数控车削刀具损伤的原因及预防对策研究
2015-01-20张圣政
张圣政
摘 要：根据数控车床加工过程中车刀损伤的表现形式，分析了造成车刀损伤的各种因素。同时，结合几种典型的刀具磨损形态，探讨了造成刀具磨损的主要原因，并阐述了数控车削中硬质合金刀具损伤的原因及预防对策。
关键词：数控车削刀具；磨损；裂纹；硬质合金
中图分类号：TG519.1 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）24-0069-02
在数控车削过程中，刀具损伤会影响零件的加工精度、质量和效率，严重时还会产生切削振动，导致机床和工件损伤。因此，分析刀具损伤的原因，并采取相应的解决措施，有助于降低生产成本，提高零件的加工质量和效率。
鉴于目前硬质合金刀具在数控车床上的广泛应用，笔者就车削刀具损伤的原因及预防对策展开了详细的讨论。
1 车削刀具损伤的形式和种类
1.1 损伤的形式
车削刀具损伤的形式主要是磨损和破损。正常磨损为前刀面磨损、后刀面磨损和前后刀面同时磨损，对应的示意图分别如图1、图2和图3所示。
1.2 损伤的种类
车削刀具损伤的种类如图4所示。
2 刀具磨损的因素
刀具磨损的因素主要有刀具材料、被切削材料、刀具几何角度、刀具刃口强化、切削加工条件、切削液、加工环境、机床的性能和操作人员的技能水平。
3 刀具切削刃损伤的分类、形态和机理
硬质合金刀具切削刃损伤的分类、形态和机理详见表1.
4 刀具损伤的原因及解决对策
4.1 切削刃迅速发生微小崩刃
原因1：刀片材料选择不当（过硬）。对策：改用韧性高的材料。
原因2：断续切割削表面状态不良（凹凸不平，硬物较多），冲击增大。对策：①对刃口倒棱。对已倒棱过的刀刃增加倒棱量，角棱改复合倒棱（对陶瓷刀片特别有效）；②减少车刀的切入角（切深与刀尖半径相近时，增加刀尖半径）。
原因3：进给速度过快（刀片的断屑槽型或尺寸与进给不符）。对策：①减少进给，提高切削速度；②适当增加断屑槽的宽度。
原因4：积屑瘤粘连脱落现象过于频繁。对策：①倒棱，以增加刀刃强度；②避免60 m/min以下的低速切削，将切削速度控制在120～150 m/min；③在韧性允许的范围内，改用含TiC多的材种或陶瓷材种；④使用不易生成积屑瘤的切削液（特别是在低速切削的场合）。
原因5：切削液热冲击大。对策：①避免使用水溶性切削液；②干式切削采用吹气冷却或喷雾冷却方式。
原因6：刀片在刀杆上的支撑刚性不够。对策：①刀杆与刀片的结合不可靠（检查不良垫片或刀杆接触部变形或损伤等），逐点检查螺栓是否有磨损或损伤；②将刀杆的悬伸量控制在刀杆厚度的2倍以下（一般刀杆悬伸量在刀杆厚度的1.5倍以下），确保安装面与刀片接触严密，正确拧紧螺丝。
原因7：工件刚性不足。对策：①细长工件使用跟刀架；②长工件的热膨胀对顶尖的挤压过大，应作适当调整。
4.2 刀具破裂、破损严重
原因1：产生上述微小崩刃的扩大版。对策：同上述崩刃对策。
原因2：刀片过小（过薄或安装面太小，不稳定）。对策：增大刀片及刀杆的尺寸。
原因3：热龟裂剧烈（特别是在钢的大进给断续切削时）。对策：①将刀具材种变为M20～M30的耐热裂纹材料；②切削条件向降低急冷、急热温差的方向改变，以减少反复热冲击。
原因4：刀具和工作的夹持稳定度不够。对策：①可采用有2个固定螺钉的刀杆，且先拧靠刀刃前方的一个，以防刀尖上翘；②清理刀杆上螺钉安装面痕处的毛刺；③检查顶尖挤压力是否过大或过小，并作相应调整。
原因5：刀刃切入工件中时将机床暂停。对策：①机床功率不足或停电（过载跳闸）时，先停止进给，然后再停止主轴旋转；②如果在切入状态下停车，应松开压紧螺钉抽出刀具，不能硬撬。
