機加工過程中刀具磨損形態(tài)及影響因素對比研究

1、國家職業(yè)資格全國統(tǒng)一鑒定 加工中心操作工（職業(yè)名稱）論文（國家職業(yè)資格一級）論文題目： 機加工過程中刀具磨損形態(tài)及影響因素對比研究姓 名： 身份證號： 準考證號： 所在單位： 報考機構： 國家職業(yè)資格全國統(tǒng)一鑒定（國家職業(yè)資格一級）加工中心操作工（職業(yè)名稱）論文論文題目： 機加工過程中刀具磨損形態(tài)及影響因素對比研究編號：（ ）機加工過程中刀具磨損形態(tài)及影響因素對比研究摘要：刀具是機床的重要組成部分，是機床對基體材料進行加工制作的直接執(zhí)行部分。刀具可以切割各種金屬，堪稱“工業(yè)上的牙齒”，對機械制造業(yè)的發(fā)展起著至關重要的作用。隨著機械加工技術的不斷發(fā)展，對切削刀具的認識在不斷深化，刀具面臨著金屬切

2、削效率提升的壓力。刀具在使用過程中的磨損，將直接影響其使用壽命及效率。刀具的磨損呈現出各種各樣的形態(tài)，產生的原因是多方面的，包括熱、力以及機加過程中的物理化學反應等。本文通過對#45鋼、奧氏體不銹鋼機加過程中刀具磨損形態(tài)的對比研究，分析了切削熱對刀具磨損的影響，為減少切削過程中刀具的磨損提供一定的理論依據。關鍵詞：機加工、刀具、磨損形態(tài)、切削熱1、引言在金屬切削過程中，由于工件的反切削作用，刀具將受到很大的切削阻力，切削區(qū)的溫度也很高。在較大的壓力下，刀具與運動著的切屑以及工件表面接觸和摩擦，將逐漸磨損并降低其切削能力；很高的切削溫度會改變刀具內部的應力分布，導致裂紋的產生和擴展而使刀具損壞，

3、也加速了刀具材料的氧化和擴散磨損，同時高溫下刀具基體材料軟化，紅硬性降低，會極大的消弱刀具的切削性能。2、刀具磨損形態(tài)及原因2.1刀具磨損形態(tài)正常切削情況下，刀具磨損的基本形式表現為刃口磨損、前刀面磨損、后刀面磨損和刀尖磨損四種，同時刀具也存在非正常的磨損形式，如圖下所示 1-后刀面磨損， 2-溝槽磨損， 3-月牙洼磨損， 4-塑性變形， 5-粘著磨損（）， 6-切屑沖擊， 7-崩碎， 8-熱裂， 9-刀片破裂2.2刀具磨損原因金屬切削過程中，刀具磨損的原因是復雜的，既有機械摩擦的作用，又有切削力和切削溫度作用下的物理、化學綜合作用。刀具常見的磨損原因有以下幾點：機械摩擦造成的磨損。刀具材料和

4、工件表面及切屑間的相對運動，會導致劇烈的機械摩擦，且工件表面上常含有加工過程中所產生的各種硬質點顆粒，其切削和滾壓作用對刀具表面會產生硬質點磨損，使刀具逐漸磨損失效。切削鑄鐵、硅鋁合金、純鉬等強度、塑性較低的材料時，刀具的磨損形式主要是有機械摩擦造成的，另外在切削速度和切削溫度較低的情況下工作的刀具，如拉刀、絲錐、插齒刀等，磨損也主要由機械摩擦造成。粘結磨損。在金屬切削加工中，切屑或工件與刀具相接觸的部分都是具有大量活潑原子的新鮮表面，各接觸點上的實際壓強和溫度都很高，由于相互的作用會導致刀具與工件之間出現局部點的冷焊粘結，它是兩個固體接觸表面分子相互作用的吸附力所造成的粘結，當粘結層被撕裂后

5、，即產生刀面的粘結磨損。在切削塑性高、黏結性強的金屬或切削溫度較高、潤滑冷卻條件差的情況下常發(fā)生黏結磨損。穩(wěn)定的粘結層對切削刃有一定的保護作用，但是粘結層的不斷產生開裂破碎脫落會使刀具表面材料受剪被粘結材料帶走而發(fā)生粘結磨損。同時粘結層與工件材料的界面是發(fā)生擴散反應的主要部位，而擴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。擴散磨損。刀具切削過程中，刀具材料中的Ti、W、Co等元素在高溫(約9001000)的作用下漸漸擴散到切屑或工件材料中，工件材料中的Fe元素擴散到刀具表層里。隨著擴散磨損的進行，刀具表面層的化學成分發(fā)生變化，切削接觸區(qū)高溫和高壓的咬合使刀具和被加

