刀具磨损（精选八篇）
刀具磨损 篇1
关键词：刀具监控,磨损破损,智能传感,信号处理
1 刀具磨损破损监控的必要性
刀具磨损破损状态监控 (以下简称刀具监控) 与产品质量密切相关。现代制造装备精度高、可靠性好, 机床、夹具等对工件质量的影响较少, 刀具状态对加工质量和生产效率至关重要。
切削过程中, 刀具磨损破损不可避免。刀具磨损影响加工精度和表面粗糙度;刀具破损不仅降低表面质量, 严重时还会影响机床的正常运行和安全。因此, 需要实时监控刀具磨损状态, 在磨损已达到磨钝标准或意外破损时, 控制机床采取措施, 保证安全, 降低废品率。
研究表明, 机床配置刀具磨损破损监测仪后故障停机时间减少75%, 生产率提高10%~60%, 机床利用率提高50%以上。
2 刀具监控技术概况
在刀具监控技术上, 日、美、德及瑞典等国家处于领先水平, 方法分为直接法和间接法两种。直接法是检测与刀具材料的体积变化相关的参量来反映刀具状态, 有光学图象法、接触法、放射法和电阻法等。在实际切削中, 信号不易采集, 需要停机检测, 占用工时, 同时无法预警刀具的突然损坏, 因此直接法应用受限。间接法是通过测量影响刀具磨损、破损的参量, 间接判断刀具状态。间接法检测不影响加工过程, 能够实现在线监测, 及时发现刀具磨损并预报破损。此外, 剔除检测中的各种干扰, 提取特征信号是其关键技术。
3 刀具监控技术的发展
早期刀具监控技术主要集中在传感方式、信号处理、特征提取等方面, 且监控模型简单。1968年, Micheletti等对加工过程中刀具磨损时切削力的变化进行了研究。Tlusty等认为, 刀具磨损将导致切削力增大, 且进给力的变化比主切削力的变化显著。Mannan在对主轴电机和进给电机功率、电流信号特征分析的基础上, 开发了刀具磨损监视系统。Lan和Blum等采用声发射 (AE) 监视加工中的刀具破损, 灵敏度很高, 并获得了刀具破损面积与AE信号能量之间的关系。Wildes等进一步研究了刀具几何参数对AE信号能量的影响。监控模型的研究中, Takataisol采用时间序列AR模型对切削力建模, 预测残差的突变检测刀具破损。Zhang等提出了刀具磨损检测的频段能量法, 对加工中力杆振动信号的频谱进行分析。Emel采用统计模式识别的线性函数对刀具磨损的AE信号进行学习和判别, 取得了良好效果。
国内70年代末才开始这方面的研究。杨广勇研究了不同切削用量下硬质合金刀具的磨损与耐用度, 为优化切削参数提供参考。姜澄宇等对车削中刀具切入切出时的振动信号及其检测技术进行了研究。万军和李晓谦等采用相干函数法, 分别从振动信号和切削力信号中提取特征, 监视刀具的磨损。甘启义等开发了加工过程记忆式监控系统, 对加工过程功率信号进行记忆式学习, 实现CNC机床的多工序监控。青光申等根据刀具由正常磨损阶段转入急剧磨损阶段 (或破损) 时相对切削分力比的显著变化现象, 研制了实用化的刀具磨损、破损监测系统。郑力和张飞虎等对在线监控技术进行深入研究, 开发了在线监控系统。
4 刀具监控关键技术
刀具监控系统一般由信号检测、特征提取和状态识别三部分组成, 其关键技术有智能传感、信息融合、信号处理和智能学习决策。
4.1 智能传感
4.1.1 智能传感技术
传感器在现代工程中应用越来越广泛。在刀具监测中, 传感器把切削过程的物理量 (如切削力) 转换成电信号, 以便后续阶段处理。采集到的电信号必须如实反映切削过程。同时, 在在线检测中, 传感器与机床配套使用, 要求其安装简便, 抗干扰性强。
不同的监测信号优缺点不同。同类型的监测信号在不同工况时, 对刀具磨损的敏感度也不同。在刀具监测中, 切削加工的多样性、切削参数的多变性、刀具磨钝的随机性与模糊性, 和单调的监测信号存在矛盾。为解决这一问题, 需要多传感器信息融合实现刀具监测。
