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20.7刀具耐用度：刀具的磨損和故障
前面的部分中表明刀具受到(a)高的局部應(yīng)力(b)高溫、(c)滑動(dòng)的碎屑順著前面,(d)滑動(dòng)的工具沿著新的切面(請(qǐng)參見(jiàn)章32)的影響，刀具的磨損導(dǎo)致了這些條件,這些條件又反過(guò)來(lái)影響刀具加工表面質(zhì)量和尺寸精度的結(jié)果和切削操作。
刀具磨損通常是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程,就像普通的鉛筆前端的磨損一樣。刀具的磨損率取決于工具和工件材料，工具形狀、切削液、工藝參數(shù)(如切削速度、吃刀量、和切削深度),和機(jī)床刀具的特征。在切削工具上還有兩種基本的磨削區(qū)域?qū)?yīng)在刀具的兩區(qū)域,側(cè)面磨損和月牙洼磨損。
20.7.1側(cè)面磨損
側(cè)面磨損出現(xiàn)在刀具的輪廓面(圖.20.15a和e,又見(jiàn)圖.20.3和后角輪廓面在圖20.10a)通常是因?yàn)椋╝）摩擦的工具沿著加工表面,造成膠粘和/或磨蝕(章節(jié)32.6),(b)高的溫度,影響工具材料的性質(zhì)從而影響工件的表面質(zhì)量。
F.W.taylor、發(fā)表在1907年,一個(gè)經(jīng)典的關(guān)于對(duì)加工鋼近似的關(guān)系的研究
圖20.15(a)側(cè)面和月牙洼處刀具的磨損。刀具移動(dòng)到左邊。(b)觀察車(chē)刀的傾斜面，顯示球頭半徑R和工具的月牙洼前面的磨損的花紋。(c)看車(chē)刀的側(cè)面,顯示平均的磨損程度達(dá)到VB和切削深度線(xiàn)(穿槽)。
又見(jiàn)圖20.18。(d) 月牙洼與(e)硬質(zhì)合金刀具的側(cè)面磨損。
資料來(lái)源:制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,理海大學(xué),由J.C.Keefe.Was建立，V是切削速度，T是切削時(shí)間(在幾分鐘的時(shí)間),就是切削一個(gè)月牙洼和側(cè)面磨損所用的時(shí)間(VB在圖.20.15c)、N是一個(gè)指數(shù)依賴(lài)于工具和工件材料和切削條件,C是恒定的
注意:C是切削速度在T = 1的時(shí)候,因此,每一種組合與刀具材料工件,每個(gè)切削條件都有它自己的N值和C值,這兩種試驗(yàn)所決定的,N所觀察到的范圍值實(shí)際是改善所給的表。
最重要的切削速度的過(guò)程變量的模具耐用度,雖然切削深度和進(jìn)給速率也很重要,但是，Ep。(20.20)可以被替換的
在轉(zhuǎn)彎處D是切削深度和f進(jìn)刀量是(在毫米/啟或歸/啟)。
x軸和y軸所必須確定每個(gè)切削條件試驗(yàn).當(dāng) n = 0.15,x = 0.15,和y = 0.6在實(shí)踐中作為典型值遇到,可以看出,切削速度、進(jìn)給速率和切削深度減小的重要性。
方程(20.21)可以被改寫(xiě)
或者
以下一些方面談些看法可以由式。(20.23)看出的刀具的工作壽命:
如果進(jìn)刀量或切削深度增加時(shí),切削速度要降低,反之亦然
圖20.16顯微組織、硬度的影響刀具工件生命球墨鑄鐵在拐彎處的迅速減少.注解的模具耐用度為切削速度增加.刀具材料已經(jīng)被發(fā)展成為抗高溫、如硬質(zhì)合金、陶瓷、及立方氮化硼,就像第21章所描述的。
2。根據(jù)指數(shù),降低速度會(huì)導(dǎo)致材料變形的增加,因?yàn)樵黾恿诉M(jìn)給速率和/或切削深度。
工具耐用度曲線(xiàn)。工具生命曲線(xiàn)是獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平面圖,進(jìn)行切削試驗(yàn)在各種材料在不同條件下,用不同的工藝參數(shù)(切削速度、進(jìn)刀量、切削深度、工具材料和切削角度、切削液.注解在圖.20.16，例如,（a）切削速度遞增的話(huà)刀具的壽命會(huì)迅速減少,(b)不同的工件材料對(duì)刀具的使用壽命也有較強(qiáng)的影響。注意刀具壽命大的差異,是不同的工件微結(jié)構(gòu)。