6、工材料的成分結構發(fā)生改變，使刀具表層硬度變得脆弱，從而加劇了刀具的磨損。擴散磨損在刀具磨損表面一般表現為相對平整光滑的磨損面，影響擴散磨損的主要原因有：切削溫度、刀具材料的化學成分和刀屑間的相對運動速度。周圍介質化學作用引起的磨損。當刀削溫度達700800時，空氣中的氧便與硬質合金中的鈷及碳化鎢、碳化鈦等發(fā)生氧化作用，產生較軟的氧化物(如Co304、C00、W03、Ti02等)被切屑或工件擦掉而形成磨損。氧化磨損與氧化膜的粘附強度有關，粘附強度越低，則磨損越快；反之則可減輕這種磨損。一般，空氣不易進入刀屑接觸區(qū)，氧化磨損最容易在主副刀削刃的工作邊界處形成。研究表明，硬質合金刀具在保護氣體下進行

7、切削時的壽命明顯高于在空氣中切削的壽命。另外切削液中的某些成分（如極壓添加劑硫、氯等）也會與刀具材料間發(fā)生物理化學反應，從而降低刀具的耐磨性。2.3試驗過程中刀具的磨損形式進行調制45鋼切削時，由于工件材料綜合機械性能優(yōu)良，在切削過程中切屑卷曲穩(wěn)定，刀片切削輕快，刀片切削照片如下所示：圖中刀片切削調制45鋼過程中火星較多，說明切削過程中刀片與工件、切屑間的摩擦嚴重。從試驗中刀片磨損形貌可以看出刀片前、后刀面的磨損主要以磨粒磨損、涂層脫落為主，以擴散磨損和氧化磨損為輔。這主要是因為工件材料力學性能好，高溫下抗拉強度和硬度較低，切削過程中切屑易被分離，不粘刀，故散熱狀態(tài)好，但是較高的切削參數下（V

8、c=220m/min，f=0.2mm/r，ap=2mm）刀片切削過程中又會承受較大的切削力，刀片在巨大的壓力作用下與切屑、工件劇烈摩擦，產生大量的火花，造成刀具的磨粒磨損和涂層的脫落。1Cr18Ni9Ti為奧氏體不銹鋼，與45鋼相比，其相對切削性為0.4，是一種難切削材料。如下圖為切削不銹鋼9分鐘后的刀片照片：從圖中可以看出刀片切削過程中主要以邊界磨損(A區(qū))、粘結磨損(B區(qū))、磨粒磨損(C區(qū))為主。由于1Cr18Ni9Ti不銹鋼加工過程中加工硬化現象嚴重，其硬化層的深度可達切削深度的1/3甚至更大，而硬化層的硬度比原來的提高1.4-2.2倍，且切削時由于工件表面半徑大，故速度高，因此造成了刀

9、片的邊界磨損。由于不銹鋼高溫強度和硬度很好，因此切削過程中材料塑性大，晶格扭曲嚴重，切屑不易被分離，故切削力大。同時由于其延伸率、斷面收縮率和沖擊值都較高，切屑不易被切離、卷曲和折斷，切屑變形所消耗的功增多，且不銹鋼的導熱系數低，使得大部分消耗的熱量轉化為熱能而使切削溫度升高。不銹鋼與金屬材料間的親和性是影響其切削加工性的另一個因素， 不銹鋼和其他金屬接觸時，在一定的溫度和壓力下就會產生粘結現象。綜上所述，高溫、高壓下，刀具和切屑間產生粘結和擴散，使刀具產生粘結磨損和擴散磨損。切削過程中由于工件材料加工硬化和刀具磨損嚴重，產生大量的微細碳化物顆粒，在切削過程中進入到刀屑，刀工接觸面而造成磨粒磨

10、損。3、切削熱的問題3.1切削熱的來源切削熱和由它產生的切削溫度時影響金屬切削過程的又一重要物理現象，切削時為克服切削力所消耗的能量有97%99%轉化為熱量，大量的熱能使切削區(qū)的溫度升高，直接影響刀具的磨損和使用壽命，并影響工件的加工精度和表面質量。切削過程中，剪切變形功和動量改變所消耗的功大部分將變?yōu)榛咀冃螀^(qū)（剪切變形區(qū)或第一變形區(qū)）的熱量，一小部分能量則形成兩個新生表面的表面能以內能形式儲存與加工表面和切屑中。前、后刀面的摩擦功全部將變?yōu)榈诙?、三變形區(qū)的熱量。因此，切削熱的來源是剪切區(qū)域材料變形所做的功和前、后刀面所做的摩擦功，如下圖所示。在刀/屑接觸區(qū)（第二變形區(qū)），當切屑沿刀具前刀面

