影響刀具磨損的原因分析及改善措施

楊啟鵬

在金屬切削過(guò)程中,刀具在高溫條件下,受到工件、切削的摩擦作用,使刀具材料逐漸被磨耗或出現(xiàn)破損。當(dāng)?shù)毒吣p達(dá)到一定程度時(shí),容易引起震動(dòng)、嘯音、切削形態(tài)和顏色的改變,加工精度和表面光潔度下降,切削力和動(dòng)力消耗隨之增加。所以研究刀具磨損原因,防止刀具過(guò)早、過(guò)多磨損以及如何延長(zhǎng)刀具使用壽命,這是影響生產(chǎn)效率、加工成本和加工質(zhì)量的一個(gè)重要課題。

刀具磨削時(shí)有以下幾種磨損機(jī)理。

(1)磨粒磨損:在工件材料中存在著碳化物、氧化物和氮化物等硬質(zhì)點(diǎn)。在鑄、鍛工件表面上存在著硬的夾雜物和切屑、加工表面上粘著硬的積屑?xì)埩羝?這些硬質(zhì)點(diǎn)在切削時(shí)如同“磨?！睂?duì)刀具表面摩擦和刻劃作用致使切削刃刀面磨損。磨粒磨損時(shí)一種“機(jī)械摩擦”性質(zhì)磨損,時(shí)高速鋼磨損的主要原因。

(2)相變磨損:工具鋼刀具在較高速度切削時(shí),由于切削溫度升高,使刀具材料產(chǎn)生相變,硬度降低,若繼續(xù)切削,會(huì)引起前面塌陷和切削刃卷曲。硬質(zhì)合金刀具在高溫(>900℃)、高壓狀態(tài)下切削也會(huì)因產(chǎn)生塑性變形而失去切削性能。因此,相變磨損是一種“塑性變形”破損。

(3)黏結(jié)磨損:黏結(jié)磨損亦稱冷焊磨損。當(dāng)?shù)毒卟牧吓c工件材料產(chǎn)生黏結(jié)時(shí),兩者長(zhǎng)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)黏結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生剪切破壞,將刀具材料黏結(jié)顆粒帶走所致。刀面與工件間產(chǎn)生黏結(jié)是由于刀面上存在著微觀不平度,并在一定溫度條件下,刀具前面黏結(jié)著機(jī)械瘤刀面硬度降低與工件材料黏結(jié)及工件與工具元素間親和造成的。在高溫高壓作用下刀具表面層材料性能變化,當(dāng)工件與刀具產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),刀具材料的黏結(jié)顆粒被帶走而形成了黏結(jié)磨損。

(4)擴(kuò)散磨損:擴(kuò)散磨損是在高溫作用下,使工件與工具材料中合金元素相互擴(kuò)散置換造成的。如:硬質(zhì)合金中的鎢原子和碳原子向切屑擴(kuò)散,切屑中鐵、碳原子向刀具擴(kuò)散,從而改變刀具表面材料,減低了刀具的硬度和耐磨性從而造成刀具磨損。

(5)化學(xué)磨損:化學(xué)磨損是在一定溫度下,刀具材料與某些周圍介質(zhì)(如空氣中的氧,切削液中的極壓添加劑硫、氯等)起化學(xué)作用,在刀具表面形成一層硬度較低的化合物,而被切屑帶走,加速刀具磨損;或者因?yàn)榈毒卟牧媳荒撤N介質(zhì)腐蝕,造成刀具磨損。

由上可知,合理選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)以及切削速度和溫度的變化對(duì)提高刀具的耐磨性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性都是至關(guān)重要的。

圖1為硬質(zhì)合金刀具在不同溫度下各種磨損所占的比例關(guān)系。

低速時(shí)硬質(zhì)合金容易碎裂,形成不正常磨損,圖中未畫出。高速時(shí)主要磨損是黏結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。在高速區(qū)域,擴(kuò)散磨損增加很快,黏結(jié)磨損仍有相當(dāng)比例總的磨損隨切削速度和溫度的增加而增加。在中速區(qū)域,在擴(kuò)散磨損還沒(méi)有急劇增加以前,假如工件材料的硬度下降而硬質(zhì)合金的硬度基本沒(méi)有下降,則黏結(jié)磨損會(huì)相應(yīng)減少,于是在總的相對(duì)磨損曲線上出現(xiàn)一個(gè)最低點(diǎn)。因此,針對(duì)不同工件材料和刀具材料,可以通過(guò)不同辦法改善刀具磨損。

對(duì)于鉸刀﹑絲錐﹑拉刀等低速切削刀具,使用潤(rùn)滑性能好的切削液可以有效的減少刀具磨損,提高刀具的耐用度。

正確使用和選擇切削液對(duì)刀具保護(hù)是至關(guān)重要的。切削液對(duì)切削過(guò)程影響極大,特別是形狀復(fù)雜的高速鋼刀具(如拉削、齒輪加工、螺紋加工)或切削難加工材料等場(chǎng)合影響更加顯著。切削液選擇得當(dāng)可以選擇更大的切削用量以提高生產(chǎn)率,可以降低成本,提高刀具的耐用度,降低已加工表面的粗糙度值,提高加工精度降低消耗功率。切削液還可以配合各種添加劑,使刀具更加耐熱、抗壓以及有防銹的作用。

在刀具表面涂覆一層或多層難容金屬碳化物。涂層合金有較好的綜合性能,基體強(qiáng)度任性好,表面耐磨、耐高溫。常見涂層主要有:TiC和TiN和,AI2O3及其復(fù)合材料。刀具的涂層如同一道抗熱屏障能阻值切削熱傳遞到刀具基體上,盡可能使熱傳到切屑中,使刀具在切削過(guò)程中保持較冷狀態(tài)。刀具涂層的高化學(xué)穩(wěn)定性阻止了刀具元素向工件擴(kuò)散,保持刀具材料硬度,大大減少擴(kuò)散磨損。涂層的高硬度和高耐磨度也有效地減少了磨粒磨損。對(duì)前后刀面起到保護(hù)作用。

在用高速鋼車削鋁合金時(shí),鋁合金在高溫下易熔化,并粘在刀尖上形成積屑瘤,影響零件的表面粗糙度。但積屑瘤硬度比較高可以保護(hù)刀刃,代替刀刃切削,適合于粗加工。而在中低速時(shí),刀具表面不容易形成氧化膜,為了保證加工精度和保護(hù)刀具應(yīng)使用潤(rùn)滑性能好的切削液,主要可以減少刀具表面的黏結(jié)磨損。而當(dāng)切削溫度過(guò)高時(shí),刀具表面必然要發(fā)生擴(kuò)散磨損和化學(xué)磨損時(shí),則應(yīng)在道具表面加TiC涂層從而提高刀具抗磨損能力。

在機(jī)械加工領(lǐng)域,刀具的質(zhì)量與壽命將直接影響到工件的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益,所以研究刀具磨損及改善措施的意義及其重大。各種新技術(shù)和新型刀具的研究與研發(fā)將會(huì)給機(jī)械切削領(lǐng)域帶來(lái)巨大的變革?！?(編輯/穆楊)