机加工过程中刀具磨损形态及影响因素对比研究

1、国家职业资格全国统一鉴定 加工中心操作工（职业名称）论文（国家职业资格一级）论文题目： 机加工过程中刀具磨损形态及影响因素对比研究姓 名： 身份证号： 准考证号： 所在单位： 报考机构： 国家职业资格全国统一鉴定（国家职业资格一级）加工中心操作工（职业名称）论文论文题目： 机加工过程中刀具磨损形态及影响因素对比研究编号：（ ）机加工过程中刀具磨损形态及影响因素对比研究摘要：刀具是机床的重要组成部分，是机床对基体材料进行加工制作的直接执行部分。刀具可以切割各种金属，堪称“工业上的牙齿”，对机械制造业的发展起着至关重要的作用。随着机械加工技术的不断发展，对切削刀具的认识在不断深化，刀具面临着金属切

2、削效率提升的压力。刀具在使用过程中的磨损，将直接影响其使用寿命及效率。刀具的磨损呈现出各种各样的形态，产生的原因是多方面的，包括热、力以及机加过程中的物理化学反应等。本文通过对#45钢、奥氏体不锈钢机加过程中刀具磨损形态的对比研究，分析了切削热对刀具磨损的影响，为减少切削过程中刀具的磨损提供一定的理论依据。关键词：机加工、刀具、磨损形态、切削热1、引言在金属切削过程中，由于工件的反切削作用，刀具将受到很大的切削阻力，切削区的温度也很高。在较大的压力下，刀具与运动着的切屑以及工件表面接触和摩擦，将逐渐磨损并降低其切削能力；很高的切削温度会改变刀具内部的应力分布，导致裂纹的产生和扩展而使刀具损坏，

3、也加速了刀具材料的氧化和扩散磨损，同时高温下刀具基体材料软化，红硬性降低，会极大的消弱刀具的切削性能。2、刀具磨损形态及原因2.1刀具磨损形态正常切削情况下，刀具磨损的基本形式表现为刃口磨损、前刀面磨损、后刀面磨损和刀尖磨损四种，同时刀具也存在非正常的磨损形式，如图下所示 1-后刀面磨损， 2-沟槽磨损， 3-月牙洼磨损， 4-塑性变形， 5-粘着磨损（）， 6-切屑冲击， 7-崩碎， 8-热裂， 9-刀片破裂2.2刀具磨损原因金属切削过程中，刀具磨损的原因是复杂的，既有机械摩擦的作用，又有切削力和切削温度作用下的物理、化学综合作用。刀具常见的磨损原因有以下几点：机械摩擦造成的磨损。刀具材料和

4、工件表面及切屑间的相对运动，会导致剧烈的机械摩擦，且工件表面上常含有加工过程中所产生的各种硬质点颗粒，其切削和滚压作用对刀具表面会产生硬质点磨损，使刀具逐渐磨损失效。切削铸铁、硅铝合金、纯钼等强度、塑性较低的材料时，刀具的磨损形式主要是有机械摩擦造成的，另外在切削速度和切削温度较低的情况下工作的刀具，如拉刀、丝锥、插齿刀等，磨损也主要由机械摩擦造成。粘结磨损。在金属切削加工中，切屑或工件与刀具相接触的部分都是具有大量活泼原子的新鲜表面，各接触点上的实际压强和温度都很高，由于相互的作用会导致刀具与工件之间出现局部点的冷焊粘结，它是两个固体接触表面分子相互作用的吸附力所造成的粘结，当粘结层被撕裂后

5、，即产生刀面的粘结磨损。在切削塑性高、黏结性强的金属或切削温度较高、润滑冷却条件差的情况下常发生黏结磨损。稳定的粘结层对切削刃有一定的保护作用，但是粘结层的不断产生开裂破碎脱落会使刀具表面材料受剪被粘结材料带走而发生粘结磨损。同时粘结层与工件材料的界面是发生扩散反应的主要部位，而扩散作用使得刀具和工件材料的硬度均有降低，更加削弱了刀具晶粒的抗剪切能力。扩散磨损。刀具切削过程中，刀具材料中的Ti、W、Co等元素在高温(约9001000)的作用下渐渐扩散到切屑或工件材料中，工件材料中的Fe元素扩散到刀具表层里。随着扩散磨损的进行，刀具表面层的化学成分发生变化，切削接触区高温和高压的咬合使刀具和被加

