高速切削刀具磨损表面形态研究_刘战强
高速铣削加工中的刀具磨损特性研究
高速铣削加工中的刀具磨损特性研究近年来，随着制造业的发展，高速铣削加工技术逐渐成为工业制造领域中不可或缺的一环。
而对于高速铣削加工来说，刀具的磨损特性是一个重要的研究方向。
本文将探讨高速铣削加工中刀具磨损的特性，并对其影响因素进行分析。
高速铣削加工中，刀具磨损的特性与切削力、刀具材料、切削参数等因素密切相关。
首先，切削力是刀具磨损的一个重要指标。
随着切削速度的增加，切削力也会随之增加，从而增加刀具的磨损。
这是由于高速下切削力的增加导致刀具与工件的摩擦力增加，从而造成刀具表面的磨损。
其次，刀具材料对磨损特性也起着重要作用。
如今，常见的刀具材料有硬质合金、陶瓷、涂层等。
硬质合金具有较好的韧性和耐磨性，适合用于高速铣削加工。
而陶瓷材料由于其优异的高温抗氧化性能和硬度，在一些特定的高温、高速条件下更适用。
此外，涂层也可提高刀具的硬度和抗磨性，延长其使用寿命。
另外，切削参数的选择对刀具磨损也具有重要影响。
切削速度、进给量和切削深度是常见的切削参数，它们的选择应根据具体工况和工件材料加以合理调整。
过高的切削速度和进给量会导致刀具表面过度磨损，加剧刀具切削面的磨损。
而过大的切削深度容易引起刀具的断裂和剥落，从而影响加工质量。
此外，润滑方式也对刀具的磨损特性产生一定影响。
传统的润滑方式包括干摩擦和润滑剂润滑。
干摩擦往往会引起高温和摩擦热量的积累，进而加剧刀具的磨损。
而润滑剂的使用可以有效减少摩擦热量和摩擦力，从而降低刀具的磨损。
此外，润滑剂还能降低刀具与工件间的摩擦系数，提高加工表面的质量和精度。
最后，刀具消耗的监测和控制也是对刀具磨损特性研究的重要方面。
刀具消耗监测可以通过在线传感器实时监测刀具的磨损情况，从而及时判断刀具的寿命并主动进行更换。
同时，合理的刀具消耗控制也能降低生产成本和提高生产效率。
综上所述，高速铣削加工中刀具磨损特性的研究十分重要。
通过探索切削力、刀具材料、切削参数、润滑方式以及刀具消耗监测和控制等方面的因素，可以为实际生产中刀具的选择和使用提供一定的参考依据。
高速铣削难加工材料时硬质合金刀具前刀面磨损机理及切削性能研究_龙震海
第25卷 第1期摩擦学学报V o l25, N o1 2005年1月T RIBO LOGY J a n,2005高速铣削难加工材料时硬质合金刀具前刀面磨损机理及切削性能研究龙震海,王西彬,刘志兵(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081)摘要:采用涂层硬质合金刀具和细晶粒硬质合金刀具对超高强度合金钢(硬度>50HRC、抗拉强度e b> 1.4G Pa)和马氏体不锈钢(硬度>30HRC)等难加工材料进行了干式高速端面铣削试验;选择刀具寿命作为刀具切削性能的评价指标,利用X射线能谱仪和扫描电子显微镜分析了硬质合金刀具前刀面的磨损形态、磨损机理以及刀具的切削性能.结果表明:在难加工材料的高速铣削过程中,涂层硬质合金刀具主要失效形式为前刀面磨损,细晶粒硬质合金刀具主要失效形式为前刀面月牙洼磨损与剥落;2种刀具的主要磨损机理均为扩散磨损和氧化磨损.对细晶粒硬质合金刀具而言,在考虑刀具材料与工件材料适配性的基础上,必须利用合理的刃口强化处理来降低磨损初期的刃口微崩刃倾向.关键词:难加工材料;高速切削;干切削;硬质合金刀具;磨损中图分类号:T G506.1;T H117.3文献标识码:A文章编号:1004-0595(2005)01-0083-05 国防工业中大量使用的难加工材料具有导热性低、加工硬化强烈、微观组织中存在硬质相等特点[1].因此,同普通合金钢的加工过程相比,在难加工材料的切削加工过程中刀具所受的切削力和切削热明显较高.高速干式铣削加工具有加工效率和精度较高、切削力较小等特点,且在加工过程中不使用化学切削液,对环境无污染,因此在武器装备、航空航天及汽车制造等行业具有广阔的应用前景[2].随着涂层技术与细晶粒硬质合金冶炼技术的发展,以(Ti,Al)N涂层为代表具有优良高温切削性能的超硬刀具材料[3,4]在难加工材料高速切削过程中的应用越来越受到重视[5,6].刘战强等[7～10]研究了常规材料高速切削条件下的刀具磨损,发现高速切削时刀具的前刀面磨损形态不同于常速切削时的磨损形态,即其不是表现为月牙洼磨损形式,而是表现为切削刃斜面磨损形式.然而,目前针对高硬度、高强度难加工材料高速铣削加工中刀具磨损机理与切削性能的研究报道很少.为此,本文作者基于快速对比切削试验考察了(Ti,Al)N涂层与细晶粒硬质合金刀具高速干式端面铣削加工超高强度合金钢和马氏体不锈钢时的磨损特性和切削性能.1 实验部分1.1 试验方法利用DM U70ev olutio n5轴加工中心进行高速端面铣削试验,其中超高强度合金钢工件的抗拉强度e b> 1.4GPa、硬度50H RC;马氏体不锈钢工件的硬度为30HRC;工件尺寸规格均为200mm×40mm×45m m.考虑到试验所用超高强度合金钢为国内新研制的高性能结构材料,而现有的细晶粒硬质合金刀具无法在50m/min以上的切削速度下正常使用,故我们采用(Ti,Al)N涂层硬质合金刀具进行切削试验.选用2种牌号、不同Al含量的(Ti,Al)N涂层材料,分别标记为GC4025和R245.按照刀具国产化、加工型号通用化等要求,重点选择YT767、YW1、Y T798和YS30等4类细晶粒硬质合金刀具对马氏体不锈钢工件进行切削试验,刀具的几何参数列于表1,涂 表1 刀具几何参数Table1 Geometric parameters of the cutting tools V o/(°)T o/(°)r X/mm b r1/mm V o1/(°) 2980.66层材料的元素组成列于表2.收稿日期:2004-04-08;修回日期:2004-07-15/联系人龙震海,e-mail:cutting0@.作者简介:龙震海,男,1974年生,博士,讲师,目前主要从事难加工材料高效加工和先进制造技术与系统研究.表2 两种涂层材料的元素组成Table 2 Component of (Ti ,Al )N coat ingsCoatings Composition /%N Al Ti Typ e Ⅰ17.108.7274.18Tpe Ⅱ31.1629.4239.411.2 试验方案本研究着眼于硬质合金刀具高速干式铣削难加工材料时的磨损机理与刀具寿命(T ),因此,所有切削试验均按照刀具寿命试验规范ISO 8688-2进行,采用端面中心对称干切削方式.根据切削过程中刀具磨损的实际状况,分别在5s 、30s 和60s 等时间段观察前、后刀面磨损形貌,测量并记录刀具后刀面磨损量.试验过程中,选择刀具后刀面平均磨损量VB 值或刃口崩刃高度值超过0.3m m 作为磨钝或失效标准;采用工具显微镜观察刀具刃口形貌、前刀面月牙洼形状和后刀面磨损带形貌.切削试验结束以后,采用Joel -5410型扫描电子显微镜(SEM )和HP-INCA 型能谱分析仪(EDS)观察失效刀具前、后刀面磨损表面形貌特征,分析刀具磨损机理.2 结果与分析2.1 涂层硬质合金前刀面磨损工具显微镜观察表明,试验所用(Ti ,Al )N 涂层与细晶粒硬质合金刀具均表现出前、后刀面磨损失效,主切削刃微崩以及刀尖崩塌等失效形式.在相当多的情况下,当后刀面磨损量尚未达到磨钝标准、有时甚至在VB 值小于0.1mm 时,刀尖或主切削刃即已发生崩塌和破损,从而导致刀具失效.观察临近失效时的刀具前刀面发现,多数刀具呈现严重的月牙洼磨损特征.图1和图2分别示出了超高强度合金钢高速切削过程中Ⅰ型(Ti,Al)N 涂层刀具发生磨损失效时的前刀面形貌SEM 照片及磨损中心区域元素组成EDS 分析结果(切削速度v c =187m /min,a p =1mm,f z =0.1m m /z ,VB =0.3mm ).可以看出,在高速切削超高强度合金钢过程中,前刀面的磨损面区域靠近主切削刃,即切屑与前刀面的接触接近切削刃(见图1).由于工件材料属于高强度、高硬度合金钢,故刀具在切削过程中所承受的切削力较切削普通合金钢时大得多,且切削热亦大幅度增加,从而使得切削刃区域的温度高达800℃以上.在这样高的温度下,刀具材料表面硬度将会迅速降低,而且涂层材料、切屑材料的Fig 1 SEM mo rph olog y o f wo r n r ake face o f ty pe-I(Ti ,Al )N co ating to ol in cutting ultra -hig h streng th a lloy steel a t a high speed图1 高速切削超高强度合金钢时Ⅰ型(Ti,Al)N 涂层刀具磨损失效前刀面形貌SEM 照片Fig 2 EDS spectr um of the centra l w o rn area o n rake faceo f type-I (Ti,Al)N coating to ol图2 切削超高强度合金钢时Ⅰ型(Ti ,Al )N 涂层刀具前刀面磨损中心区域元素组成ED S 图谱氧化反应和二者之间的扩散过程亦有所加强.前刀面磨损区含有来自于超高强度合金钢的M n 、Cr 、Ni 及Fe 等元素,以及来自于空气的O 元素(见图2),这也可以证实前刀面在切削加工过程中发生了扩散现象和氧化反应.与此同时,如图1所示,前刀面磨损区存在2个相对分离的磨损洼面低点,分别位于主、副切削刃附近,并交汇于刀尖附近.这表明切削刃各部分的切屑流动方向并不相同,切削刃各部分之间在切削过程中发生了相互干涉.据此可以判断相应的切削方式为非自由切削.图3和图4分别示出了超高强度合金钢高速切削过程中Ⅱ型(Ti ,Al )N 涂层刀具发生磨损失效时的前刀面磨损区域形貌SEM 照片及相应的元素组成EDS 分析结果(切削速度v c =471m /min,a p =1mm ,f z =0.1mm /z ).可以看出,随着涂层材料的剥落,刀具基体上出现了较为明显的月牙洼(见图3).