多传感器信息融合与单一传感器信号处理有着本质区别。多传感器的信息更复杂, 能够在不同层次上融合集成。经融合后的信息具有冗余、互补、实时与低成本性, 且多传感器融合的信息更全面、更准确。
4.1.2 智能传感技术的发展趋势
信息采集由单传感器向多传感器发展, 特征提取由单特征值向多特征值发展;多传感器信息采集成为趋势。多传感器获取多种信号, 进行多参数的智能决策;开发灵敏度高、结构紧凑、安装方便、抗干扰的传感器;向多传感器信息融合的方向发展, 尤其是基于神经网络的多传感器信息融合。
4.2 基于神经网络的多传感器信息融合
信息融合需要有效算法和较强的数据处理, 神经网络和计算机分别满足此要求, 因此信息融合在刀具监测中广泛应用。多传感器信息融合与神经网络相结合, 构成多参数、多模型系统, 应用于刀具监测中, 前景广阔。
基于神经网络的多传感器信息融合具有如下优点: (1) 信息存储在网络的联接权值和联接结构上, 形式统一, 便于建知识库及管理; (2) 神经网络增加容错性。当传感器出现故障或检测失效时, 神经网络的容错功能允许检测系统正常工作, 并输出可靠信息; (3) 神经网络具有自学习和自组织功能, 能自适应检测环境的变化及检测信息的不确定; (4) 神经网络具有并行机制, 处理信息速度快, 满足实时处理需要。
4.3 信号处理
4.3.1 信号处理技术
信号处理是分析处理采集的信号, 获取特征值, 对特征值决策分析, 达到监测目的。刀具监控的信号处理方法极为丰富, 有时域分析、频域分析、时频分析、统计分析、智能分析、神经网络等。传统的信号处理多集中时域或频域分析。近年来, 信号处理方法则逐渐向时频分析和智能方向发展。
(1) 傅立叶变换
将瞬时多变的时域信号转换到频域上, 更有利于分析其特征和性质, 而傅立叶变换是频域分析的重要方法。离散傅立叶变换 (DFT) 的时域和频域均离散化, 可用计算机作傅立叶分析。快速傅立叶变换 (FFT) 使DFT的运算效率提高1至2个数量级。傅立叶变换用频谱特性分析表现时域信号, 但也有其局限性。
(2) 小波分析
小波分析是多分辨率分析的时频分析方法, 在时域、频域都能够表征信号局部特征, 其窗口大小固定不变但形状可变。小波、小波包能分析微弱故障, 适应于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象, 应用前景广宽。
连续小波变换是一种特征提取方法, 通过将信号在时间—频率尺度上的特征提取, 反映原信息的特征, 但不能准确反映信号的能量大小。基于多分辨率的小波分析具有变化的时间或频率分辨率, 能准确反映信号的能量大小。基于信号的小波包分析将信号分解在带宽相同、首尾相接的频带上, 对高频和低频都具有较高的时频分辨率。
(3) 广义自适应小波
广义自适应小波分析是指在小波分析中, 根据信号特点, 依照某种算法对一个或几个参量进行适应性选择, 以取得最好的分析效果。这些参量包括小波基、小波分解尺度、平移系数和加权系数等。
4.3.2 信号处理技术的发展趋势
(1) 由单一的特征提取向多种特征提取的方向发展。
(2) 信息的特征提取向多模型化特征提取方向发展。
4.4 智能学习决策
智能学习和决策为解决加工过程监测中的难题提供了有效方法。
4.4.1 智能学习决策技术
目前, 刀具磨损破损监测系统中采用的智能技术有模式识别、专家系统和神经网络。
(1) 模式识别
非线性决策函数是最早应用于刀具监测的模式识别。模糊模式识别是模糊数学在模式识别中的一个分支。刀具的磨损破损状态是模糊的概念, 因此可以应用模糊模式识别技术。
(2) 专家系统