原因6：磨损过度，超过换刀时间仍在使用。对策：在终期磨损阶段到来之前，即达到正常磨损的80%左右时更换刀片。
原因7：操作中车刀坠落或同时抓握几根刀杆使切削刃相互碰撞。对策：与高速钢不同，应作为常识牢记。
4.3 前刀面月牙洼磨损发展迅速
原因1：刀片材料选择不当。对策：改用切屑亲和性小、耐月牙洼磨损性高的材种，比如金属陶瓷、涂层。
原因2：切削速度和进给速度过高。对策：降低切削速度或进给速度。
原因3：刃形或工作材质本身使切屑的剪切角太小。对策：①增大剪切角；②选择切屑折弯程度较小的断屑槽。
4.4 后刀面磨损发展迅速
原因1：刀具材料选择太软（或过黏）。对策：改用更硬（降低韧性）的刀具材料。
原因2：对于使用的刀具材料来说，切削速度过快或切削面积太大（刀尖温度上升过快）。对策：①降低切削速度；②刀具材种变化与上一项相同。
原因3：刃口前角和刀尖圆角过小（切削刃热容量太小，导致温度上升过快而软化）。对策：①增大前角或加宽刀刃倒棱；②增大刀尖圆角。
原因4：进给速度过小（相同工件纵向长度上刀刃进行切削的距离太长）。对策：提高进给速度（调整刀尖圆角，以保证表面的粗糙度）。
原因5：切削刃磨制的粗糙度太大（磨落的刃口颗粒自砺严重）。对策：使用微细粒度的金刚石砂轮仔细精磨（通常最高位为#800～#1 000）。
4.5 积屑瘤附着加剧脱落
原因1：刀具材料的抗粘连性不稳定。对策：与减小月牙洼磨损对策中的材种变更方法相同。
原因2：切削条件选择不当，正好在积屑瘤易产生的低速范围内。对策：与减小崩刃对策中的减少积屑瘤对策相同。
4.6 刀尖圆角产生塑性变形
原因：在高速大进给切削时，高温软化状态带来冲击性压缩。对策：①提高刀片材料的硬度（减少钴的百分比）；②改用耐热、冲击性能高的刀具材种；③降低切削速度和进给速度；④在不加剧热龟裂的前提下使用切削液降温。
4.7 表面光洁度不良
原因1：进给过大。对策：①减少进给；②增大刀尖圆角半径。
原因2：进给过小。对策：保证最小进给在0.05 mm/r以上，并选择适当的刃形和切削条件，使切削不产生蹭擦（滑动）。
原因3：积屑瘤的不良影响。对策：可参照4.5.
4.8 切削过长导致各种问题
原因1：断屑槽型选择不当。对策：①减小断屑槽或倒棱的宽度；②在浅切深、低进给时选用该用途中效果最好的断屑槽。
原因2：切削速度过快。对策：降低切削速度。
原因3：进给过小。对策：提高进给，增加切削厚度。
原因4：切入角过小或切削太薄使切削折断。对策：①增大切入角；②在浅切深时选择适当的刀尖圆角。
原因5：刀具的刀尖圆角过大。对策：减小刀尖圆角。
原因6：切削太滑溜。对策：①使用切削液，以降低切削的滑溜程度；②间歇进给、振动刀具，以改变切削的剪断面。
4.9 切削短飞散
原因1：断屑槽型选择不当。对策：①选择断屑槽宽的刀片；②降低进给。
原因2：进给过高、切屑过厚。对策：①降低进给；②减小切入角。
5 结束语
合理选择、正确使用刀具，可提高零件的加工质量和效率，从而获得最大经济效益。刀具的使用寿命不仅取决于刀具本身的质量和生产加工的各个环节，而且与机床的性能、工件夹持的稳定性、加工环境（温度、切削液）、刀片、切削参数等也有一定的关系。
参考文献
[1]王启仲.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2]焦红卫.数控车床刀具损坏的原因及对策研究[J].制造业信息化，2009（11）.
[3]崔乐伟.硬质合金刀具使用分析[J].西部探矿工程，2006（12）.
[4]杨广勇.刀具磨损的原因、形态及减小刀具磨损的措施[J].水利电力机械，1992（6）.