可以采84摩 擦 学 学 报第25卷Fig 3 SEM mo rpho lo g y o f wo rn ra ke face o f ty pe-Ⅱ(Ti ,Al )N co ating too l in cut ting ultra -high st rength alloy steel at a high speed 图3 切削超高强度合金钢时Ⅱ型(Ti,Al)N 涂层刀具前刀面磨损形貌SEM照片Fig 4 ED S spec trum o f th e cent ral wo rn ar ea on r ake face o f ty pe-Ⅱ(Ti,Al)N coa ting to ol图4 切削超高强度合金钢时Ⅱ型(Ti ,Al )N 涂层刀具前刀面磨损中心区域元素组成EDS 图谱用化学磨损和机械磨损机理来解释刀具的这种磨损特征.换言之,随着切削过程中刀具表面涂层中的粘结相与部分硬质相氧化反应的不断进行,涂层与切屑间的氧化物硬质点,如氧化钛和氧化铁等的数量显著增多,从而加剧前刀面涂层的磨粒磨损;在切削刃区域高温和刀-屑材料元素组成的梯度差异作用下,涂层材料与切屑材料之间的元素相互扩散作用显著增强;在磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损和扩散磨损的共同作用下,涂层材料发生剥落.涂层材料剥落后,切屑与刀具基体材料(主要成分为WC +Co)发生直接接触,随着粘结相元素Co 的流失,硬质点W C 颗粒在摩擦力的作用下被不断拔出刀具基体;随着表层中WC 含量不断降低,表面硬度持续降低,结果导致高温下硬度不足的前刀面出现类似月牙洼状凹形磨损弧面.凹形弧面中心区域的元素组成EDS 分析结果(参见图4)同样证实在该切削条件下前刀面在切削加工过程中发生了扩散现象和氧化反应.2.2 细晶粒硬质合金前刀面磨损使用细晶粒硬质合金刀具,在v c =286m /min 、a p =1mm 、f z =0.1mm /z 条件下对马氏体不锈钢进行高速铣削试验,相应的前刀面磨损形貌SEM 照片示于图 5.可以看出,此时主切削刃上在周期热应力和 Fig 5 SEM mor pho lo gy of the w o rn ra ke face o f fine g rain ca rbide too l in cut ting ma rtensitic steel(VB =0.1mm )图5 高速切削马氏体不锈钢时细晶硬质合金刀具前刀面磨损形貌SEM 照片(VB =0.1mm )机械应力作用下出现了垂直于刃口的纵向梳状微裂纹.考虑到铣削加工的断续切削特性,随着切削刃不断地切入和切出工件,刀具将频繁经历700～800℃高温与大气室温之间的剧烈加热、冷却交替过程,从而在刀具表面引发源于热振冲击的热疲劳裂纹.此外,在测量刀具的磨损量时,在刃口附近可以观察到积屑瘤.考虑到韧性较好的马氏体不锈钢在切削加工过程中出现较强的加工硬化和严重的毛刺现象,在切屑的挤压作用、毛刺的挂剥作用以及刀具切入、切出工件时的冲击作用下,积屑瘤在脱离前刀面的同时可引发切削刃附近的拉、压应力的交替变化.由热振产生的热疲劳微裂纹在这种拉、压应力作用下不断扩展.与此同时,在难加工材料高速切削条件下,随着单位切削力的增大和刀-屑接触长度的缩短,在切屑对前刀面单位面积压力增大的同时,刀-屑接触时产生的切削力作用点与切削刃之间的距离缩短.在刀具烧结过程中,因硬质合金中的W C 颗粒和粘结相Co 的热膨胀系数不同,粘结相中存在拉应力,这种拉应力可以同本文前述的由刀具外部传递的各种应力相互叠加,进而可导致粘结相的塑性屈服破坏.在上述因素的共同作用下,刀尖与切削刃部分产生的微裂纹与微崩刃在刃口区转变为裂纹.随着切削的继续,裂纹不断向刀具内部扩展,最终与前刀面月牙洼会合,引发剥蚀破损(见图6),进而导致刀尖及刃85第1期龙震海等: 高速铣削难加工材料时硬质合金刀具前刀面磨损机理及切削性能研究Fig 6 SEM mo rpho log y o f wo r n r ake fa ce o f fine g rain car bide to o l in cutting mar tensitic steel(V B =0.28mm )图6 高速切削马氏体不锈钢时细晶硬质合金刀具前刀面磨损形貌SEM 照片(VB =0.28mm)口部位机械强度降低、刃口受力状态改变、切屑流动受阻、刀-屑间摩擦力和切削刃附近温度升高.据此可以认为,在高速切削难加工材料过程中,前刀面月牙洼磨损的加剧和切削刃区的剥蚀破损是导致细晶硬质合金刀具失效的主要原因.2.3 刀具寿命作为评价刀具材料切削性能、工件材料切削加工性,以及刀具几何参数合理性的重要指标,刀具寿命试验是研究刀具磨损机理的重要环节[11].图7和图8Fig 7 The T -f z curv es for the fine g rain car bide to ol in cutting ma r tensitic steel 图7 高速切削马氏体不锈钢时细晶硬质合金刀具的T -f z 曲线分别示出了细晶粒硬质合金刀具高速铣削马氏体不锈钢时的刀具寿命(T )随每齿进给量和切削速度变化的关系曲线,其中T01、T02、T03和T04分别代表YT 767、YW 1、YS 30和YT 798细晶硬质合金刀具.根据图7和图8所示各曲线的斜率大小可知,切削速度和每齿进给量对刀具寿命具有显著影响;且切削速度增大导致的刀具寿命降低幅度大于每齿进给量增加导致的刀具寿命降低幅度.Fig 8 T he T -v curv es fo r the fine g rain car bideto ol in cutting mar tensitic steel图8 高速切削马氏体不锈钢时细晶硬质合金刀具的T -v 曲线 此外,切削速度提高导致切削温度大幅上升,从而显著降低刀具寿命,并严重影响工件加工表面质量和组织特性.因此,在充分利用高速切削优势的同时,应当尽可能地降低刀具成本和换刀辅助工艺时间,为此,在满足工件表面质量要求的前提下,应优先考虑提高每齿进给量.3 结论a. 硬质合金刀具在难加工材料的高速铣削加工中的主要失效形式为前刀面月牙洼磨损和前刀面剥落.b. 高速切削条件下硬质合金刀具的主要磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损、扩散磨损和氧化磨损,其中以扩散磨损和氧化磨损居主导地位.c. Al 含量较高的(Ti,Al)N 涂层涂覆硬质合金刀具的切削效果较为理想;就细晶粒硬质合金刀具而言,在考虑刀具材料与工件材料适配性的基础上,必须进行合理的刃口强化处理,以减轻磨损初期的刃口微崩刃和磨损中期的前刀面剥蚀破损.参考文献:[1] 韩荣第,于启勋.难加工材料切削加工[M ].北京:机械工业出版社,1996.[2] 王西彬,解丽静.超高速切削技术及其新进展[J ].中国机械工程,2000,11(2):190-194.Wang X B,Xie L J .Technical s tatus and progres s in h igh-speed cutting [J ].China M ech anical Engineering,2000,1186摩 擦 学 学 报第25卷(2):190-194.[3] J aw aid A,Kok sal S,Sh arif S.Cutting perfo rmance and w earch aracteris tics of PV D coated and uncoated carbide tools in face milling Inconel 718aerospace alloy [J ].J ournal of M aterials Processing Technolog y ,2001,116(3):2-9.[4] M irjam Arndt ,Tho rs ten Kacsich .Performance of new AlTiNcoatings in dry and high-s peed cutting [J ].Surface andCoatings Tech nology,2003,163(164):674-680.[5]Barry J ,Byrne G .Cutting tool w ear in th e machining ofh ard ened s teels [J ].W ear ,2001,247(15):139-151.[6] Farh ad Nabhani .W ear mechanism s of u ltra -h ard cutting toolsmaterials [J ].Journal of M aterials Proces sing Tech nology,2001,115(2):402-412.[7]Rech J ,Djouadi M A,Picot J ,et al .Wear resis tance of coatings in high -s peed gear h obbing [J ].W ear ,2001,250(1):45-53.[8] Slavko Dolinsek,Boriv oj Sus tarsic,Janez Kopac.W earmechanis ms of cutting tools in high -speed cu tting process es [J].Wear,2001,250(3):349-356.[9] Kopc J ,Sokovic M ,Dolinsek S .Tribolog y of coated tools inconventional and HSC machining [J ].J ournal of M aterialProces sing Tech nology,2001,118(2):377-384.[10] 刘战强,艾兴.高速切削刀具磨损表面形态研究[J ].