在刀具监测中, 专家系统主要用于管理和推理切削数据。但是, 由于它获取知识困难, 且需要知识库, 而建立知识库成本较高, 不易被刀具监测系统所接受。
(3) 人工神经网络
人工神经网络 (ArtificialNeuralNetwork, 简称ANN或NN) 是从仿生学的角度对人脑神经系统进行模拟, 使机器具有类似人脑的感知、学习和推理等能力。神经网络有如下优点:并行结构, 同时融合多个信号;强大的知识获取能力;联想推理和自调整;非线性映射。此外, 神经网络也存在诸多不足:学习速度较慢;学习过程中易出现局部收敛;某些模糊信号无法处理;结构难理解等。
(4) 小波神经网络
小波分析是分析处理信号的有效工具。神经网络能够有效实现输入输出间的非线性映射, 具有自学习和模式识别能力。因此, 小波分析与神经网络相结合, 可以利用小波变换良好的时频局域化性质和神经网络的自学习功能, 使其具有良好的逼近、容错能力。小波与神经网络有松散型和紧致型两种结合。但现有的小波神经网络的学习算法以梯度下降为主, 而梯度算法收敛较慢。
(5) 模糊神经网络
模糊神经网络 (FuzzyNeuralNetwork, FNN) 是基于模糊推理的神经网络, 能够有效识别多信号输入的非确定性问题, 精细刻划刀具磨损量模糊性。FNN是复杂信号特征识别的有效方法, 具有学习速度快, 算法精炼, 能够满足刀具监控实时性的要求。
4.4.2 智能学习决策的发展趋势
(1) 神经网络适合在信息量大、集成度高、实时性好的集成环境下应用, 更注重于无监督学习型应用。因此, 智能学习决策技术的发展将越来越依赖于神经网络。
(2) 神经网络与模糊系统相融合, 基因遗传算法向神经网络渗透。
5 刀具监测系统的不足与改进
刀具磨损、破损往往发生在一瞬间, 对监测系统的要求非常高。目前, 国内的刀具监测系统存在以下不足: (1) 刀具监测的软件系统运行稳定性差, 无法及时分析处理动态的特征信号, 且通用性与扩展性差; (2) 特征信号的参数提取方法有待改进。
今后, 刀具监测系统的改进方向为: (1) 采用相同的开发平台及语言, 共享源代码, 模块化开发监测软件, 共同将其做大做强; (2) 以实时监测、提前预报为目标, 根据具体情况合理选择多种信号处理方法, 提取特征参数。
6 结论
刀具磨损 篇2
石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。石墨是其中一种最软的矿物，它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂。碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为Carbonium，意为“煤，木炭”，汉字“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁构成，从“炭”字音。 石墨有哪些用途：
随着科学技术的不断发展，人们对石墨也开发了许多新用途。
柔性石墨制品。柔性石墨又称膨胀石墨，是年代开发的一种新的石墨制品。
年美国研究成功柔性石墨密封材料，解决了原子能阀门泄漏问题，随后德、日、法也开始研制生产。这种产品除具有天然石墨所具有的特性外，还具有特殊的柔性和弹性。
因此，是一种理想的密封材料。广泛用于石油化工、原子能等工业领域。国际市场需求量逐年增长。
刀具磨损的注意事项
1、刀具材料：对于加工石墨专用刀具，普通的TiAlN涂层可在选材上适当选择韧性相对较好一点的，也就是钴含量稍高一点的；对于金刚石涂层石墨刀具，可在选材上适当选择硬度相对较好一点的，也就是钴含量稍低一点的；