〔编辑：刘晓芳〕
4.6 刀尖圆角产生塑性变形
原因：在高速大进给切削时，高温软化状态带来冲击性压缩。对策：①提高刀片材料的硬度（减少钴的百分比）；②改用耐热、冲击性能高的刀具材种；③降低切削速度和进给速度；④在不加剧热龟裂的前提下使用切削液降温。
4.7 表面光洁度不良
原因1：进给过大。对策：①减少进给；②增大刀尖圆角半径。
原因2：进给过小。对策：保证最小进给在0.05 mm/r以上，并选择适当的刃形和切削条件，使切削不产生蹭擦（滑动）。
原因3：积屑瘤的不良影响。对策：可参照4.5.
4.8 切削过长导致各种问题
原因1：断屑槽型选择不当。对策：①减小断屑槽或倒棱的宽度；②在浅切深、低进给时选用该用途中效果最好的断屑槽。
原因2：切削速度过快。对策：降低切削速度。
原因3：进给过小。对策：提高进给，增加切削厚度。
原因4：切入角过小或切削太薄使切削折断。对策：①增大切入角；②在浅切深时选择适当的刀尖圆角。
原因5：刀具的刀尖圆角过大。对策：减小刀尖圆角。
原因6：切削太滑溜。对策：①使用切削液，以降低切削的滑溜程度；②间歇进给、振动刀具，以改变切削的剪断面。
4.9 切削短飞散
原因1：断屑槽型选择不当。对策：①选择断屑槽宽的刀片；②降低进给。
原因2：进给过高、切屑过厚。对策：①降低进给；②减小切入角。
5 结束语
合理选择、正确使用刀具，可提高零件的加工质量和效率，从而获得最大经济效益。刀具的使用寿命不仅取决于刀具本身的质量和生产加工的各个环节，而且与机床的性能、工件夹持的稳定性、加工环境（温度、切削液）、刀片、切削参数等也有一定的关系。
参考文献
[1]王启仲.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2]焦红卫.数控车床刀具损坏的原因及对策研究[J].制造业信息化，2009（11）.
[3]崔乐伟.硬质合金刀具使用分析[J].西部探矿工程，2006（12）.
[4]杨广勇.刀具磨损的原因、形态及减小刀具磨损的措施[J].水利电力机械，1992（6）.
〔编辑：刘晓芳〕
4.6 刀尖圆角产生塑性变形
原因：在高速大进给切削时，高温软化状态带来冲击性压缩。对策：①提高刀片材料的硬度（减少钴的百分比）；②改用耐热、冲击性能高的刀具材种；③降低切削速度和进给速度；④在不加剧热龟裂的前提下使用切削液降温。
4.7 表面光洁度不良
原因1：进给过大。对策：①减少进给；②增大刀尖圆角半径。
原因2：进给过小。对策：保证最小进给在0.05 mm/r以上，并选择适当的刃形和切削条件，使切削不产生蹭擦（滑动）。
原因3：积屑瘤的不良影响。对策：可参照4.5.
4.8 切削过长导致各种问题
原因1：断屑槽型选择不当。对策：①减小断屑槽或倒棱的宽度；②在浅切深、低进给时选用该用途中效果最好的断屑槽。
原因2：切削速度过快。对策：降低切削速度。
原因3：进给过小。对策：提高进给，增加切削厚度。
原因4：切入角过小或切削太薄使切削折断。对策：①增大切入角；②在浅切深时选择适当的刀尖圆角。
原因5：刀具的刀尖圆角过大。对策：减小刀尖圆角。
原因6：切削太滑溜。对策：①使用切削液，以降低切削的滑溜程度；②间歇进给、振动刀具，以改变切削的剪断面。
4.9 切削短飞散
原因1：断屑槽型选择不当。对策：①选择断屑槽宽的刀片；②降低进给。
原因2：进给过高、切屑过厚。对策：①降低进给；②减小切入角。
5 结束语
合理选择、正确使用刀具，可提高零件的加工质量和效率，从而获得最大经济效益。刀具的使用寿命不仅取决于刀具本身的质量和生产加工的各个环节，而且与机床的性能、工件夹持的稳定性、加工环境（温度、切削液）、刀片、切削参数等也有一定的关系。
参考文献
[1]王启仲.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2]焦红卫.数控车床刀具损坏的原因及对策研究[J].制造业信息化，2009（11）.
[3]崔乐伟.硬质合金刀具使用分析[J].西部探矿工程，2006（12）.
[4]杨广勇.刀具磨损的原因、形态及减小刀具磨损的措施[J].水利电力机械，1992（6）.
〔编辑：刘晓芳〕
