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金屬機(jī)床切削刀具破損產(chǎn)生的原因及對(duì)策
資源天下 2013/12/29 12:32:13
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刀具塑性破損的原因，前面已做了分析，下面主要介紹脆性破損的原因。
引起刀具脆性破損的主要原因是沖擊、機(jī)械疲勞和熱疲勞。早期破損主要是沖擊應(yīng)力超過(guò)刀具材料的強(qiáng)度極限造成的；后期破損則主要是機(jī)械疲勞和熱疲勞造成的。具體分析如下：
1．?dāng)嗬m(xù)切削：刀具脆性破損主要發(fā)生在用硬質(zhì)合金或陶瓷刀具進(jìn)行斷續(xù)切削時(shí)，銑削和刨削無(wú)疑是斷續(xù)切削，由于工件表面幾何形狀或材料物理機(jī)械性能的不規(guī)則和不均勻性（比如：加工余量不均勻，表面硬度不均勻以及工件表面上有溝、槽、孔等），也使其切削帶有斷續(xù)的性質(zhì)。
在斷續(xù)切削中，當(dāng)?shù)毒邔⒁谐龉ぜ䲡r(shí)，由于切屑背面沒有支承，剪切面將會(huì)轉(zhuǎn)向加工表面下面，形成俗話說(shuō)的“扎刀”（產(chǎn)生負(fù)剪切角），其結(jié)果是工件切出端出現(xiàn)倒角現(xiàn)象。剪切面方向的改變，將使刀具上應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生很大的變化。據(jù)有關(guān)資料介紹，在斷續(xù)切削中，刀具將要切出產(chǎn)生負(fù)剪切角時(shí)，刀具內(nèi)拉應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大，最大拉應(yīng)力更接近切削刃處，其最大拉應(yīng)力值較正常切削時(shí)增大10倍以上，刀具內(nèi)的最大剪應(yīng)力也很大．這種應(yīng)力狀態(tài)，顯然對(duì)刀具十分不利，即刀具在切出過(guò)程中，很容易產(chǎn)生刃口剝落．
在斷續(xù)切削時(shí)，一定伴隨有強(qiáng)烈的機(jī)械和熱的沖擊．硬質(zhì)合金和陶瓷刀具具有硬度高、脆性大的特點(diǎn)，又是粉末冶金材料，其組織不均勻、存在著缺陷和空隙，因此這些沖擊就容易引起刀具脆性破損．
斷續(xù)切削時(shí)，使刀具受交變載荷作用，降低了刀具材料的疲勞強(qiáng)度，而且載荷循環(huán)次數(shù)的增加，刀具材料的疲勞強(qiáng)度將顯著降低．因此，在較長(zhǎng)時(shí)間的斷續(xù)切削后，容易引起機(jī)械疲勞裂紋．
斷續(xù)切削時(shí)，由于有切削和空切的交替變化，使刀具表面上的溫度發(fā)生周期性變化．空切行程時(shí)，刀具表面被冷卻，溫度降低。由于冷卻而受拉應(yīng)力。切削行程時(shí)，刀具表面被加熱，溫度升高，由于熱脹而受壓應(yīng)力。這樣，在每一個(gè)切削循環(huán)中，拉、壓應(yīng)力交替作用一次，致使刀具產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象。冷卻和加熱的溫差越大，刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)越低，越容易引起裂紋。當(dāng)裂紋多到一定程度時(shí)，可能連接起來(lái)，使切削刃破損，也可能引起應(yīng)力集中，在機(jī)械沖擊下，使刀具斷裂。
2．刀具角度對(duì)脆性破損的影響：切削的時(shí)候、刀具切削部分在切削力的作用下，將產(chǎn)生很大的應(yīng)力。在多數(shù)情況下，前刀面的一定區(qū)域內(nèi)受拉應(yīng)力，而在后刀而內(nèi)受壓應(yīng)力．當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)刀具材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使刀具切削部分中最薄弱的地方產(chǎn)生裂紋或斷裂而破損．隨著前角的減小，壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大、而拉應(yīng)力區(qū)則縮小。如果刀具采用負(fù)前角，則全部成為壓應(yīng)力區(qū)，所以較小的前角或負(fù)前角（若后角一定，即楔角加大），能提高刀具的抗破損能力。
刀尖圓弧半徑對(duì)脆破損影響也很大，特別是對(duì)硬質(zhì)合金、陶瓷刀具等脆性大的材料制作的刀具，刀尖圓弧半徑過(guò)小，則由于沖擊力的作用，易產(chǎn)生崩刀或碎裂，但若刀尖圓弧半徑過(guò)大，容易引起振動(dòng)，也易導(dǎo)致崩刀或碎裂，所以刀尖圓弧半徑必須適當(dāng)。
3．切削用量對(duì)脆性破損的影響：切削用量對(duì)刀具切削部分的應(yīng)力狀態(tài)也有影響，而其中以切削厚度對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的影響最大．當(dāng)切削厚度小時(shí)，沖擊載荷小，而且應(yīng)力集中于切削刃附近，刀屑接觸長(zhǎng)度短，主要是壓應(yīng)力。隨著切削厚度的增加，沖擊載荷加大，刀屑接觸長(zhǎng)度變長(zhǎng)，使拉應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力值加大。因切削厚度加大，即進(jìn)給速度加大，則單位時(shí)間內(nèi)的沖擊能量增加。從上述分析看出，切削厚度增加，容易使刀具發(fā)生脆性破損。
對(duì)不同的刀具和工件材料都有一個(gè)脆性破損的臨界切削厚度值acmax。一般說(shuō)來(lái)，高速鋼刀具允許的acmax值最大，硬質(zhì)合金刀具的acmaxX次之，陶瓷刀具的acmax再次，而金剛石刀具的acmax最小，即金剛石刀具抗脆性破損的能力最差。
4．?dāng)嗬m(xù)切削的切入切出條件也影響刀具的脆性破損。最典型的實(shí)例是端銑的對(duì)稱銑與不對(duì)稱銑，比如端銑：在端銑淬硬鋼、不銹鋼等硬度大的材料時(shí)，以對(duì)稱銑為最好偏距不大的逆銑其次，而順銑最容易發(fā)生刀具早期破損。因?yàn)楣ぜ牧嫌捕却�，切入時(shí)沖擊大。對(duì)稱銑削時(shí)具有的最大切削厚度為平均切削厚度（見圖1-2中A）；對(duì)于不對(duì)稱逆銑，切入時(shí)切削厚度小（見圖1-2中B），減少了沖擊；對(duì)于不對(duì)稱順銑，切入時(shí)切削厚度大（見圖1-2中C），沖擊力大，所以容易引起刀具脆性破損。這一點(diǎn)對(duì)陶瓷刀具等高脆性材料的刀具更為嚴(yán)重。而對(duì)于端銑普通材料，由于其硬度低，切入沖擊小，則順銑比逆銑為好。因?yàn)槟驺娫谇谐鰰r(shí)，切削厚度突然由最大變?yōu)閿嗬m(xù)，在切屑背面沒有支撐而產(chǎn)生負(fù)剪切角，從而改變刀具內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)分布，如前所述切出時(shí)很容易破損。
A對(duì)稱銑 B不對(duì)稱逆銑 C不對(duì)稱順銑
圖1-2 對(duì)稱銑與不對(duì)稱銑
三、減少或防止刀具破損的措施
（一）選擇合適的刀具材料（未完，下一頁(yè)）
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