2、刀具的几何角度：石墨刀具选择合适的几何角度，有助于减小刀具的振动，反过来，石墨工件也不容易崩缺；①前角，采用负前角加工石墨时，刀具刃口强度较好，耐冲击和摩擦的性能好，随着负前角绝对值的减小，后刀面磨损面积变化不大，但总体呈减小趋势，采用正前角加工时，随着前角的增大，刀具刃口强度被削弱，反而导致后刀面磨损加剧。负前角加工时，切削阻力大，增大了切削振动，采用大正前角加工时，刀具磨损严重，切削振动也较大。②后角，如果后角的增大，则刀具刃口强度降低，后刀面磨损面积逐渐增大。刀具后角过大后，切削振动加强。③螺旋角，螺旋角较小时，同一切削刃上同时切入石墨工件的刃长最长，切削阻力最大，刀具承受的切削冲击力最大，因而刀具磨损、铣削力和切削振动都是最大的。当螺旋角去较大时，铣削合力的方向偏离工件表面的程度大，石墨材料因崩碎而造成的切削冲击加剧，因而刀具磨损、铣削力和切削振动也都有所增大。因此，刀具角度变化对刀具磨损、铣削力和切削振动的影响是前角、后角及螺旋角综合产生的，所以在选择方面一定要多加注意。通过对石墨材料的加工特性做了大量的`科学测试，PARA刀具优化了相关刀具的几何角度，从而使得刀具的整体切削性能大大提高。
3、刀具的涂层:加工石墨刀具应选择金刚石涂层，它的硬度高、耐磨性好、摩擦系数低等优点，现阶段金刚石涂层是石墨加工刀具的最佳选择，也最能体现石墨刀具优越的使用性能；金刚石涂层的硬质合金刀具的优点是综合了天然金刚石的硬度和硬质合金的强度及断裂韧性；可以提高近10-20倍刀具使用寿命。
4、刀具刃口的强化：刀具刃口钝化技术是一个还不被人们普遍重视，而又是十分重要的问题。金刚石砂轮刃磨后的硬质合金刀具刃口，存在程度不同的微观缺口(即微小崩刃与锯口)。石墨高速切削加工刀具性能和稳定性提出了更高的要求，特别是金刚石涂层刀具在涂层前必须经过刀口的钝化处理，才能保证涂层的牢固性和使用寿命。
高速切削刀具磨损表面形态探究 篇3
高速切削加工技术运行过程中,主要是对零部件进行集中处理,最大的优势就是能有效提升工艺操作的实际效率,并在单位时间内提高材料切削效率,一定程度上提高整体运行结构的时效性,甚至达到3倍到5倍,且设备的表面加工质量也能提升一级到两级。特别要注意的是,利用高速切削加工技术,能一定程度上降低成本20%到50%之间,相较于传统切削工艺,高速切削工艺刀具和工件的接触几率以及时间更少。但是,在实际接触过程中,工件产生的热量会直接传递给切削设备的刀具,这就会产生一定的损耗,也就是说,整体运行环境更加的高速且高温,需要技术人员利用磨损机理和项目处理机制对设备进行集中的控制,以保证相应系统失误能得到降低。
2 高速切削刀具磨损表面形态研究
2.1 高速切削刀具磨损表面形态实验组成
在实验项目中,主要是借助高速立式加工中心对其进行集中处理,设备的主轴保证无级调速,最高效果能达到每分钟10000r的转速,基础工具材料使用的是硬度在15HB以下的45#钢,主要校对的刀具就是立方氮硼刀具以及三氧化二铝陶瓷刀具和硬质合金Ti C涂层刀具等。另外,要利用显微镜对刀具的磨损程度进行仔细校对[1]。
2.2 高速切削刀具磨损表面形态之前刀面磨损
在对刀具进行高速铣削进行处理时,能有效了解45#钢刀面的磨损程度和具体形态。可以对试验刀具进行分析,较之常规的刀具,高速切削刀具的前刀面磨损结构与切削刃相连接,最大的磨损结构也同时存在于切削刃附近,磨损区域会随着切削速度增高而减小。特别要注意的是,当温度较高,甚至达到800摄氏度以上,则会出现严重的粘结合扩散问题,主要是氧化作用,对刀面产生严重的磨损[2]。
2.3 高速切削刀具磨损表面形态之后刀面磨损
在高速切削工艺开展过程中,加工表面和刀具的后面会产生一定程度的磨损,这对于整体运行结构会产生影响,甚至是导致刀面出现严重的损耗。高速切削工艺中后刀面磨损是较为常见的问题,需要引起相关技术人员的高度重视,由于其产生的磨损痕迹和常规化切削工艺较为相似,需要技术人员进行区别对待。但是,高速切削工艺运行中,刀具的磨损位置更加接近刀具的刀尖位置。