摩擦学学报,2002,22(6):468-471.Liu Z Q ,A i X .W ear ch aracteris tics of cutting tools in h igh speed machining [J ].Tribology ,2002,22(6):468-471.[11] 周泽华,于启勋.金属切削原理[M ].上海:上海科学技术出版社,1993.Research on Wear Modes and Mechanism of Carbide Tools inHigh -Speed Milling of Difficult-to -Cut Materials LONG Zhen -hai ,W AN G Xi -bin ,LIU Zhi -bing(School of Mechanical and Vehicle Engineering ,Beijing Institute of Technology ,Beijing 100081,China )Abstract :H ig h-speed dry face-milling tests w ere conducted fo r difficult-to-cut ultra hig h streng th alloy witheb > 1.4GPa a nd ha rdness 50HRC and martenstic stainless steel with ha rdness 30HRC ,using (Ti ,Al )N coated ca rbide too l and fine g rain carbide tool ,respectiv ely ,o n a DM U -70evo lution 5-ax le processing center .The mo rpholo gies of the w orn fake faces of the cutting too ls at different cutting conditions were o bserv ed using a scanning electron microscope,w hile the elemental com positio ns in the central w o rn a rea w ere determined using an energy dispersiv e spectrom eter,w hich w ere aiming at rev ealing the w ear m echa nism s of the cutting to ols and examining the cutting performance and liv es of the cutting too ls .It wa s found that the carbide tools w ere do mina ted by rake face abrasiv e w ear,adhesion w ea r,diffusion w ea r,and chemical wear,in cutting the difficult-to -cut ma terials at high-speed,which w ere accom panied by thespalling of the coating o n the rake face to ex pose the carbide substra te a nd the chippings of the cutting edg es .The (Ti ,Al )N co ated carbide tool w ith a higher Al co ntent in the coating had better cutting perfo rmance ,and it w as imperativ e to introduce pro per reinfo rcing fo r the fine g rain carbide to ol so as to reduce its micro-chipping at th e initial w ea r stag e.Key words :difficult -to -cut ma terials ;hig h -speed cutting ;dry machining ;ca rbide too l ;wear Author :LON G Zhen-hai,male,bo rn in 1974,Ph.D.,Lecturer,e-mail :cutting0@87第1期龙震海等: 高速铣削难加工材料时硬质合金刀具前刀面磨损机理及切削性能研究。
高速车削铁基高温合金硬质合金刀具磨损机理_刘超
2009年11月农业机械学报第40卷第11期高速车削铁基高温合金硬质合金刀具磨损机理＊刘 超 艾 兴 刘战强 万 熠(山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室,济南250061) 【摘要】 使用4种硬质合金涂层和非涂层刀具材料进行铁基高温合金G H2132的高速干车削试验,采用电子扫描显微镜(SEM )观察刀具的磨损形貌,通过能谱分析(EDS )分析磨损表面的元素分布,并对刀具的主要磨损机理进行分析。
研究结果表明,使用硬质合金刀具材料高速干车削铁基高温合金G H2132时,刀具的磨损机理主要为粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损并伴有少量的微崩刃。
高速切削时刀具的前刀面磨损形态不同于常速切削时的磨损形态,即磨损不表现为月牙洼的形式,而是表现为切削刃处磨损最大的斜面磨损形式,前刀面磨损区域随切削速度提高而减小,但磨损深度增大。
关键词:刀具 高温合金 高速车削 磨损中图分类号:T G501文献标识码:AWear Mechanism of Cemented Carbide Tool in High Speed Machining Iron -based Su peralloy GH2132Liu Chao Ai Xing Liu Zhanqiang Wan Yi(Key Laboratory of High Ef ficiency and Clean Mechanical Manufacture ,Ministry of Education ,Shandong University ,J i 'nan 250061,China )AbstractFour kinds of cemented carbide tools w ere used to turn Iron -based superalloy GH 2132at hig h -speed under dry cutting condition .Wear morpholog y of cutting tool w as observed by SEM ,and element distributio n of tool surface w as analy zed by EDS .Adhesive wear ,oxidation w ear and diffusionw ith micro -chipping were the main w ear mechanisms of the cemented carbide tool .The rake face w ear of the cutting tools in high speed m achining w as different from that in conventional speed machining .Namely ,the rake face w as not characterized by crater wear but by slope -plane -wear w ith the maximum w ear at the cutting edge .Furthermo re ,the w orn area of the rake face decreased w ith cutting speed and the w ear depth increased corresponding ly .Key words Tool ,Superalloys ,High speed turning ,Wear收稿日期:2009-05-18 修回日期:2009-06-04＊国家“973”重点基础研究发展计划资助项目(2009CB724402)作者简介:刘超,博士生,主要从事高速切削摩擦学研究,E -mail :lxblgy @ 引言GH2132(0Cr15Ni26M oVTi2B )是一种时效硬化型铁基高温合金。
高速切削刀具磨损寿命的研究
总磨损量中所占比例一般并不大，但化学作用可使 机械磨损的程度大大加剧，如化学溶解及扩散作用
! 高速切削刀具的磨损机理
在高速切削加工中，与普通切削加工类似，也存 在两个摩擦副：前刀面与切屑间的摩擦副和后刀面 与已加工表面间的摩擦副。其中，前者影响刀具前 刀面的磨损，后者影响刀具后刀面的磨损，前、后刀 面的磨损均影响刀具寿命。但与普通切削相比，高 速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触频率增 加，切削过程中产生的热量更多向刀具传递，因此其 磨损机理与普通切削有很大区别。
片状剥落多发生在刀具的前、后刀面上，其原因 不同：化学反应及塑性变形是前刀面磨损的主要原
是刀—屑或刀—工接触区的接触疲劳或热应力疲劳 因；后刀面的磨损机理则是陶瓷颗粒间发生断裂，导
所致。当剥落很小时，被认为是磨损；但在很多情况 下，由于疲劳裂纹源距刀具表面具有一定深度，裂纹
致陶瓷颗粒脱落所致。AI2O3 / TiB2 陶瓷刀具加工高 强钢和淬硬钢时具有较好的耐磨性，且刀具的耐磨
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高速切削刀具磨损寿命的研究!