11、流出時，受到前刀面的擠壓和摩擦，進一步加劇了變形，切屑底層的摩擦、變形趨于纖維化，流動速度減慢，由摩擦而產生的熱量使切屑/刀具接觸面的溫度升高，形成刀/屑接觸區(qū)溫度場。這與刀具/切屑之間的摩擦系數、摩擦性質、導熱系數、刀具磨損程度以及冷卻潤滑等因素有關。切削熱分布的估算如下：(1)大約80的熱量是切屑變形產生的。(2)18是產生在切屑和刀具的接觸面上(第二剪切區(qū))。(3)2產生在刀刃上。在高速切削情況下，產生的熱量有三種耗散渠道：(1)大約95以上由切屑帶走。(2)2留在工件上。(3)3由刀具散熱。3.2切削熱的影響因素切削溫度一般是指前刀面上刀屑接觸區(qū)的平均溫度，切削過程中影響切削熱和切削溫

12、度的主要因素通常有以下幾個：(1)切削用量的影響首先是切削速度v，切削速度提高則摩擦熱生成的時間短，而切屑底層產生的切削熱向切屑和刀具內部傳導都需要一定的時間，此時，摩擦熱來不及向切屑和刀具內部傳導，而是大量積聚在切屑底層，從而使切削溫度升高。另外，提高切削速度，單位時間內的金屬切除量成比例地增多，消耗的功增大了，所以切削熱也會增加。但隨著切削速度的提高剪切角痧增大，塑性變形減小，使單位切削力也隨之減小，切屑帶走的熱量增大，故溫度上升比較緩慢。因此，切削熱和切削溫度與切削速度不是成比例地增加。其次是進給量廠，進給量增加，單位時間內金屬切削量成比例增大，導致切削過程中產生的切削熱也增多，使切削溫

13、度上升。但由于增加進給量使變形系數毛減小，故單位體積切削量的切削功下降，切除單位體積金屬產生的熱量也減小，所以切削溫度隨進給量增大而升高的幅度沒有切削速度那樣明顯。此外，當進給量增大后，切屑變厚，切屑的熱容量增大，由切屑帶走的熱量也增多，故切削區(qū)的平均溫度上升不明顯。最后是切削深度a，切削深度增加使得切削區(qū)產生的熱量雖然成比例地增多，但因切削刃參加切削工作的長度也成比例地增長，改善了散熱條件，所以切削溫度的升高并不明顯。(2)刀具幾何參數的影響前角0對切削溫度的影響最大，它直接影響切削過程中的變形和摩擦。前角大，產生的切削熱少，切削溫度低；前角小則切削溫度高。主偏角恕的影響是隨著主偏角的增大切

14、削溫度升高。(3)刀具磨損對切削溫度的影響刀具磨損后切削刃變鈍，刃區(qū)前方的擠壓作用增大，使切削區(qū)金屬的塑性變形增加；同時，磨損后的刀具后角變成零度，使工件與后刀面的摩擦增大，兩者均使產生的切削熱增多。所以，刀具的磨損是影響切削溫度的重要因素。(4)工件材料的影響工件材料的強度(包括硬度)和導熱系數對切削溫度的影響是很大的。單位切削力是影響切削溫度的重要因素，而工件材料的強度直接決定了單位切削力，所以工件材料強度增大時產生的切削熱增多，切削溫度升高。工件的導熱系數則直接影響切削熱的導出。(5)切削液的影響切削液對降低切削溫度、減少刀具磨損和提高已加工表面質量有明顯的效果。流量充沛與否對切削溫度的

15、影響很大，切削液本身的溫度愈低降低切削溫度的效果就愈明顯。3.3切削溫度的理論研究刀具切削部分的各點溫度是不相同的，但是由于測量各點溫度比較困難，通常只測量平均溫度，所以切削溫度一般指前刀面和切屑接觸區(qū)的平均溫度。前刀面上刀屑接觸區(qū)的平均溫度可以看成是切削面的平均溫度與刀屑接觸面上摩擦溫度之和。因此要推算前刀面上平均溫度，就必須知道剪切面的平均溫度。切削溫度的理論推算方法有很多種，美國的學者M.C.shaw推導出了剪切面的平均溫度公式和前刀面上刀屑接觸區(qū)的平均溫度公式；俄羅斯的學者格蘭諾夫斯基、馬爾金等人運用導熱率方程推導出金屬切削過程中刀片后刀面上的溫度公式，并運用導熱率微分方程推導出切屑主

