影响刀具磨损的原因分析及改善措施

杨启鹏

在金属切削过程中,刀具在高温条件下,受到工件、切削的摩擦作用,使刀具材料逐渐被磨耗或出现破损。当刀具磨损达到一定程度时,容易引起震动、啸音、切削形态和颜色的改变,加工精度和表面光洁度下降,切削力和动力消耗随之增加。所以研究刀具磨损原因,防止刀具过早、过多磨损以及如何延长刀具使用寿命,这是影响生产效率、加工成本和加工质量的一个重要课题。

刀具磨削时有以下几种磨损机理。

(1)磨粒磨损:在工件材料中存在着碳化物、氧化物和氮化物等硬质点。在铸、锻工件表面上存在着硬的夹杂物和切屑、加工表面上粘着硬的积屑残留片,这些硬质点在切削时如同“磨粒”对刀具表面摩擦和刻划作用致使切削刃刀面磨损。磨粒磨损时一种“机械摩擦”性质磨损,时高速钢磨损的主要原因。

(2)相变磨损:工具钢刀具在较高速度切削时,由于切削温度升高,使刀具材料产生相变,硬度降低,若继续切削,会引起前面塌陷和切削刃卷曲。硬质合金刀具在高温(>900℃)、高压状态下切削也会因产生塑性变形而失去切削性能。因此,相变磨损是一种“塑性变形”破损。

(3)黏结磨损:黏结磨损亦称冷焊磨损。当刀具材料与工件材料产生黏结时,两者长生相对运动对黏结点产生剪切破坏,将刀具材料黏结颗粒带走所致。刀面与工件间产生黏结是由于刀面上存在着微观不平度,并在一定温度条件下,刀具前面黏结着机械瘤刀面硬度降低与工件材料黏结及工件与工具元素间亲和造成的。在高温高压作用下刀具表面层材料性能变化,当工件与刀具产生相对运动时,刀具材料的黏结颗粒被带走而形成了黏结磨损。

(4)扩散磨损:扩散磨损是在高温作用下,使工件与工具材料中合金元素相互扩散置换造成的。如:硬质合金中的钨原子和碳原子向切屑扩散,切屑中铁、碳原子向刀具扩散,从而改变刀具表面材料,减低了刀具的硬度和耐磨性从而造成刀具磨损。

(5)化学磨损:化学磨损是在一定温度下,刀具材料与某些周围介质(如空气中的氧,切削液中的极压添加剂硫、氯等)起化学作用,在刀具表面形成一层硬度较低的化合物,而被切屑带走,加速刀具磨损;或者因为刀具材料被某种介质腐蚀,造成刀具磨损。

由上可知,合理选择刀具材料、刀具几何参数以及切削速度和温度的变化对提高刀具的耐磨性、耐热性和化学稳定性都是至关重要的。

图1为硬质合金刀具在不同温度下各種磨损所占的比例关系。

低速时硬质合金容易碎裂,形成不正常磨损,图中未画出。高速时主要磨损是黏结磨损和扩散磨损。在高速区域,扩散磨损增加很快,黏结磨损仍有相当比例总的磨损随切削速度和温度的增加而增加。在中速区域,在扩散磨损还没有急剧增加以前,假如工件材料的硬度下降而硬质合金的硬度基本没有下降,则黏结磨损会相应减少,于是在总的相对磨损曲线上出现一个最低点。因此,针对不同工件材料和刀具材料,可以通过不同办法改善刀具磨损。

对于铰刀﹑丝锥﹑拉刀等低速切削刀具,使用润滑性能好的切削液可以有效的减少刀具磨损,提高刀具的耐用度。

正确使用和选择切削液对刀具保护是至关重要的。切削液对切削过程影响极大,特别是形状复杂的高速钢刀具(如拉削、齿轮加工、螺纹加工)或切削难加工材料等场合影响更加显著。切削液选择得当可以选择更大的切削用量以提高生产率,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。切削液还可以配合各种添加剂,使刀具更加耐热、抗压以及有防锈的作用。

在刀具表面涂覆一层或多层难容金属碳化物。涂层合金有较好的综合性能,基体强度任性好,表面耐磨、耐高温。常见涂层主要有:TiC和TiN和,AI2O3及其复合材料。刀具的涂层如同一道抗热屏障能阻值切削热传递到刀具基体上,尽可能使热传到切屑中,使刀具在切削过程中保持较冷状态。刀具涂层的高化学稳定性阻止了刀具元素向工件扩散,保持刀具材料硬度,大大减少扩散磨损。涂层的高硬度和高耐磨度也有效地减少了磨粒磨损。对前后刀面起到保护作用。

在用高速钢车削铝合金时,铝合金在高温下易熔化,并粘在刀尖上形成积屑瘤,影响零件的表面粗糙度。但积屑瘤硬度比较高可以保护刀刃,代替刀刃切削,适合于粗加工。而在中低速时,刀具表面不容易形成氧化膜,为了保证加工精度和保护刀具应使用润滑性能好的切削液,主要可以减少刀具表面的黏结磨损。而当切削温度过高时,刀具表面必然要发生扩散磨损和化学磨损时,则应在道具表面加TiC涂层从而提高刀具抗磨损能力。

在机械加工领域,刀具的质量与寿命将直接影响到工件的质量和经济效益,所以研究刀具磨损及改善措施的意义及其重大。各种新技术和新型刀具的研究与研发将会给机械切削领域带来巨大的变革。□ (编辑/穆杨)