6、工材料的成分结构发生改变，使刀具表层硬度变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。扩散磨损在刀具磨损表面一般表现为相对平整光滑的磨损面，影响扩散磨损的主要原因有：切削温度、刀具材料的化学成分和刀屑间的相对运动速度。周围介质化学作用引起的磨损。当刀削温度达700800时，空气中的氧便与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物(如Co304、C00、W03、Ti02等)被切屑或工件擦掉而形成磨损。氧化磨损与氧化膜的粘附强度有关，粘附强度越低，则磨损越快；反之则可减轻这种磨损。一般，空气不易进入刀屑接触区，氧化磨损最容易在主副刀削刃的工作边界处形成。研究表明，硬质合金刀具在保护气体下进行

7、切削时的寿命明显高于在空气中切削的寿命。另外切削液中的某些成分（如极压添加剂硫、氯等）也会与刀具材料间发生物理化学反应，从而降低刀具的耐磨性。2.3试验过程中刀具的磨损形式进行调制45钢切削时，由于工件材料综合机械性能优良，在切削过程中切屑卷曲稳定，刀片切削轻快，刀片切削照片如下所示：图中刀片切削调制45钢过程中火星较多，说明切削过程中刀片与工件、切屑间的摩擦严重。从试验中刀片磨损形貌可以看出刀片前、后刀面的磨损主要以磨粒磨损、涂层脱落为主，以扩散磨损和氧化磨损为辅。这主要是因为工件材料力学性能好，高温下抗拉强度和硬度较低，切削过程中切屑易被分离，不粘刀，故散热状态好，但是较高的切削参数下（V

8、c=220m/min，f=0.2mm/r，ap=2mm）刀片切削过程中又会承受较大的切削力，刀片在巨大的压力作用下与切屑、工件剧烈摩擦，产生大量的火花，造成刀具的磨粒磨损和涂层的脱落。1Cr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢，与45钢相比，其相对切削性为0.4，是一种难切削材料。如下图为切削不锈钢9分钟后的刀片照片：从图中可以看出刀片切削过程中主要以边界磨损(A区)、粘结磨损(B区)、磨粒磨损(C区)为主。由于1Cr18Ni9Ti不锈钢加工过程中加工硬化现象严重，其硬化层的深度可达切削深度的1/3甚至更大，而硬化层的硬度比原来的提高1.4-2.2倍，且切削时由于工件表面半径大，故速度高，因此造成了刀

9、片的边界磨损。由于不锈钢高温强度和硬度很好，因此切削过程中材料塑性大，晶格扭曲严重，切屑不易被分离，故切削力大。同时由于其延伸率、断面收缩率和冲击值都较高，切屑不易被切离、卷曲和折断，切屑变形所消耗的功增多，且不锈钢的导热系数低，使得大部分消耗的热量转化为热能而使切削温度升高。不锈钢与金属材料间的亲和性是影响其切削加工性的另一个因素， 不锈钢和其他金属接触时，在一定的温度和压力下就会产生粘结现象。综上所述，高温、高压下，刀具和切屑间产生粘结和扩散，使刀具产生粘结磨损和扩散磨损。切削过程中由于工件材料加工硬化和刀具磨损严重，产生大量的微细碳化物颗粒，在切削过程中进入到刀屑，刀工接触面而造成磨粒磨

10、损。3、切削热的问题3.1切削热的来源切削热和由它产生的切削温度时影响金属切削过程的又一重要物理现象，切削时为克服切削力所消耗的能量有97%99%转化为热量，大量的热能使切削区的温度升高，直接影响刀具的磨损和使用寿命，并影响工件的加工精度和表面质量。切削过程中，剪切变形功和动量改变所消耗的功大部分将变为基本变形区（剪切变形区或第一变形区）的热量，一小部分能量则形成两个新生表面的表面能以内能形式储存与加工表面和切屑中。前、后刀面的摩擦功全部将变为第二、三变形区的热量。因此，切削热的来源是剪切区域材料变形所做的功和前、后刀面所做的摩擦功，如下图所示。在刀/屑接触区（第二变形区），当切屑沿刀具前刀面

