金属切削原理 第二版 华中科技大学 陈日曜主编 第109-168页word版

是高速切削时的温度太高时，刀具磨损本质将发生变化，这样求出的 m 和 C0数值误差较大。同时工件材料内、外性质可能不均，也会影 响试验结果。 也可利用生产现场，一面进行实际的切削加工，一面根据所得的 数据逐次修正切削条件，以逐步接近合理切削条件。与此同时，求得 刀具耐用度公式8。还可用间接的指标，如加工表面粗糙度、切削力与切削温度的 大小等来衡量刀具耐用度。这些方法用来对比试验不同刀具几何参数 的合理性、不同切削液的效果以及不同工件材料的可加工性等是比较 方便的。第五节 合理耐用度的选用原则如前所述，切削用量与刀具耐用度有密切关系。在制定切削用量 时，应首先选择合理的刀具耐用度，而合理的刀具耐用度则应根据优 化的目标而定。一般分最高生产率耐用度和最低成本耐用度两种，前 者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。一一、最高生产率耐用度最高生产率耐用度 最高生产率耐用度是以单位时间生产最多数量产品或加工每个零 件所消耗的生产时间为最少来衡量的。一 单件工序的工时tw为（6-m wmctottttttT7） 式中 tm工序的切削时间（切削时间） ；tct换刀一次所消耗的时间；T刀具耐用度；tm/T换刀次数；tot除换刀时间外的其他辅助工时。因为（6-m3t10ww w p wpld l n a fva f8） 式中 dw车削前的毛坯直径（mm） ；Lw工件切削部分长度（mm） ；加工余量（mm） ；nw工件转速（r/min） 。将式（ 6-2） 代人式（ 6-8） 可得（ 6-m3t10mw w p od lTC fa9） 因为 及 ap均已选定，故上式除Tm外，均为常数，设为 A，即有（6-m mt =AT10） 将上式代人式（6-7）中：（ 6-1 wotttmm ctATt AT11） 要使单件工时最小，可令dw/dT=0,即12(1)0mmw ctdtmATtmATdT故（ 6-tp1-mT=Tmct（）12） 此 Tp即为最高生产率耐用度。 二、最低成本耐用度（经济耐用度）二、最低成本耐用度（经济耐用度） 最低成本耐用度是以每件产品（或工序）的加工费用最低为原则 来制定的。每个工件的工序成本C 为（ 6-C=mm mcttotttt MtMCt MTT13） 式中 M该工序单位时间内所分担的全厂开支； Ct磨刀成本（刀具成本）。 令 dC/dT=0，即得最低成本的耐用度为（ 6-t cC1-mT=+=TmMctt（）14） 比较式（ 6-12）与式（ 6-14）可知，最高生产率耐用度：Tp比 最低成本耐用度Tc要低一些。一般情况下，多采用最低成本耐用度； 只有当生产任务紧迫或生产中出现不平衡的薄弱环节时，才选用最高 生产率耐用度。 综合分析上述两式和各种具体情况，选择刀具耐用度时，可考虑 如下几点： (1)根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具耐用度，应选得比单刃刀具高些。例如普通机床用的高速钢 车刀和硬质合金焊接车刀的耐用度取 为 60mm； 齿轮刀具的耐用 度则取为200400min。 (2)对于机夹可转位车刀和陶瓷刀具，由于换刀时间短，为了 充分发挥其切削性能，提高生产效率，耐用度可选得低些，一般取1530min。(3)对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组 合机 床与自动化加工刀具，耐用度 应选得高些，特别应保证刀具可靠 性。 (4)车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率提高时， 该工序的刀具耐用度要选得低些；当某工序单位时间内所分担 到的全厂开支M 较大时，刀具耐用度也应选得低些。 (5)大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中 途换刀，刀具耐用度应按零件精度和表面粗糙度来确定。 此外，在柔性加工时，要保证刀具的可靠性和刀具材料切削性能 的可预测性，应根据多 目标优化后的综合经济效果来选定刀具耐用 度。第六节 刀具的磨损刀具破损和磨损一样，也是刀具主要损坏形式之一。特别是在用 脆性大的刀具材料制成 的刀具进行断续切削，或者加工高硬度材料 等的 情况下，刀具的脆性破损就更加严重，据统计，硬质合金刀 具约有50%60%的损坏是脆性破损。陶瓷刀具的破损比例更髙。所以 对 刀具破损必须予以足够重视。脆性的新刀具材料应该试验其抗破损 的切削性能。 刀具的破损有早期和后期（加工到一定时间后的损坏）两种。早 期破损是切削刚开始或短时间切削后即发生的破损（一般是刀具切削 时的冲击次数小于或近于103次14） 。这时，前、后刀面尚未产生明显的磨损（一般VB0.1mm） 。用脆性大的刀具材料切削高硬度材 料或者断续切削时，最常出现这种破损。后期破损是加工一定时间后， 刀具材料因疲劳而引起的破损。 一、刀具脆性破损的形态一、刀具脆性破损的形态 硬质合金和陶瓷刀具在切削时，在机械和热冲击作用下，经常发 生以下几种形态的破损：1. 崩刃在切削刃上产生小的缺口。一 般缺口尺寸与进给量相 当或者稍大一些，刀刃还能继续进行切削。陶瓷刀具切削时，最常发 生这种崩刃，而且是早期发生的一种破损。硬质合金刀具断续切削时， 也常出现崩刃现象。图6-20a 的右图表示出了主切削刃上有几个小缺 口。 2. 碎断在切削刃上发生小块碎裂或大块断裂，不能继续正常切削。 前者如图6-20b 所示，刀尖与主切削刃处发生小块碎裂破损，一般还 可以重磨修复再使用，硬质合金和陶瓷刀具断续切削时常常出现这种 早期破损；后者如图6-20c 所示，刀尖处发生大块断裂，不可能再重 磨使用，多数是断续切削较长时间后，没有及时换刀，因刀具材料疲 劳而造成断裂，少数是刚开始切削即发生这种破损。 3. 剥落在前、后刀面上几乎平行于切削刃而剥下一层碎片，经常 连切削刃一起剥落， 有时也在离切削刃一小段距离处剥落，根据刀 面上受冲击位置不同而变化。这多数是发生在断续切削时的一种早期 破损现象。陶瓷刀具端铣时最常见到这种破损（图6-21）18。硬质合金低速断续切削时也发生这种现象，尤其是当刀具有切屑粘结在 前刀面上再切入时，或者因积屑瘤脱落而剥去一层碎片，都会造成这 种破损。如剥层较厚，就难于重磨再继续使用。4.裂纹破损在较长时间断续切削后，由于疲劳而引起裂纹的一种破 损。有因热冲击而引起的垂直于或倾斜于切削刃的热裂纹；也有因机 械冲击而发生的平行于切削刃或成网状的机械疲劳裂纹。当这些裂纹 不断扩展合并，就会引起切削刃的碎裂或断裂。 二、刀具的塑形磨损二、刀具的塑形磨损 切削时，由于高温和高压的作用，有时在前、后刀面和切屑（工件） 的接触层上，刀具表层材料发生塑性流动而丧失切削能力。这就是刀 具的塑性破损。 根据刀具材料性质不同，刀具塑性破损的切削条件各不相同。例如 碳素工具钢刀具加工普通钢（切削厚度ac=0.30.4mm）时，其破 损条件为：切削速度=1015m/min，此时切削温度达300。 在 同上述切削厚度下，高速钢刀具的塑性破损条件为=3560m/min，温度达700；硬质合金刀具为=350500m/min，温度达11001200或更高。车削耐热钢时，由于应力大，导热性差，在更低的切削用量下，就可能发生塑性破损。 图 6-22 为高速钢刀具加工10 钢时，刀具因塑性变形而破损的情 况。刀具的前、后刀面材料发生塑性流动，后刀面塑性流动层厚度达4060/µm。因为在大的切削用量下（=165m/min， =0.4mm/r， ap=1.5mm） ， 触层的温度很高，接触 层的工件材料变形速度很大，使其屈服强度提高很多，但刀具接触层 材料变形速度却很低，其屈服强度因高温作用有所降低。因此，作用 在刀具上的力就引起表面层塑性变形而使之丧失切削能力。图 6-23 为 YG 硬质合金刀具加热（1200°C） 切削钛时，刀具因塑性变 形而塌陷的情况。