山东大学机械工程学院（济南 250061） 刘战强 艾 兴
摘 要：分析了高速切削时刀具的磨损形态，综述了各种高速切削刀具材料（包括陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、 金刚石刀具、金属陶瓷刀具和涂层刀具）高速切削时的磨损机理，讨论了高速切削铸铁、淬硬钢和镍基合金时刀具 的磨损寿命。
200l 年第 35 卷Nl2
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刀—屑接触长度（时间），可减小化学磨损速率，避免 前刀面月牙洼磨损［5］。一般认为［6］，CBN 刀具的磨 损是由于切削过程中的高温、高压、切屑与前刀面间 的摩擦以 及 工 件 材 料 中 有 关 化 学 元 素 与 之 发 生 粘 结、亲和而引起的，即其磨损机制主要包括：t氧化 磨损和相变磨损。CBN 刀具高速切削时的平均切削 温度可达 l000 ~ l200C，在此高温下，即使在常压和 空气气氛中也足以使 CBN 刀具刀尖区产生氧化、放 氮甚至相变。而 CBN 刀具一经氧化和相变即会丧 失其切削能力。o粘结磨损。在一定压力和高温条 件下，刀尖与被加工材料接触区随着切屑不断流出， 双方均不断裸露出新的表面。尽管 CBN 对 Fe 族元 素有较高化学惰性，但对其它元素并非如此，当条件 适合时，会使 CBN 活性增加、惰性降低，随着与合金 元素的亲 和 倾 向 不 断 增 加，将 导 致 出 现 粘 结 磨 损。 这种磨损一般表现为微粒脱落，当刀尖区温度高达 l200C左右 时，局 部 CBN 颗 粒 将 呈 现“半 熔 化”状 态，从而使粘结磨损大大加剧。＠摩擦磨损。工件 与刀具之间的高速相对运动会使 CBN 刀具发生摩 擦磨损。＠颗粒剥落与微崩刃。由于 CBN 刀具是 由无数细小的 CBN 颗粒构成，颗粒之间呈晶界间的 精细裂纹连接，且存在不均匀的内应力，因此当高温 切屑流摩擦刮研 CBN 刀尖时，会因工件材料硬度不 均或存在硬质点所产生的微冲击而造成 CBN 颗粒 脱落或产生微崩刃。
21472891
ｉ ｉ ｔ ｚｔ ｎ ｏ ｉ ｂ ｅ ｖ ｔ ｎ ｃ ｎ ｅｎ ｎ ｆ ｕｅ ｗ ｒ ｍ ｒ－ ｕｔ ｇ ａ ｏ ｅ ｍ ｎａｕｉａ ｏ ，￥ ｎ＠ｏ ｓｒ ａ ｏ ｏ ｃ ｒ ｉ ｔ ｒ ｏ ｋ ｉ ｃｏ ｃ ｔ ｎ ｒ ｆ ｒｄ． ｒ ｉ ｉｓ ｇ ｕ ｎｉ ｉ ｅ ｅ Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｃｏ ｃ ｔ ｎ ， ｍ ｎａ ｒ ｃ ｎ ｏ ， ｃ ｔ ｎ ｌ ｃ ｔ ｎ ｒｎ ｉｌｓ ｍ ｃｏ ｓ ａｅ ｙ ｒ ｓ Ｍｉｒ－ ｕｔ ｇ ｉ ｉ ｔ ｅｍａ ｈ ｅ ｔ ｌ ｉ ｕ ｉ ｏ ｕｔ ｔ ， ｕ ｔ ｇ ｐ ｉｃｐ ｅ ， ｉ ｒ －ｃ ｌ ｉ ｏ ｇ ｉ
ｍａ ｈ ｎｎ ｉ ｄ ｆ ｅ Ｔ ｉ ａ ｐ ｒ ｕｖ ｙ ｈｅ ｃ ｒｅ ｔｓ ｔｓｏ ｍ ｃ － ｎ ｆ ｔｘｎ ｓ ｃａ ｙｆｒｍａ ｈｎ ｏ ｌ ｎ ｄ ｃ ｔ ｎ ｔ ｌ ｎ ｃ ｉｇ ｓ ｅ ｎ ｄ． ｈｓｐ ｅ ｒｅ ｓｔ ｕ ｒ ｎ ｔ ｅ ｆ ｉ ｉ ｓ ａ ｉ ｒ ｍａ ｕａ ｕｉ ｅｐ ｉ ｌ ｏ ｏ ｃ ｇ ｅ ｌ ｃ ｅｔｏｓａ ｕｔ ｉ ｉ ｇ ｏ ｓｉ ｏ
真、 最小切 削厚 度 、 切屑形态 、 切削力 、 削温 度 、 件材料 的微量加 工性 、 微 切 工 刀具 变形 、 表面粗糙 度 与切削稳 定性 、 毛刺 、 积屑瘤 、 刀具磨损 等不同方面分析 了微切削 机理 的研究 现状 和存 在 问题 。最 后介 绍 了微 铣削 Ｃ Ｄ Ｃ Ｍ技 Ａ ／Ａ 术， 并指 出了微切削加工技术 的发展趋 势。
ｃｔｎ ｒｅ ｕｔ ｅ ｅ ｒｔｒ ，ｍｉｒ－ｕｔ ｃ ｉａ ｉｔ，ｔ ｌｄ ｆ ｃ ｏ ， ｓｒａｅ ｒｕ ｈ ｅｓ ｕ ｉ ｎｔｂｌ ，ｂ ｒ ｎ ， ｕｔ ｆ ｃ ，ｃ ｔｎ ｔｍｐ ａ ｅ ｉ ｏ ｇ ｉ ｇ ｕ ｃｏｃ ｔｎ ｍａｈｎｂｌｙ ｏ ｅ ｅｔ ｎ ｕｆｃ ｏ ｇ ｎ ｓ ，ｃ ｔｎ ｉ ａ ｉｔ ｉ ｇ ｉ ｌ ｉ ｇ ｓ ｉ ｙ ｕｒ ｉ ｇ ｂ ｉ－ｐ ｕｌ ｕ ｔ ａ ｄｔ ｌ ｅｒａｅ ａ ａ ， ｄ ｈ ｅＣ ／ Ａ ｓｆ ａｅｆｒｍ ｃｏｍ ｌｎ ｓｐｅｅｔｄ．Ｉ ｅｐｎｅ ｔ ｅｃ ｎ ｎ ｅ ｎ ａ ｒ ｎ１ｚ ．Ｔ ＡＤ Ｃ Ｍ ｏｔ ｒ ｏ ｒ－ ｌ ｉ ｒｓｎｅ ｏ ｗ ）ｅ ｗ ｉ ｉ ｉ ｇ ｎ ｒｓ ｓ ｏ ｔ ｏ ｔ ｕ ｄ ｏ ｈ ｉ
高速铣削航空铝合金7050-T7451时刀具的磨损破损
高速铣削航空铝合金7050-T7451时刀具的磨损破损
万熠;艾兴;刘战强;宋良煜
【期刊名称】《机械工程学报》
【年(卷),期】2007(43)4
【摘要】分析涂层硬质合金刀具高速铣削航空铝合金7050-T7451时的磨损、破损形态,通过正交试验研究了高速铣削航空铝合金的铣削力及其变化规律,提出模拟高速铣削刀具裂纹萌生的脉冲激光热冲击试验方法,研究铣削力和热应力在刀具磨损、破损过程中的不同作用。
试验和理论分析证明:高速铣削航空铝合金7050-
T7451时,热应力使刀具萌生裂纹,裂纹在热应力和机械应力综合作用下扩展。
研究刀具失效机理,证明:高速铣削航空铝合金时,粘结磨损和扩散磨损是主要磨损机理。
提出通过提高切削系统稳定性和优化切削参数,可以有效降低机械应力对刀具的冲击作用,并在生产现场收到良好的效果。
【总页数】6页(P103-108)
【关键词】高速铣削;刀具磨损;铝合金;失效机理
【作者】万熠;艾兴;刘战强;宋良煜
【作者单位】山东大学机械工程学院;成都飞机工业(集团)有限责任公司数控加工厂【正文语种】中文
【中图分类】TG506
【相关文献】
1.硬质合金刀具高速铣削航空铝合金时的磨损形态及磨损机理 [J], 万熠;刘战强;艾兴;潘永智
2.高速铣削7050-T7451铝合金时影响铣削力的因素 [J], 唐克岩;陈远新;王小莉
3.高速铣削时氮铝钛涂层刀具在不同介质下的刀具磨损研究 [J], 魏莎莎
4.7075铝合金高速铣削表面质量及刀具磨损机理 [J], 岳修杰;张平;宋爱利;李宝顺;于晓
5.金刚石涂层刀具高速铣削石墨的磨损形态与破损机理 [J], 钟启茂
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用解析法计算高速切削单涂层刀具瞬态温度分布
热传导微分方程式
∂2θ1 = 1 ∂θ1 ∂x2 α1 ∂t
0 ≤ x ≤ x1 t ≥ 0
(1)
式中 θ1 ——涂层内的温度
α1 ——涂层材料的导温系数
x ——位置坐标
t ——切削时间
∂2θ2 = 1 ∂θ2 ∂x2 α2 ∂t
x1 ≤ x t ≥ 0
(2)
式中 θ2 ——刀具基体内的温度
α2 ——基体材料的导温系数
外部边界条件
−κ 1
∂θ1 ∂x
∗ 国家重点基础研究发展计划(973 计划，2009CB724401)和国家自然科 学基金(50828501, 50675122)资助项目。20090108 收到初稿，20090707 收到修改稿
领域的重要课题[3]。在不断要求降低加工费用和提 高工件质量的市场竞争中，将加工过程推向一个新 的速度区域，即高速加工(High speed machining, HSM)。高速、高效、高精是高速切削技术的主要特 点。在金属切削中，切削速度对切削温度和切削热 量的传递有很大的影响[4]。一种创新的方法是用涂 层刀具，刀具上的涂层对刀具切削热量的产生和刀 具上温度的分布有很大的影响。由于刀具上的温度 梯度很大，涂层特性对刀具温度的影响是显著的[2]。 在高速切削中，涂层刀具的应用越来越广泛[5-6]，因 此对涂层刀具切削温度分布有一个清晰的认识是十 分必要也是十分重要的。
图 2 单涂层刀具热传导模型及边界条件
等效的切削热流密度 q0 施加在前刀面上，热流 密度 q0 定义为 q0 = q1 + q2 + q3 ，其中 q1 , q2 和 q3 分别 是第一变形区、第二变形区和第三变形区产生热量 传导到刀具的热流密度。由于涂层刀具热传导模型 中的另外两个面认为是绝热表面，因此施加在前刀 面上的等效恒定热流密度 q0 全部传导到刀具的涂 层和基体内。假设刀具涂层的导热系数和导温系数 分别为 κ1 和α1 ；刀具基体的导热系数和导温系数分 别为 κ2 和 α2 。在切削时的环境温度为θ∞ 。
高速切削加工中刀具磨损机理分析与优化
