量降低到最小值。图2.不同硬质合金刀具车削TC1的磨损情况3.3 金刚石刀具的磨损由于车刀的材料较多，这里我选取了金刚石刀具进行简单讨论。金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点。可以用于非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的

17、精密加工。金刚石刀具类型繁多，性能差异显著，不同类型金刚石刀具的结构、制备方法和应用领域有较大区别。天然金刚石刀具主要用于紫铜及铜合金和金、银、铑等贵重有色金属，以及特殊零件的超精密镜面加工，如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜和二次曲面镜等。由于其结晶各向异性，它的摩擦磨损性能与晶体的取向有很大关系。在八面体上，金刚石的摩擦系数较低；而对于六面体，在011方向上的摩擦最低，在100方向上最高。人造金刚石使用起来比天然金刚石更方便。因为对于同向性金刚石的材料，摩擦系数与材料的晶体取向没有什么关系。但是，人造金刚石的摩擦系数与表面粗糙度有关，在表面粗糙度较大的时候，它的摩擦系数要大于天然金刚石，只有

18、在表面粗糙度较好的时候，人造金刚石的摩擦系数才能接近天然金刚石。5Brookes等人6研究了聚金刚石和单晶金刚石在常温和高温下的滑动摩擦磨损性能。通过他们的研究可以得知：在不同的实验条件下人造PCD金刚石的摩擦系数比单晶金刚石的大。PCD在常温下与金刚石和CBN对摩的摩擦系数比在高温的情况下的摩擦系数高；而PCD与B4C对摩的情况则相反：温度高的比温度低摩擦系数要高。PCD的主要磨损机理是金刚石晶粒的拔出和表面裂纹的产生、扩展从而导致的材料剥落。4.刀具的保护由于车刀在切削过程中受到摩擦作用而不断磨损，使得车刀的精确度发生改变。如何使得车刀在车削过程中受到的磨损最小化同时提高切削效率成为机械行业中的一个非常值得去研究的课题。我们知道，刀具的磨损，跟刀具本身的材料、工件材料和切削速度等都有关系。4.1切削速度对刀具的磨损如图3所示，在进给量一定时，随着切削速度的增大，刀具的寿命迅速减小。我们可以根据此结论对一些刀具的切削速度进行调整。如对一些精度要求不是很高硬度不是很大的工件，我们