刀具因塑性变形而造成破损的过程如图6-24 所示。开始时， 切削刃由于强度较弱，首先变得圆钝。随后，后刀面接触层塑性流动， 致使实际后角变化，有些部分的后角几乎变成零，后刀面接触面积增 加；刀具材料继续向后刀面流动，有的就被工件的加工表面带走。前 刀面上也发生相同的塑性破损现象。刀具塑性破损直接与刀具材料和工件材料的硬度比有关。硬度比 越高，越不容易发生塑 性破损。硬质合金刀具的高温硬度高，一 般不容易发生这种破损，而高速钢刀具因其耐热性较低，就常出现这 种现象。 三、刀具脆性破损的原因三、刀具脆性破损的原因 在生产实际中，工件表面层无论其几何形状还是材料的物理、力 学性能，都远不是规则和均勻的。例如毛坯几何形状不规矩，加工余 量不均匀，表面硬度不均勻，以及工件表面有沟、槽、孔等，所有这 一切就使切削加工或多或少地总带有断续切削的性质。还有一些加工 方法，如铣削、刨削等，更是属于断续切削。在断续切削条件下，伴 随着强烈的机械和热冲击，再加上硬质合金和陶瓷刀具等硬度高、脆 性大，是粉末烧结材料，组织可能不均匀，而且可能分布有众多的缺 陷和空隙，因此，很容易引起刀具破损，特别是早期破损更为常见。 破损的主要原因是冲击、机械疲劳和热疲劳16。早期破损是在后刀面尚未产生显著磨损时就发生的破损。此时切削刃承受的切削循环 次数还很少，机械疲劳和热疲劳不是主要矛盾，因此，引起早期破损 的主要原因是冲击载荷造成的应力超过了刀具材料的强度18。刀具破损是典型的随机现象。前面已经提到，硬质合金和陶瓷刀 具等材料为粉末烧结而成，内部含有随机分布的微观缺陷和夹杂物。 而且断续切削时受载状态极其复杂，在不同的切削条件下，刀具可能 因不断受到大小和位置不同的冲击载荷的作用而损坏。因此，对于刀 具破损，如果单纯从理论上由数学和力学方法加以简化，推导发生破 损的条件，与实际有较大的出人。但可以对机械和热冲击在刀片 （刀具的切削部分）内产生的应力状态做一定的分析计算，以说明刀 具发生破损的一些原因。 1.机械应力切削时，在机械载荷作用下，刀片内引起很大的应力。 应力的大小可用弹性力学的应力函数法、有限元法或光弹性实验法来 求解。图6-25 为用光弹法得出的刀头内应力分布情况。可以看到： 正前角时（图6-25a）有拉、压两个应力区。在前刀面一定区域内受 拉应力，而后刀面区受压应力。在前刀面上离刀刃22.5 倍的 刀一屑接触长度附近，拉应力最大。如果拉应力超过材料的抗拉强度， 就会在拉应力区内刀具材料最弱的地方首先发生裂纹或者立即破损。 如果减小前角甚至采用负前角，则拉应力区缩小或者全部成为压应力 区（图6-25b） 。所以较小的前角或负前角（后角一定时，即大的楔角） 能提高刀具 的抗破损能力。当然，如压应力太大，超过刀具材料的 抗压强度，也会发生破损。 在切削用量中，切削速度和切削厚度（进给董）对刀片内应力状 态都有影响，其中切削厚度ac的影响比切削速度大。ac小时，冲 击载荷小，同时集中作用在切削刃附近，刀一屑接触长度短，主要是 压应力。随着ac增加，冲击载荷加大，刀一屑接触长度大，拉应力 区 和拉应力值加大，如图6-26 所示。同时因ac大，进给速度加 快，单位时间的冲击能量增加，所以容易发生破损。对一定的刀具和 工件材料，都有一个脆性破损的临界切削厚度acmax值，它主要决 定于刀具材料抗弯强度的大小。一般髙速钢刀具的acmax最大，可为硬质合金刀具的3 倍，为陶瓷刀具的810 倍，为金刚石刀具 的 20 倍。但应该注意，刀具材料的冲击韧性和抗弯强度都是静态测试 条件下获得的强度指标，其测试条件与切削过程中的实际载荷性质有 很大的不同。因此，刀具材料的静态强度指标往往与实际的抗破损能 力不能完全相符16。刀具的破损与断续切削时的切人和切出条件有关。在切出工件时， 比在切人工件时有较大的脆性断裂倾向性15。例如端铣淬硬钢时，以对称铣削最好，偏距不大的逆铣也较好，而顺铣最容易发生早期破 损，陶瓷刀具更加严重14。断续切削时，刀具受交变载