高速切削加工中刀具磨损机理分析与优化近年来，随着制造技术的不断发展，高速切削加工技术已经成为现代制造业中的重要环节。
然而，高速切削加工过程中刀具的磨损问题一直困扰着制造商。
刀具磨损不仅会直接影响加工质量和效率，还会增加生产成本。
因此，对高速切削加工中刀具磨损机理进行深入分析与优化显得尤为重要。
首先，刀具磨损的机理是需要我们认真探究的。
在高速切削加工中，尤其是在复杂的零件加工过程中，刀具会受到很大的力和温度的冲击。
这些力和温度会导致刀具材料的塑性变形、热膨胀和化学反应等现象。
其中，热膨胀是导致刀具磨损的重要因素之一。
高速切削加工过程中，刀具会不断受到瞬间高温的冲击，而热膨胀会导致刀具表面产生应力集中的现象，从而加剧了刀具的磨损。
其次，我们需要针对刀具磨损机理进行优化。
为了减少刀具磨损，可以从多个方面入手。
首先，可以通过选择合适的刀具材料来降低磨损。
高速切削加工通常需要使用高硬度和高耐磨性的刀具材料，如硬质合金、陶瓷和CBN等。
这些材料具有良好的热稳定性和磨损抗性，可以延长刀具的使用寿命。
其次，可以通过改进切削参数来降低刀具磨损。
切削速度、进给量和切削深度等参数的选择会直接影响刀具的磨损程度。
合理地选择切削参数可以减小刀具受到的冲击力和温度，从而降低磨损风险。
此外，还可以通过改进刀具的几何形状来优化切削过程。
例如，采用刀具的镜面涂层、刀具的刃角和刀具的槽型等，可以减小切削过程中刀具与工件的摩擦力和热膨胀现象，从而降低刀具的磨损。
最后，我们需要进一步加强对刀具磨损的监测和维护。
为了准确地判断刀具磨损程度，可以采用数控车床、激光光电传感器等设备进行监测。
及时发现和处理刀具的磨损问题，可以避免刀具的过度磨损，延长刀具的使用寿命。
此外，定期对刀具进行维护也是必不可少的。
如清洗刀具表面的切削剂和碎屑、及时更换磨损严重的刀具，都可以帮助减少刀具磨损的发生。
综上所述，高速切削加工中刀具磨损机理分析与优化是现代制造业中的重要课题。
高速硬切削刀具的磨损和破损
一、陶瓷刀具的损坏形式及磨损机理
前刀面磨损
VB
边界磨损崩刃 后刀面磨损边界源自损图 1 陶瓷刀具的磨损形态
高速切削刀具的扩散磨损检测研究
工艺与检测㈣ａｎｄ瑚高速切削刀具的扩散磨损检测研究’王英姿①陶文宏①杨中喜①李友生②（（Ｄ济南大学材料科学与工程学院，山东济南２５００２２；②山东大学机械工程学院，山东济南２５００６１）摘要：针对目前高速切削加工刀具的扩散磨损检测比较难的问题。
采用将车削加工钛合金（．ＩＩｉ－６Ａｉ－４Ｖ）的硬质合金刀具在最大磨损处切割，然后利用带能谱分析的扫描电子显微镜的特点。
对刀具后刀面最大磨损处的截面进行观察和元素分析。
从而检测了硬质合金刀具后刀面与钛合金粘结层之间的元素扩散。
这种元素扩散的分析检测方法可以为高速切削加工刀具的扩散磨损研究提供帮助。
关键词：扫描电镜能谱分析扩散磨损ＤｉｆｆｕｓｉｏｎＷｅａｒＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＣｕｔｔｉｎｇＴｏｏｌｉｎＨｉｇｈＳｐｅｅｄＭａｃｈｉｎｉｎｇＷＡＮＧＹｉｎｇｚｉ①－ＴＡＯＷｅｎｈｏｎｇ①－ＹＡＮＧＺｈｏｎｇｘｉ①－ＬＩＹｏｕｓｈｅｎｇ⑦（（王）ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ－ｊｉ’ｎａｉｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ－ｊｉ’ｎａｘｌ２５００２２，ＣＨＮ；＠）ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ－ｊｉ’ｎａｎ２５００６１。
ＣＨＮ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｄｅｔｅｃｔｄｉｆｆｕｓｉｏｎｗｅａｌ＂ｏｆｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌ－８０ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｔｏｏｌＷ８８ｔｒａｖｅｒｓｅｄａｔｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｗｅａｒｆｌｌｔ屯ａｗｈｉｃｈＷａＳｕｓｅｄｔｏｔｕｒｎｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ（Ｔｉ一６ＡＩ－４Ｖ）－ｔｈｅｎｍａｋｉｎｇＵｓｅｏｆｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）ｗｉｔｈＸ—ｒａｙｅｎｅｒｇｙｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ（ＥＤＳ）－ａｎｄｅｌｅｍｅｎｔｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｆｌａｎｋｆａｃｅｏｆｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌａｎｄａｄｈｅｓｉｏｎｌａｙｅｒＷａｇｄｅｔｅｃｔｅｄ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｐｒｏｖｅｈｅｌｐｆｏｒｄｉｆｆｕｓｉｏｎｗｅａｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌｉｎｈｉ．ｇｈｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＥＭ；ＥＤＸ；ＤｉｆｆｕｓｉｏｎＷｅａｒ高速切削加工技术已成为切削加工的主流，在高速切削条件下，刀具占主导地位的磨损机理与常规速度下刀具的磨损机理有所不同。
刀具磨损对TC11铣削表面粗糙度与残余应力的影响
李 锋 1 李旭东 1 刘维伟 2 杜崇辉 3
（1 西安航空学院，西安 710089） （2 西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安 710072）
（3 西安航空发动机 （集团） 有限公司，西安 710021）
文 摘 为了研究 TC11 钛合金铣削加工过程中刀具磨损对加工表面质量的影响规律，设计了刀具磨损
宇航材料工艺 http：// 2019 年 第 3 期
— 91 —
始于切削刀痕、表层组织烧伤、表层拉应力造成的加 工表面缺陷处［1-3］。因此，研究钛合金切削过程中的 表面质量问题具有重要的实用价值。
国内外学者对钛合金切削加工中的表面质量问 题进行了大量的研究。DAYMIN 等［4］采用涂层刀具 对 Ti6Al4V 进行了铣削试验，分析了刀具加工倾角和 切削速度对加工表面质量的影响。SHARMAN 等［5］ 对 TiAl 合金进行了车削试验，分析了不同切削速度 对加工表面质量的影响。MANTLE 和 ASPINWALL［6］ 进行了 TiAl 合金的高速铣削试验，研究了刀具磨损、 冷却条件、铣削用量等对加工表面质量的影响。国 内冯浩等［7］研究了 Ti6Al4V 高速铣削时，切削参数对 加工表面粗糙度、铣削力、表面残余应力、表面硬化 等的影响。倪君辉等［8］研究了 TC4 钛合金高速铣削 过程中刀具后刀面磨损对加工表面粗糙度的影响。 姚倡锋等［9］研究了 TC11 高速铣削时，冷却工艺、刀具 前角和切削参数对加工表面粗糙度和表面形貌的影 响规律。上述的研究中，针对钛合金 TC4、Ti6Al4V 的加工表面质量问题研究较多，而 TC11 加工表面质 量 的 研 究 较 少 。 TC11 和 TC4、Ti6Al4V 等 钛 合 金 相 比，化学组成不同，性能也有区别，TC11 比 TC4 具有 更好的抗氧化性，拉伸强度、屈服强度也更大，阻燃 性更好。本文主要针对钛合金 TC11，重点分析刀具 磨损对 TC11 加工表面粗糙度与表面残余应力的影 响规律，拟为改善 TC11 钛合金铣削加工表面质量、 提高刀具寿命提供依据和数据支持。 1 试验 1. 1 试验条件
高速加工刀具材料磨损机理研究
高速加工刀具材料磨损机理研究一、引言随着制造业的快速发展，高速加工技术在工业领域的应用越来越广泛，对刀具材料的磨损机理进行全面深入的研究，对于提高加工效率、降低成本具有重要意义。
本文旨在探讨高速加工刀具材料磨损机理的研究现状和前景。
二、刀具材料磨损分类刀具材料磨损主要可以分为机械磨损和化学磨损两大类。
