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刀具在加工过程中的磨损以及应对策略

文章来源:东莞市天鼎精密工具有限公司人气:4724发表时间:2016-08-20 17:59:57



刀具磨损是切削加工中基本的问题之一。

了解刀具磨损的情况和原因,可以帮助刀具制造商以及用户延长数控刀具寿命。现在的数控刀具都会采用涂层技术(包括采用新的合金元素),这进一步有效的延长了刀具的使用寿命,同时可以显著提高生产率。

 

一、刀具磨损机理介绍

 

  在金属切削加工中,产生的热量和摩擦是能量的表现形式。由很高的表面负荷以及切屑沿刀具前刀面高速滑移而产生的热量和摩擦,使刀具处于一种挑战性的加工环境中。

 

  切削力的大小往往会上下波动,主要取决于不同的加工条件(如工件材料中存在硬质成份,或进行断续切削)。因此,为了在切削高温下保持其强度,要求刀具具有一些基本特性,包括极好的韧性、耐磨性和高硬度。

 

  尽管刀具/工件界面处的切削温度是决定几乎所有刀具材料磨损率的关键要素,但要确定计算切削温度所需的参数值却十分困难。不过,切削试验的测量结果可以为一些经验性的方法奠定基础。

 

 

二、刀具磨损与刀具寿命

 

  刀具磨损通常包括以下几种类型:后刀面磨损;刻划磨损;月牙洼磨损;切削刃磨钝;切削刃崩刃;切削刃裂纹;灾难性失效。

 

  对于刀具寿命,并没有被普遍接受的统一定义,通常取决于不同的工件和刀具材料,以及不同的切削工艺。定量分析刀具寿命终止点的一种方式是设定一个可以接受的大后刀面磨损极限值(用VBVBmax表示)。刀具寿命可用预期刀具寿命的泰勒公式表示,即VcTn=C,该公式的一种更常用的形式为VcTn×Dxfy=C式中,Vc为切削速度;T为刀具寿命;D为切削深度;f为进给率;xy由实验确定;nC是根据实验或已发表的技术资料确定的常数,它们表示刀具材料、工件和进给率的特性。

 

三、改变刀具基体

 

  通过在15μm范围内改变碳化钨的粒度,刀具制造商可以改变硬质合金刀具的基体性能。基体材料的粒度对于切削性能和刀具寿命起着重要作用。粒度越小,刀具的耐磨性越好。反之,粒度越大,刀具的强韧性越好。细颗粒基体主要用于加工航空牌号材料(如钛合金、Inconel合金和其他高温合金)的刀片。

 

  此外,将硬质合金刀具材料的钴含量提高6%-12%,可以获得更好的韧性。因此,可以通过调整钴含量来满足特定切削加工的要求,无论这种要求是韧性还是耐磨性。

 

  刀具基体的性能还可以通过在接近外表面处形成富钴层,或者通过在硬质合金材料中有选择性地添加其他合金元素(如钛、钽、钒、铌等)而获得增强。富钴层可以显着提高切削刃强度,从而提高粗加工和断续切削刀具的性能。

 

 

四、选择正确的涂层

 

涂层也有助于提高刀具的切削性能。目前的涂层技术包括:

 

  氮化钛(TiN)涂层:这是一种通用型PVDCVD涂层,可以提高刀具的硬度和氧化温度。

 

  碳氮化钛(TiCN)涂层:通过在TiN中添加碳元素,提高了涂层的硬度和表面光洁度。

 

  氮铝钛(TiAlN)和氮钛铝(AlTiN)涂层:氧化铝(Al2O3)层与这些涂层的复合应用可以提高高温切削加工的刀具寿命。氧化铝涂层尤其适合干式切削和近干切削。AlTiN涂层的铝含量较高,与钛含量较高的TiAlN涂层相比,具有更高的表面硬度。AlTiN涂层通常用于高速切削加工。

 

  氮化铬(CrN)涂层:这种涂层具有较好的抗粘结性能,是对抗积屑瘤的首选解决方案。

 

  金刚石涂层:金刚石涂层可以显着提高加工非铁族材料刀具的切削性能,非常适合加工石墨、金属基复合材料、高硅铝合金和其他高磨蚀性材料。但金刚石涂层不适合加工钢件,因为它与钢的化学反应会破坏涂层与基体的粘附性能。

 

  

五、切削刃的制备

 

  在许多情况下,刀片切削刃的制备(或称刃口钝化)已成为决定加工成败的分水岭。钝化工艺参数需根据特定的加工要求而定。例如,用于高速精加工钢件的刀片对刃口钝化的要求就与用于粗加工的刀片有所不同。刃口钝化可应用于加工几乎任何类型碳钢或合金钢的刀片,而在加工不锈钢和特殊合金材料的刀片上,其应用则有一定限制。钝化量可以小至0.007mm,也可以大到0.05mm。为了在条件恶劣的加工中起到增强切削刃的作用,还可以通过刃口钝化形成微小的T型棱带。

 

  一般来说,用于连续车削加工以及铣削大部分钢和铸铁的刀片需要进行较大程度的刃口钝化。钝化量取决于硬质合金牌号和涂层类型(CVDPCD涂层)。对于重度断续切削加工刀片,对刃口进行重度钝化或加工出T型棱带已成为一种先决条件。根据不同的涂层类型,钝化量可接近0.05mm

 

  与此相反,由于加工不锈钢和高温合金的刀片容易形成积屑瘤,因此要求切削刃保持锋利,只能进行轻微钝化(可小至0.01mm),甚至还可以定制更小的钝化量。同样,加工铝合金的刀片也要求具有锋利的切削刃。