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破損。當刀具磨損達到一定程度時,容易引起震動、嘯音、切削形態和顏色的改變,加工精度和表面光潔度下降,切削力和動力消耗隨之增加。所以研究刀具磨損原因,防止刀具過早、過多磨損以及如何延長刀具使用壽命,這是影響生產效率、加工成本和加工質量的一個重要課題。

刀具磨削時有以下幾種磨損機理。

(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點。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殘留片,這些硬質點在切削時如同“磨粒”對刀具表面摩擦和刻劃作用致使切削刃刀面磨損。磨粒磨損時一種“機械摩擦”性質磨損,時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,由于切削溫度升高,使刀具材料產生相變,硬度降低,若繼續切削,會引起前面塌陷和切削刃卷曲。硬質合金刀具在高溫(>900℃)、高壓狀態下切削也會因產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)黏結磨損:黏結磨損亦稱冷焊磨損。當刀具材料與工件材料產生黏結時,兩者長生相對運動對黏結點產生剪切破壞,將刀具材料黏結顆粒帶走所致。刀面與工件間產生黏結是由于刀面上存在著微觀不平度,并在一定溫度條件下,刀具前面黏結著機械瘤刀面硬度降低與工件材料黏結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,當工件與刀具產生相對運動時,刀具材料的黏結顆粒被帶走而形成了黏結磨損。

(4)擴散磨損:擴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散置換造成的。如:硬質合金中的鎢原子和碳原子向切屑擴散,切屑中鐵、碳原子向刀具擴散,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)化學磨損:化學磨損是在一定溫度下,刀具材料與某些周圍介質(如空氣中的氧,切削液中的極壓添加劑硫、氯等)起化學作用,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;或者因為刀具材料被某種介質腐蝕,造成刀具磨損。

由上可知,合理選擇刀具材料、刀具幾何參數以及切削速度和溫度的變化對提高刀具的耐磨性、耐熱性和化學穩定性都是至關重要的。

圖1為硬質合金刀具在不同溫度下各種磨損所占的比例關系。

低速時硬質合金容易碎裂,形成不正常磨損,圖中未畫出。高速時主要磨損是黏結磨損和擴散磨損。在高速區域,擴散磨損增加很快,黏結磨損仍有相當比例總的磨損隨切削速度和溫度的增加而增加。在中速區域,在擴散磨損還沒有急劇增加以前,假如工件材料的硬度下降而硬質合金的硬度基本沒有下降,則黏結磨損會相應減少,于是在總的相對磨損曲線上出現一個最低點。因此,針對不同工件材料和刀具材料,可以通過不同辦法改善刀具磨損。

對于鉸刀﹑絲錐﹑拉刀等低速切削刀具,使用潤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刀具保護是至關重要的。切削液對切削過程影響極大,特別是形狀復雜的高速鋼刀具(如拉削、齒輪加工、螺紋加工)或切削難加工材料等場合影響更加顯著。切削液選擇得當可以選擇更大的切削用量以提高生產率,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,使刀具在切削過程中保持較冷狀態。刀具涂層的高化學穩定性阻止了刀具元素向工件擴散,保持刀具材料硬度,大大減少擴散磨損。涂層的高硬度和高耐磨度也有效地減少了磨粒磨損。對前后刀面起到保護作用。

在用高速鋼車削鋁合金時,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刀刃,代替刀刃切削,適合于粗加工。而在中低速時,刀具表面不容易形成氧化膜,為了保證加工精度和保護刀具應使用潤滑性能好的切削液,主要可以減少刀具表面的黏結磨損。而當切削溫度過高時,刀具表面必然要發生擴散磨損和化學磨損時,則應在道具表面加TiC涂層從而提高刀具抗磨損能力。

在機械加工領域,刀具的質量與壽命將直接影響到工件的質量和經濟效益,所以研究刀具磨損及改善措施的意義及其重大。各種新技術和新型刀具的研究與研發將會給機械切削領域帶來巨大的變革。□ (編輯/穆楊)