1. 机械磨损机械磨损是指刀具表面因削减、破裂、掉块等机械行为造成的磨损。
其主要形式包括粘着磨损、疲劳磨损和磨粒磨损。
粘着磨损是由于刀具表面与被加工材料之间的建立气体层破裂或变形所引起的。
疲劳磨损是由刀具在高速运动过程中遇到不规则变形或崎岖表面导致的。
磨粒磨损是指被加工材料中的硬颗粒与刀具表面接触并积聚在刀具上的现象。
2. 化学磨损化学磨损是指刀具表面因与被加工材料间的热反应、氧化、硬质互穿等化学行为引起的磨损。
典型的化学磨损有氧化磨损和硬质互穿磨损。
氧化磨损是刀具表面与被加工材料中的氧化物相互作用导致的磨损。
硬质互穿磨损是刀具表面与被加工材料中的硬质颗粒相互碰撞摩擦产生的现象。
三、刀具材料磨损机理研究现状目前，对于高速加工刀具材料磨损机理的研究已经取得了一些进展。
研究者通过实验和理论分析，探索了磨损机理以及影响刀具磨损的因素。
1. 实验研究通过高速加工试验，研究者们观察了刀具表面的磨损情况，并通过显微镜分析磨损形貌，从而揭示了不同类型的磨损机理。
例如，粘着磨损下的氧化、疲劳磨损下的裂纹形成，以及磨粒磨损下的颗粒分布等。
2. 理论分析基于已有的实验结果，研究者们构建了各种模型，通过数值模拟和有限元分析，研究了刀具磨损的力学行为和应力分布。
这些模型可以预测刀具磨损的位置、程度和时间。
四、刀具材料磨损机理研究的问题与挑战尽管已经取得了一些成果，但是高速加工刀具材料磨损机理的研究仍然面临一些问题与挑战。
1. 复杂性刀具材料磨损涉及多种机制的叠加作用，不同类型的磨损现象之间相互影响，使得研究变得复杂。
为了全面了解刀具磨损机理，必须考虑多个因素的综合作用。
锯齿形切屑变形表征与其形态演化研究
2010年11月农业机械学报第41卷第11期DO I :10.3969/.j issn .1000 1298.2010.11.044锯齿形切屑变形表征与其形态演化研究*苏国胜 刘战强 杜 劲 杨奇彪(山东大学机械工程学院,济南250061)摘要 提出一个锯齿形切屑模型,并在该模型基础上建立了表示切屑分节变形程度的相关参数计算公式;以高强度钢A er M e t 100为例进行了切削实验,对收集到的切屑进行了变形参数计算,验证了模型的有效性;在对实验结果讨论的基础上建立了切屑形态随切削速度提高而变化的模型,定性地分析了切屑随切削速度的提高产生锯齿化的原因,结果表明切屑随切削速度的提高而逐渐锯齿化的根本原因在于切削材料的动态强度(屈服强度、拉伸强度)的提高和热软化效应、应变硬化效应影响的减弱。
关键词:锯齿形切屑 高速切削 切屑变形 动态强度中图分类号:TG506文献标识码:A文章编号:1000 1298(2010)11 0223 05Descri ption of Serrated Chi p Deformati on and ItsM orphol ogy Evol uti onSu Guosheng Liu Zhanq iang Du Jin Y ang Q i b i a o(S chool of M ec hanica l Engineer i ng,Shandong Univers it y,J i nan 250061,Chi na)Abst ractA m ode l o f ch i p for m ati o n fo r high speed m ach i n i n g w as proposed .A seria l of para m etersw ere built to assess the defor m ation o f the chip seg m en.t Turning experi m ents w ere carried out on a k i n d of h i g h streng th stee,l Aer M et100,to validate the m ode.l A further discussi o ns were m ade on the experi m enta lresu lts on w hich a m odel o f chip for m ation at d ifferent cutti n g speeds w as developed .The m echan is m s o f ch i p defor m ati o n at t h e d ifferent cutti n g speeds w ere studied qualitatively .It was f o und that w ith the i n crease of cutti n g speed ,the m aterial dyna m ic y ield strength ,tensile streng th w ou l d be streng thened and the infl u ence of ther m a l so ften i n g effec,t strain hardening effect would be w eakened ,wh ich cou l d decided l y lead to t h e onset of serrated ch ip .K ey w ords Serrated ch i p ,H igh speed m achini n g ,Ch ip defor m ation ,Dyna m ic strength收稿日期:2009 10 30 修回日期:2010 01 15*国家自然科学基金资助项目(50828501)和国家!973!重点基础研究发展计划资助项目(2009CB724401)作者简介:苏国胜,博士生,主要从事高速切削加工研究,E m ai:l suguos h eng @si na .co m通讯作者:刘战强,教授,博士生导师,主要从事高速/高效加工、微细切削加工研究,E m a i :l m eli us @ .cn引言多数金属材料在进行高速切削加工时会有锯齿形切屑产生,对于硬度高、热物理性能差的所谓∀难加工!材料更是如此。
高速切削过程中的刀具磨损分析
高速切削过程中的刀具磨损分析一、引言高速切削是现代制造业中重要的加工技术之一，它能够大幅度提高生产效率和产品质量。
而刀具是高速切削中至关重要的工具，刀具磨损是影响切削质量和加工效率的重要因素。
本文将深入研究高速切削过程中刀具磨损的原因和分析方法。
二、刀具磨损原因1. 磨粒磨损磨粒是工件表面的微小颗粒，高速切削中，磨粒会附着在刀具表面，随着刀具与工件的摩擦，刀具表面受到磨粒的磨损，导致刀具寿命缩短。
磨粒的来源可以是工件材料本身的颗粒，也可以是切削液中的杂质等。
2. 硬度不匹配在高速切削过程中，工件和刀具的硬度差异会导致刀具的磨损。
如果工件的硬度过高，会对刀具产生较大的切削力，导致刀具表面磨损严重。
同时，过高的切削速度也会增加刀具的磨损。
3. 温度效应高速切削过程中，刀具表面会受到高温的影响，导致刀具的热膨胀和热涨落。
这些热变化会导致刀具表面的细微变形和应力集中，最终导致刀具的磨损。
4. 切削力和震动切削力是高速切削过程中产生的力，它会导致刀具的弯曲和振动。
刀具在振动中与工件的接触面积增大，导致刀具表面材料疲劳和剥落，加速刀具的磨损。
三、刀具磨损分析方法1. 微观表面分析通过对刀具表面的显微结构分析，可以观察到刀具微观磨损的形态和特征。
可以使用光学显微镜、扫描电子显微镜等设备，观察刀具表面的磨痕、裂纹和变形等。
通过对磨损特征的分析，可以判断刀具磨损的主要原因。
2. 瑕疵检测通过对刀具表面瑕疵的检测，可以分析刀具磨损的程度和形式。
可以使用红外无损检测、超声波检测等技术，对刀具表面的微小裂纹和伤痕进行检测。
通过检测结果可以判断刀具的剩余寿命和使用情况。
3. 化学分析通过对刀具表面和切削液中主要元素和化合物的成分分析，可以了解刀具磨损的化学机理。
磨粒的成分分析可以帮助确定磨粒的来源和对刀具的磨损程度。
切削液中杂质的成分分析可以判断杂质对刀具的磨损效果。
4. 数值模拟数值模拟是一种常用的刀具磨损分析方法，通过使用有限元法等数值分析工具，对刀具和切削过程进行模拟计算。
先进切削加工技术综述
先进切削加工技术综述山东大学刘战强王兆辉刘逢时1 引言20世纪80年代以来，随着全球化市场竞争日趋激烈，为争取技术优势，各国纷纷开展先进制造技术的研究与开发。
伴随着信息技术的不断发展，先进制造技术一方面发展了以数控机床为基础的自动化加工技术，另一方面发展了各种新的加工方法和加工工艺，比较典型的有(超)高速切削、干切削、硬切削、(超)精密切削技术等。