11、流出时，受到前刀面的挤压和摩擦，进一步加剧了变形，切屑底层的摩擦、变形趋于纤维化，流动速度减慢，由摩擦而产生的热量使切屑/刀具接触面的温度升高，形成刀/屑接触区温度场。这与刀具/切屑之间的摩擦系数、摩擦性质、导热系数、刀具磨损程度以及冷却润滑等因素有关。切削热分布的估算如下：(1)大约80的热量是切屑变形产生的。(2)18是产生在切屑和刀具的接触面上(第二剪切区)。(3)2产生在刀刃上。在高速切削情况下，产生的热量有三种耗散渠道：(1)大约95以上由切屑带走。(2)2留在工件上。(3)3由刀具散热。3.2切削热的影响因素切削温度一般是指前刀面上刀屑接触区的平均温度，切削过程中影响切削热和切削温

12、度的主要因素通常有以下几个：(1)切削用量的影响首先是切削速度v，切削速度提高则摩擦热生成的时间短，而切屑底层产生的切削热向切屑和刀具内部传导都需要一定的时间，此时，摩擦热来不及向切屑和刀具内部传导，而是大量积聚在切屑底层，从而使切削温度升高。另外，提高切削速度，单位时间内的金属切除量成比例地增多，消耗的功增大了，所以切削热也会增加。但随着切削速度的提高剪切角痧增大，塑性变形减小，使单位切削力也随之减小，切屑带走的热量增大，故温度上升比较缓慢。因此，切削热和切削温度与切削速度不是成比例地增加。其次是进给量厂，进给量增加，单位时间内金属切削量成比例增大，导致切削过程中产生的切削热也增多，使切削温

13、度上升。但由于增加进给量使变形系数毛减小，故单位体积切削量的切削功下降，切除单位体积金属产生的热量也减小，所以切削温度随进给量增大而升高的幅度没有切削速度那样明显。此外，当进给量增大后，切屑变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走的热量也增多，故切削区的平均温度上升不明显。最后是切削深度a，切削深度增加使得切削区产生的热量虽然成比例地增多，但因切削刃参加切削工作的长度也成比例地增长，改善了散热条件，所以切削温度的升高并不明显。(2)刀具几何参数的影响前角0对切削温度的影响最大，它直接影响切削过程中的变形和摩擦。前角大，产生的切削热少，切削温度低；前角小则切削温度高。主偏角恕的影响是随着主偏角的增大切

14、削温度升高。(3)刀具磨损对切削温度的影响刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区金属的塑性变形增加；同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件与后刀面的摩擦增大，两者均使产生的切削热增多。所以，刀具的磨损是影响切削温度的重要因素。(4)工件材料的影响工件材料的强度(包括硬度)和导热系数对切削温度的影响是很大的。单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度直接决定了单位切削力，所以工件材料强度增大时产生的切削热增多，切削温度升高。工件的导热系数则直接影响切削热的导出。(5)切削液的影响切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高已加工表面质量有明显的效果。流量充沛与否对切削温度的

15、影响很大，切削液本身的温度愈低降低切削温度的效果就愈明显。3.3切削温度的理论研究刀具切削部分的各点温度是不相同的，但是由于测量各点温度比较困难，通常只测量平均温度，所以切削温度一般指前刀面和切屑接触区的平均温度。前刀面上刀屑接触区的平均温度可以看成是切削面的平均温度与刀屑接触面上摩擦温度之和。因此要推算前刀面上平均温度，就必须知道剪切面的平均温度。切削温度的理论推算方法有很多种，美国的学者M.C.shaw推导出了剪切面的平均温度公式和前刀面上刀屑接触区的平均温度公式；俄罗斯的学者格兰诺夫斯基、马尔金等人运用导热率方程推导出金属切削过程中刀片后刀面上的温度公式，并运用导热率微分方程推导出切屑主