16、界面內溫度場的分布函數。目前關于有限元方法在確定刀具的熱負載、精確計算刀具的溫度場分布以及變化過程中應用越來越廣泛。它的思路是把切削加工區(qū)劃分為若干單元，每一個單元的熱源由第一變形區(qū)和第二變形區(qū)提供，利用第一、二及第三類邊界條件的能量平衡方程組，結合每個單元的節(jié)點建立的線性方程組求解就可得到溫度場。4、切削熱與刀具磨損的關系切削溫度和切削熱是金屬切削過程中重要的物理現象之一，切削過程中所消耗的能量在轉化成的總熱能中，除去極少量的以熱輻射形式發(fā)散以外，其余均用于加熱切屑、工件以及刀具。顯然金屬切削中的許多經濟和技術問題大都直接或間接地由切削熱所引起，它影響刀具的磨損及耐用度，影響工件的加工精度和

17、已加工表面的質量。同時在很大程度上決定金屬切削加工的成本。4.1切削熱有利的一面切削熱對切削加工有一定的幫助。切削過程中較高的切削溫度會降低工件材料的抗拉強度、剪切強度和硬度，利于切屑切離、卷曲和折斷，且可降低切削力，減輕切削振動，提高加工質量和加工效率。因此人們提出了加熱切削方法，加工前和加工過程中對被切削材料進行加熱，使材料局部受熱軟化以改善材料的加工性能，因而提高金屬切除率，改善加工表面的粗糙度，并延長刀具的壽命。目前，加熱切削可以廣泛的應用于：(1)實現難加工材料的切削加工，并提高切削質量，這是主要的應用領域； (2)對于低碳鋼、純金屬等材料的切削，可以改善加工表面粗糙度； (3)對于

18、常用金屬材料，如45鋼的切削，因為切削力降低，可節(jié)省能源消耗； (4)可有效解決機修工業(yè)中高硬度堆焊層的難切削問題； (5)在航宇工業(yè)等尖端科學的制造技術研究工作中有獨特的作用。4.2切削熱的弊端切削溫度是刀具磨損的主要影響因素，具體表現為：(1)高切削溫度使得氣體介質與刀具材料、涂層材料和被加工材料間發(fā)生化學反應。相關資料表明刀具材料WC的明顯氧化起始溫度為400，氧化完全溫度為500，最終氧化產物為WO3和CO2, 氧；Co粉的明顯氧化起始溫度為300，氧化完全溫度為500，最終氧化產物為CO3O4和CO2,主要的化學反應有：WC+O2=WO2+CO22WC+5O2=2WO3+2CO22C

19、o+O2=2CoO3Co+2O2=Co3O4由于生成產物的強度比刀具原有成分低，在高溫高壓下長時間切削容易造成刀具的磨損和塑性變形。在切削過程中工件材料也會發(fā)生化學反應，如工件中的鈦能夠吸收大量的O，N和水蒸氣，鋁則能夠與空氣中的氧氣發(fā)生反應，主要的化學反應有：2Ti+O2=2TiOTi+O2=TiO28Ti+3N2=2Ti4N3Ti+H2O=TiO+H2Ti+H2=TiH24Al+3O2+2Al2O3工件材料的各種化學反應會造成工件表面的氫化、氧化硬皮等，加劇刀具的磨損，同時氧化反應產物的硬度較高，伴隨著粘著物的脫落和切屑的流出，這些氧化產物將作為硬質點導致刀具的磨粒磨損。部分常用涂層材料的

20、抗氧化溫度如下表所示：當涂層材料達到其最高的抗氧化溫度時，無法繼續(xù)保證其化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，會發(fā)生分解或氧化反應，導致涂層結構破壞，消弱涂層的保護屏障作用，加速刀具的磨損。(2) 切削區(qū)復雜邊界條件下熱應力的分布與變化，會降低刀具基體及涂層材料的硬度而使之軟化，造成刀具強度下降，加速刀具磨損，嚴重時還會導致刀尖的塑性變形。統(tǒng)計資料表明，金屬切削刀具特別是硬質合金刀具的30%50%都是由于刀具強度的破壞引起的失效。(3) 擴散磨損在高溫下產生。切削金屬時，切屑、工件與刀具接觸過程中，雙方的化學元素在固態(tài)下相互擴散，改變了原來材料的成分與結構，使刀具材料變得脆弱，從而加劇了刀具的磨損。例如硬質合金切鋼時，從800開始，硬質合金中的化學元素迅速地擴散到切屑、工件中去，WC分解為W和C后擴散到鋼中。因切屑、工件都在高速運動，刀具表面和它們的表面在接觸區(qū)保持著擴散元素的濃度梯度，從而使擴散現象持續(xù)進行。于是，硬質合金表面發(fā)生貧碳、貧鎢現象。粘結相Co減少，又使硬質合金中硬質相(WC，