微机械(或微型装置)是另一个新型研究领域，其加工技术的开发具有巨大的产业化应用前景。
虚拟切削加工技术是在计算机上借助虚拟现实、立体建模和仿真技术，检验产品的设计合理性和可加工性，对产品的加工过程进行模拟与仿真，预测产品的加工质量、制造周期、使用性能等，以便及时修改设计，缩短产品的研制周期，获得最佳产品质量、最低生产成本和最短开发周期。
本文主要综述(超)高速切削、干切削、硬切削、(超)精密切削、虚拟切削加工技术的主要研究内容及其关键技术。
2 高速切削加工技术提高切削速度一直是切削加工领域十分关注并为之不懈努力的重要目标。
虽然目前国内外专家尚未对高速切削的切削速度的界定达成共识，但通常认为高速切削的切削速度比常规切削速度高5~10倍以上。
高速切削加工技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件与软件技术综合应用的基础上发展起来的。
因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，高速切削加工技术体系(见图1)是机床、刀具、工件、加工工艺、切削过程监控、切削机理等诸多方面的有机集成。
图1 高速切削加工技术体系高速切削加工具有以下特点：①切削力随着切削速度的提高而下降；②切削产生的热量绝大部分被切屑带走；③加工表面质量提高；④在高速切削范围内机床的激振频率远离工艺系统的固有频率范围。
以上特点有利于提高生产效率；有利于改善工件的加工精度和表面质量；有利于减少模具加工中的手工抛光；有利于减小工件变形；有利于使用小直径刀具；有利于加工薄壁零件和脆性材料；有利于加工较大零部件；可替代其它加工工艺(如磨削)，获得显著的经济效益。
高速切削时刀屑摩擦区的熵产生
高速切削时刀屑摩擦区的熵产生
邵芳;刘战强;万熠
【期刊名称】《机械设计》
【年(卷),期】2010()2
【摘要】高速切削时,切削温度常高达1000℃以上,刀具在高的切削温度作用下发生剧烈磨损和破损,如何提高刀具寿命已成为切削领域研究的重要课题之一。
文中用热力学的方法推导了高速切削时刀屑摩擦区的熵产生模型,对熵产生的特点进行了分类探讨。
结果表明:切削速度的变化对熵产生的影响最大,但该函数模型无极值,无法预测效率最高时的最佳切削用量,研究结果可对切削过程的优化和刀具材料的选择提供参考。
【总页数】3页(P90-92)
【关键词】高速切削;刀屑摩擦;熵产生
【作者】邵芳;刘战强;万熠
【作者单位】山东大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O642
【相关文献】
1.面向金属切削过程数值模拟的材料本构方程和刀-屑摩擦特性 [J], 丁杰雄;崔海龙;张川东;付陆元
2.刀屑摩擦对切削加工影响的有限元分析 [J], 刘胜永;万晓航;董兆伟
3.基于刀-屑摩擦与切削速度关联模型的切削力数值分析 [J], 郭建英;吕明
4.刀-屑摩擦对斜角切削切屑流动特性影响的仿真研究 [J], 吕明;郭建英
5.考虑切削条件变化的刀屑摩擦因数反求方法 [J], 邢万强;熊良山;汤祁
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第22卷 第6期摩擦学学报V o l22, N o6 2002年11月T RIBO LOGY Nov,2002高速切削刀具磨损表面形态研究刘战强,艾 兴(山东大学机械工程学院,山东济南 250061)摘要:对立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具及超细晶粒硬质合金刀具高速铣削灰铸铁、调质45#钢和淬硬45#钢时的刀具磨损形态及其磨损机理进行观察和分析.结果表明:在高速切削条件下,不同刀具材料与工件材料匹配时的刀具磨损形态主要表现为前刀面磨损、后刀面磨损、微崩刃、剥落和破损等;高速切削时刀具的前刀面磨损形态不同于常速切削时的磨损形态,即磨损不表现为月牙洼的形式,而是表现为切削刃处磨损最大的斜面磨损形式,前刀面磨损区域随切削速度提高而减小,但磨损深度增大.研究结果可用于指导高速切削刀具材料的设计、合理选用及刀具磨损控制.关键词:刀具;高速切削;磨损中图分类号:T G506.1文章标识码:A文章编号:1004-0595(2002)06-0468-04 切削加工是机械加工中应用最广泛的方法之一,目前零件的最终成形仍以切削加工为主.高速切削可以大幅度提高生产效率,单位时间内材料切除率提高3～5倍或更高,加工表面质量可提高1～2级,加工费用可降低20%～50%.因此,高速切削已成为切削加工发展的主要方向之一[1～3].与常速切削相比,高速切削时刀具与工件的接触时间减少,但接触频率增加,切削过程中产生的热量更多地向刀具传递,高速切削过程中的工件被加工表面与刀具的接触表面处于比常速切削更剧烈的高速、高温、高压环境中,由于挤压、剪切滑移作用,刀具磨损形态和磨损机理与常速切削时相比存在很大差别.刘有荣等[4～6]考察了常速切削下各种刀具材料与工件材料匹配时的刀具摩擦磨损机理.但有关高速切削刀具磨损形态及磨损机理的研究,尤其是断续铣削加工时刀具磨损的研究还很少.本文作者通过高速铣削试验以及刀具磨损表面形貌的观察和分析,揭示高速铣削时切削刀具的磨损形态及其形成机理,旨在为高速切削刀具材料的设计、合理选用及刀具磨损控制提供实验依据.1 实验部分采用高速立式加工中心,主轴可无级调速,最高转速10000r/min;工件材料为普通灰铸铁(硬度≤150HB)及45#钢(调质,硬度35～40HRC;淬火,硬度45～50H RC).立方氮化硼(PCBN)刀具W CB50为德国Walter公司产品;Al2O3基陶瓷刀具LT55和SG4为山东大学产品,N B90S为日本SUM ITOMO ELEC TRIC公司产品;Si3N4基陶瓷刀具NS260为日本SUM ITOMO ELECTRIC公司产品;硬质合金基TiC涂层刀具GC4030为瑞典SANDV IK公司产品;硬质合金基TiC+Al2O3+TiN涂层刀具YB415及超细晶粒硬质合金刀具YS10均为株洲硬质合金刀具有限公司产品.刀具几何参数以及切削条件参见表 1.切削方式为干切削,刀具切削行程达到150m m 时(突然破损除外),用工具显微镜进行刀具磨损表面形态的观察分析.2 结果与讨论2.1 前刀面磨损图1给出了Y S10刀具高速铣削45#调质钢时前刀面的磨损形态.可见:与常速切削刀具出现的月牙洼磨损形态不同,高速切削刀具的磨损区域与切削刃直接相连,最大磨损部位位于切削刃处.同时还发现,随着切削速度提高,磨损区域减小,但磨损深度增加.这是由于其磨损形态与常速切削的前刀面磨损形态不同,高速切削时切削温度很高(可达800～1000℃甚至更高),导致粘结、扩散和氧化磨损加剧,而且刀基金项目:国家自然科学基金资助项目(50105012);教育部留学回国人员科研基金资助项目(中博基2000-23).收稿日期:收稿日期:2002-01-28;修回日期:2002-05-17/联系人刘战强,E-mail:melius@.作者简介:刘战强,男,1969年生,博士,副教授,目前主要从事高速切削的研究.DOI:10.16078/j.t ri b ology.2002.06.013表1 刀具参数及切削条件Table 1 Tool parameters and cutt ing conditions Cutting conditions ParametersCutter diam eter O /mm100Approach angle /(°)75Axial angle /(°)-5(Ceramic ,PCBN )0(Coated carbide ,Carbid e )Radial angle /(°)-7(Ceramic ,PCBN )7°(Coated carbide,Carbid e)Feed per tooth /m m·z -10.1Radial d epth of cu t /m m 5Axial depth of cut /mm 0.5Cutting s peed /m ·min -11100Fig 1 Rake face w ea r o f Y S 10in cutting 45#tempered steel 图1 刀具Y S 10切削45#调质钢时的前刀面磨损形态具的高温区域接近切削刃[7];另外,高速切削时刀-屑接触长度很短,切削力集中在切削刃附近,使得受热软化的切削刃发生变形和塌陷,导致前刀面磨损[8].鉴于本文试验采用断续切削方式,冲击力的影响也不可忽视.