熱處理工件在很大程度上是為了增加重要工件的硬度,比如鐵素體有硬度大約100 HB、珠光體200 HB、馬氏體300-500HB(見(jiàn)第4章)。雜質(zhì)和硬的材料或者在工件里面或者在工件表面,如生銹、腐蝕礦渣等。也都是極其重要的,因?yàn)樗麄兊哪ノg作用將減少刀具的壽命。
刀具壽命曲線(xiàn),可以確定的指數(shù)(圖,.20.17),一般都是在標(biāo)準(zhǔn)圖上的對(duì)數(shù)數(shù)據(jù)。這些曲線(xiàn)線(xiàn)性通常是在有限范圍內(nèi)通用的,但少數(shù)是超過(guò)這個(gè)范圍的,而且當(dāng)切削熟讀較低時(shí)，指數(shù)n可以是負(fù)值,所以工作曲線(xiàn)可
圖.20.17刀具生命曲線(xiàn)進(jìn)行各種刀具材料,消極的逆的是這些曲線(xiàn)邊坡指數(shù)n在泰勒的刀具生命曲線(xiàn)方程和C是在T = 1分鐘的切削速度。
表格20.4在不同的刀具情況下的允許磨損區(qū)域的平均值(VB)
能實(shí)際上達(dá)到了最大值,然后曲線(xiàn)向下彎曲。因此當(dāng)切削范圍之外,進(jìn)行高速切削時(shí)，使用刀具壽命方程要謹(jǐn)慎。
因?yàn)闇囟扔绊懖牧系奈锢砹W(xué)性能,我們可以認(rèn)為它對(duì)磨損也有很打的影響.調(diào)查已經(jīng)證實(shí),當(dāng)溫度的升高,側(cè)面磨損迅速增大。
允許磨損的地方。正如我們決定磨削一把刀或一把剪刀時(shí)他們的質(zhì)量開(kāi)始惡化，切削力等要求增加太多,同樣我們想重磨一把刀具或更換刀具的時(shí)候（a）加工工件表面光潔度開(kāi)始惡化,(b)切削力等顯著增加,(c)溫度顯著提高土地(VB,在圖.20.15c)給出了各類(lèi)加工條件下表20.4。為了提高尺寸精度和表面處理,允許磨損的地方可能會(huì)很小就像表中所給的那樣。
推薦的切削速度、高速鋼工具是讓刀具壽命60到120分鐘(硬質(zhì)合金刀具,30至60分鐘)選擇。可是,切削速度差別很大通過(guò)這些值,根據(jù)特定的工件的操作,和高生產(chǎn)率的考慮因此使用現(xiàn)代電腦控制機(jī)床。
最佳切削速度。我們已經(jīng)看過(guò)了,因?yàn)榍邢魉俣仍黾?刀具壽命正在迅速減少,另一方面,如果切削速度低、工具壽命長(zhǎng)但材料的速率拆卸工作也是相當(dāng)?shù)?有一種最優(yōu)切削部分闡述了快的速度,像第24.5章所描述的。
例證:切削速度的影響材料去除
我們可以看到切削速度的影響切除的金屬量之間的余量，通過(guò)分析工具,圖20.16.假定正在加工" a "條件,那是鑄鐵的硬度265HB。
如果切削速度是60米/分鐘,刀具耐用度是40分鐘,那么,工具所達(dá)到的距離是40分鐘×60米/分鐘,是2400m。如果切削速度增加到102米/分鐘,刀具壽命大約5分鐘,因此,工具5min×102米/分鐘=600米。
由于材料的變形和刀具的移動(dòng)距離有直接的關(guān)系,它可以清楚地降低切削速度,我們可以清除更多的物質(zhì)在工具變更.然而,切削速度越低越久,到機(jī)器所需要的時(shí)間就越久,這些部分有著重要的影響,并將進(jìn)一步探討在第24.5章。
例如:增加刀具壽命降低切削速度
利用泰勒的公式(20.20)來(lái)算刀具壽命讓n= 0.5和C = 400,計(jì)算刀具壽命增加的百分比降低50%。
解決方案:既然n = 0.5,我們能夠改寫(xiě)泰勒方程作為VT = 400 .讓 V1是開(kāi)始的速度和V2是減少的速度,我們注意到這個(gè)問(wèn)題V2 = 0.5 V1,因?yàn)镃是一個(gè)常數(shù),我們有關(guān)系
0.5 V1 T2 = V1 T1。
簡(jiǎn)化這個(gè)公式,我們發(fā)現(xiàn)T2 T1 = 1/0.25 =4. 0
這表明刀具壽命改變(T2-T1)/T1 =(T2 / T1) - 1 =4-1 = 3,或它提高300%.the降低切削速度主要導(dǎo)致刀具壽命的延長(zhǎng).注意這些，在這個(gè)問(wèn)題中,C的大小是沒(méi)有規(guī)定的。
20.7.2月牙洼磨損
月牙洼磨損發(fā)生在刀具的側(cè)面(圖.20.15a、b、d、和圖.20.18),并改變與工具接觸面的刀具的角度,甚至影響的切削加工。影響月牙洼磨損的重要因素是（a）工具破