16、界面内温度场的分布函数。目前关于有限元方法在确定刀具的热负载、精确计算刀具的温度场分布以及变化过程中应用越来越广泛。它的思路是把切削加工区划分为若干单元，每一个单元的热源由第一变形区和第二变形区提供，利用第一、二及第三类边界条件的能量平衡方程组，结合每个单元的节点建立的线性方程组求解就可得到温度场。4、切削热与刀具磨损的关系切削温度和切削热是金属切削过程中重要的物理现象之一，切削过程中所消耗的能量在转化成的总热能中，除去极少量的以热辐射形式发散以外，其余均用于加热切屑、工件以及刀具。显然金属切削中的许多经济和技术问题大都直接或间接地由切削热所引起，它影响刀具的磨损及耐用度，影响工件的加工精度和

17、已加工表面的质量。同时在很大程度上决定金属切削加工的成本。4.1切削热有利的一面切削热对切削加工有一定的帮助。切削过程中较高的切削温度会降低工件材料的抗拉强度、剪切强度和硬度，利于切屑切离、卷曲和折断，且可降低切削力，减轻切削振动，提高加工质量和加工效率。因此人们提出了加热切削方法，加工前和加工过程中对被切削材料进行加热，使材料局部受热软化以改善材料的加工性能，因而提高金属切除率，改善加工表面的粗糙度，并延长刀具的寿命。目前，加热切削可以广泛的应用于：(1)实现难加工材料的切削加工，并提高切削质量，这是主要的应用领域； (2)对于低碳钢、纯金属等材料的切削，可以改善加工表面粗糙度； (3)对于

18、常用金属材料，如45钢的切削，因为切削力降低，可节省能源消耗； (4)可有效解决机修工业中高硬度堆焊层的难切削问题； (5)在航宇工业等尖端科学的制造技术研究工作中有独特的作用。4.2切削热的弊端切削温度是刀具磨损的主要影响因素，具体表现为：(1)高切削温度使得气体介质与刀具材料、涂层材料和被加工材料间发生化学反应。相关资料表明刀具材料WC的明显氧化起始温度为400，氧化完全温度为500，最终氧化产物为WO3和CO2, 氧；Co粉的明显氧化起始温度为300，氧化完全温度为500，最终氧化产物为CO3O4和CO2,主要的化学反应有：WC+O2=WO2+CO22WC+5O2=2WO3+2CO22C

19、o+O2=2CoO3Co+2O2=Co3O4由于生成产物的强度比刀具原有成分低，在高温高压下长时间切削容易造成刀具的磨损和塑性变形。在切削过程中工件材料也会发生化学反应，如工件中的钛能够吸收大量的O，N和水蒸气，铝则能够与空气中的氧气发生反应，主要的化学反应有：2Ti+O2=2TiOTi+O2=TiO28Ti+3N2=2Ti4N3Ti+H2O=TiO+H2Ti+H2=TiH24Al+3O2+2Al2O3工件材料的各种化学反应会造成工件表面的氢化、氧化硬皮等，加剧刀具的磨损，同时氧化反应产物的硬度较高，伴随着粘着物的脱落和切屑的流出，这些氧化产物将作为硬质点导致刀具的磨粒磨损。部分常用涂层材料的

20、抗氧化温度如下表所示：当涂层材料达到其最高的抗氧化温度时，无法继续保证其化学稳定性和热稳定性，会发生分解或氧化反应，导致涂层结构破坏，消弱涂层的保护屏障作用，加速刀具的磨损。(2) 切削区复杂边界条件下热应力的分布与变化，会降低刀具基体及涂层材料的硬度而使之软化，造成刀具强度下降，加速刀具磨损，严重时还会导致刀尖的塑性变形。统计资料表明，金属切削刀具特别是硬质合金刀具的30%50%都是由于刀具强度的破坏引起的失效。(3) 扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了原来材料的成分与结构，使刀具材料变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。例如硬质合金切钢时，从800开始，硬质合金中的化学元素迅速地扩散到切屑、工件中去，WC分解为W和C后扩散到钢中。因切屑、工件都在高速运动，刀具表面和它们的表面在接触区保持着扩散元素的浓度梯度，从而使扩散现象持续进行。于是，硬质合金表面发生贫碳、贫钨现象。粘结相Co减少，又使硬质合金中硬质相(WC，