因此,高速切削时刀具前刀面磨损表现出机械磨损和化学磨损的综合特征,这就要求高速切削刀具材料具有优良的耐热性、耐磨性及化学稳定性.陶瓷刀具LT 55、SG 4、NB 90S 和NS 260在同样条件下高速铣削45#调质钢时也出现了同图1相似的前刀面磨损形态,但由于陶瓷刀具的耐热性、耐磨性和化学稳定性优于硬质合金刀具,故其前刀面磨损区域和磨损深度都比硬质合金刀具的小.2.2 后刀面磨损由于加工表面和刀具后刀面之间存在着强烈的摩擦,高速切削加工时在后刀面上毗邻切削刃处出现后刀面磨损.后刀面磨损是高速切削刀具最常见的磨损.图2示出了涂层刀具YB415高速铣削45#淬硬钢时后刀面的磨损形态.可见,在高速切削条件下,刀具的后刀面磨损形态呈现出与常速切削相似的较均匀的带状,但位置较靠近刀尖部位,出现这种后刀面磨Fig 2 Fla nk w ear of YB415in cutting 45#har dened steel 图2 刀具YB 415切削45#淬硬钢时的后刀面磨损形态损形态的主要原因是高速切削时刀具的高温区域接近切削刃且高速切削时刀-屑接触长度很短,切削力集中在切削刃附近.2.3 剥落和裂纹高速铣削时,刀具快速切入和离开被加工件,被加工区域所受载荷突然增加和消失,刀具所受到的拉应力和压应力迅速交替,造成刀-屑或刀-工件接触区的接触疲劳;另外,高速切削时温度很高,易产生平行于切削刃方向的热应力,而刀具离开被加工件时热应力释放,刀具不断切入、切出,造成热应力疲劳.接触疲劳与热应力疲劳都会引起裂纹,使刀具前、后刀面发生剥落[9].当剥落很轻微时,可将其视作磨损,但在很多情况下,由于裂纹源位于距刀具表面一定深度处,裂纹扩展后所形成的剥落块往往大于刀具磨损限度,一旦剥落,即造成刀具剥落破损失效.陶瓷刀具端铣钢和铸铁时,在前刀面上常出现贝壳状剥落.由于涂层材料与基体材料结合强度不够高,涂层刀具也易发生剥落(如图3),这就要求涂层刀具具有较高的抗 Fig 3 Fractur e o f to ol G C4030in cutting ca st iro n图3 刀具G C4030切削铸铁时的剥落涂层破裂能力.2.4 微崩刃微崩刃是在切削刃上产生的小缺口,常在断续高469第6期刘战强等: 高速切削刀具磨损表面形态研究速切削过程中发生.通常刀具微崩刃大小在磨损限度以内时,刀具仍可继续使用.图4给出了LT 55陶瓷Fig 4 Chipping of to ol L T55in cutting ca st iro n图4 刀具L T 55切削铸铁时的微崩刃刀具高速铣削铸铁时发生的微崩刃.减小进给量,改变刀具主偏角以增加稳定性,以及选择韧性好的刀具材料都可减小微崩刃出现的概率.涂层刀具高速切削时也常出现微崩刃,这主要是由于高速切削时温度较高,涂层与基体的结合强度减弱所致[10].2.5 破损刀具材料或切削用量选择不当,刀具经受不住强大应力(切削载荷或热应力)作用,就可能发生突然破损.PCBN 刀具适合加工硬度在45HRC 以上的淬硬钢、耐磨铸铁、35H RC 以上的耐热合金以及30HRC 以下的珠光体灰口铸铁;用PCBN 刀具切削45#调质钢工件(硬度<40HRC )时刀具会发生突然的破损(如图5所示).脆性刀具材料如陶瓷刀具在高速断续切Fig 5 Br ea kag e o f too l W CB50in cutting45#tempered steel图5 刀具W CB50切削45#调质钢时的破损削或高速重切削条件下的切入、切出过程中还会发生刀头碎断,即刀尖连同主副切削刃碎断(俗称打刀).以LT 55陶瓷刀具为例,其铣削45#淬硬钢且为正前角时,在靠近前刀面的刀楔内引起拉应力,由于刀具脆性较大、抗拉强度较低,就会发生上述突然破损.3 结论a . 高速切削刀具损坏的形态主要表现为前刀面磨损、后刀面磨损、微崩刃、剥落及破损等.b. 高速切削时刀具的前刀面磨损形态不同于常速切削时的磨损形态,即其不是表现为月牙洼磨损形式,而是表现出切削刃处磨损最大的斜面磨损形式;前刀面磨损区域随切削速度提高而减小,但磨损深度增大.参考文献:[1] Sch ulz H.High-s peed machining [J ].An nals of th e C IRP,1992,41(2):637-642.[2] Smith S ,Tlusty J .Current trend s in h igh -s peed machining [J ].Trans action s of the ASM E ,J ournal of M anu factu ring Science and Engineering,1997,119:664-666.[3]Ashley S.High speed mach ining g oes mains tream [J ].M echanical Engineering,1995,5:56-61.[4] Liu Y R (刘有荣),Liu J J (刘家浚),Zhu B L (朱宝亮).W earPerformance and M echanis m of Si 3N 4Com posite Ceramic Cutting Tool (Si 3N 4基陶瓷刀具的摩擦磨损规律与机理分析)[J].Tribology (摩擦学学报),1997,17(2):105-114.[5] Deng J X (邓建新),Ai X (艾兴).W ear and Lub rication ofCeramic Cutting Tools (陶瓷刀具切削加工时的磨损与润滑)[J ].Tool Engineering (工具技术),2001,35(5):3-6.[6]J ah anmir S.Tribolog y is sues in machining 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high speed face milling o f cast iro n,AISI-1045tempered carbo n steel,and AISI-1045hardened ca rbo n steel w ere ex amined with a too l -making micro sco pe .The results show ed that th e cutting too ls had different w ea r mo des with va rying m aterial pairs of the cutting too l and w orkpiece.The dominant w ear patterns of the cutting tools included ra ke face w ear,flank w ear,micro-chipping ,fracture,and breakag e.The rake face w ear o f the cutting tools in high speed machining was different from tha t in conv entional speed m achining .Namely ,the rake face was no t characterized by crater w ear but by slo pe -plane-w ear with the maxim um w ea r at the cutting edge,while the wo rn area o f the rake face decreased with increasing cutting speed and the w ear depth increased co rrespo ndingly.The results might be helpful to g uiding the desig n a nd selectio n o f too l materials and co ntrol o f tool w ear in high -speed machining processes .Key words :cutting to ol ;high speed machining ;wearAuthor :LIU Zhan-qiang,male,bo rn in 1969,Ph.D.,Associa te Professo r,E-m ail :m elius @.471第6期刘战强等: 高速切削刀具磨损表面形态研究。