圖20.18 (a)原理插圖的磨損排版上觀察到的各種類(lèi)型的刀具。(b)原理的插圖。災(zāi)難性的工具的研究失敗的的類(lèi)型和機(jī)制刀具的磨損,失敗的發(fā)展是非常重要的.來(lái)源:V.C.Venkatesh。
圖20.19月牙洼磨損率和平均的工具碎屑界面溫度之間的關(guān)系:（a）高速鋼材;(b)C-1碳化物;(三)C-5碳化物.注意速度有多快月牙洼磨損溫度升高.來(lái)源:B.T.Chao和K.J.Trigger。
圖20.20刀具(右)和碎屑(左)接口鋼,切削工具顯示的色差的存在.比較這個(gè)數(shù)字和高溫圖.20.12.來(lái)源:P.K.Wright。
損接觸面的溫度(b)工具和工件之間的化學(xué)關(guān)系。此外，對(duì)側(cè)面磨損有所影響的因素同樣影響月牙洼。
月牙洼磨損描述了擴(kuò)散機(jī)制的條件,原子在工具磨損界面處運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閿U(kuò)散速度隨著溫度的上升、月牙洼磨損隨溫度的升高而升高.注意圖.20.19。月牙洼的環(huán)境在較窄的溫度范圍會(huì)急劇的改變。
當(dāng)我們比較圖20.12和圖20.15a。我們看到最高深的月牙洼磨損的位置(KT)工具磨損界面溫度的最大值的位置是一致的.當(dāng)鋼鐵以高速切削時(shí)橫斷面的接口的實(shí)際情況如圖20.20所示。注意月牙洼的磨損情況的位置和工具經(jīng)過(guò)高溫后的變色圖案。
20.7.3碎屑
碎屑是一項(xiàng)用來(lái)描述從工具脫離的小碎塊的術(shù)語(yǔ),這一現(xiàn)象就像是打破了一支削尖的鉛筆尖,碎裂的碎片從刀具掉落可能非常小,或者他們可能比較大(建筑切削或破裂).并不像是磨損,這是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程、切削導(dǎo)致突然失去的刀具材料與相應(yīng)的改變形狀,并對(duì)工件表面有一個(gè)主要的負(fù)面影響,表面完整性和尺寸精準(zhǔn)的工件。
有兩個(gè)主要原因可以解釋碎屑是機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的(由于間斷性切割,就像在銑削或車(chē)花鍵軸),通常是熱裂紋的垂直于最前沿的工具(圖.20.18a).主要的工件材料組成或其結(jié)構(gòu)還會(huì)帶來(lái)碎屑. 目前碎屑可能發(fā)生的地區(qū)在工具在小裂縫或缺損已經(jīng)存在的地方。
因?yàn)榈毒咔岸诵〉钠驴诮嵌仁沟酶叩恼齼A角更有助也碎屑的產(chǎn)生(如圖.20.3所示)，這就弱化了刀具的前端以及造成了切屑。切屑或斷裂可以由選擇刀具材料與高沖擊和熱阻力有所減少,就如21章所描述的那樣。
20.7.4概述刀具磨損
因?yàn)閰⑴c人數(shù)眾多的因素,包括機(jī)床工具的特點(diǎn)和由特別的供應(yīng)商所制造的工具質(zhì)量,生產(chǎn)各種刀具的磨損的顯著不同。除了磨損過(guò)程之前描述其他現(xiàn)象也有助于刀具的磨損模式(圖20.18)。
例如,由于屈服強(qiáng)度降低，高溫所產(chǎn)生的過(guò)程中產(chǎn)生切割，工具可能軟化并接受塑性變形。這種類(lèi)型的變形通常發(fā)生在加工高強(qiáng)度金屬和合金。因此,工具必須能夠維持他們的強(qiáng)度和硬度中遇到在更高的溫度下切割。
槽或切口的磨損切削工具(圖20.18)是歸因于事實(shí),這是該地區(qū)的碎屑邊界不再接觸的工具。這個(gè)邊界,也被稱(chēng)為深度切削線(xiàn)（DOC）,振蕩時(shí)因?yàn)楣逃械淖兓?并促進(jìn)了切割操作磨損過(guò)程。此外,這一區(qū)域是在加工表面。由于加工表面可能會(huì)顯露出一種薄層,這種硬化加工可能有助于磨損的形成。
因?yàn)樗麄兪怯驳募按植诘?，在工件表面的氧化皮和氧化層的磨損度增加。在那種情況下,切削深度應(yīng)大于氧化膜的厚度或硬化加工層。因此,在圖20.2中的切削深度應(yīng)該大于工件上氧化皮的厚度。換句話(huà)說(shuō),淺切削不應(yīng)該發(fā)生在生銹的工件表面處。