2.4 高速切削刀具磨损表面形态之微崩刀
在高速切削工艺运行过程中,微崩刀也是较为常见的问题,主要指的是,在刀具表面会出现较小的缺口,刀具常在较高的温度下运作,容易受到损耗。另外,在微崩刀结构中,通常刀具的微崩刀磨损结构的尺寸和实际磨损限度有直接关系,并且在一定范围内没有出现严重的偏差。特别要注意的是,刀具若是出现微崩刀问题,并不需要立即进行刀具替换,还能使用一段时间,但是需要减少进给量,从而提升整个刀具的稳定性。涂层刀具高速切削出现微崩刀的几率较大,需要对问题进行集中处理,从而减少涂层结构和基体结合产生的强度削弱问题。
2.5 高速切削刀具磨损表面形态之剥落和裂纹
高速铣削操作中,刀具要保证快速的离开配件,但是,正是由于这样的操作,会导致荷载参数出现急剧的减少和增加,刀具若是受到影响,就会产生应力交替的问题。需要技术人员提高运行结构的有效性,确保对不同问题进行集中处理,减少热效应疲劳和基础疲劳对设备产生的不良影响。在剥落问题并不严重时,要对磨损问题进行集中关注,确保裂纹源的有效控制,从而减少刀具表面的深度磨损问题[3]。
2.6 高速切削刀具磨损表面形态之破损
在高速切削问题出现后,最直观的影响就是刀具的磨损。究其原因,刀具材料以及切削用量不当也是较为严重的因素,需要技术人员给予其必要关注,确保管控结构和管理层级符合实际需求,减少突然磨损问题,提升整体刀具运行的实效性。技术人员要对耐热合金以及灰口铸铁结构进行深度关注,并对主键结构中45#钢进行处理,需要对突然磨损问题给予重视[4]。另外,在前刀面刀楔内部出现拉应力后,由于刀具自身的脆性参数较大,就需要相关操作,提升其抗拉强度,从而减少突然破损的问题。
3 结束语
综上所述,在对高速切削刀具进行系统化分析和问题处理的过程中,要对前刀面磨损、后刀面磨损、微崩刀以及剥落等问题进行集中关注,减少不同形态产生的对应问题,针对相关位置进行精细化处理,从而规避磨损程度,确保设备能更好的发挥实际价值。
参考文献
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基于模糊逻辑的刀具磨损状态检测 篇4
关键词：刀具磨损分类,电流信号,回归分析,模糊分类
0 引言
对切削刀具磨损状态监测的有效手段研究一直是切削加工自动化的热点话题之一[1]。刀具失效的非检测后果则可能导致次品的产生, 更为严重还可能损坏工件或机器。近几年, 许多研究人员已经开始寻找方法来检测刀具磨损状态[2,3]。通过直接设计各种传感器可对刀具状态进行检测, 但多数都是不可靠或无效的。依据刀具状态和测量信号之间的关系, 利用模糊分类规则对刀具磨损状态检测已成为研究的热点内容。使用电机电流测量的主要优点是在切削过程中几乎可以检测到任何故障, 并且测量装置不干扰加工过程, 此外, 在应用过程中几乎没有额外的成本。
大多数的检测方法都为系统制定了固定的切削条件, 而在实际应用中, 切削条件并不固定, 主轴转速和配给速度也要根据控制策略动态变化。因此, 磨损估计策略, 在不同的切削条件下的操作是非常必要的[4]。一个成功的监控系统可以有效地维护机床、刀具和工件的稳定工作。研究表明, 在车削加工过程中, 可以使用切削力、声发射、电机电流和振动等四个参数来监测刀具的磨损情况。
本文讨论了如何用主轴电机的电流来检测的刀面磨损状态。其中, 电流取决于切削参数:主轴速度、配给速度、切削深度以及刀面磨损程度。实现了一种在线检测的刀面磨损的电流测量的回归技术和模糊分类方法, 在一定范围内降低切削条件。该方法的实质是建立一个简单的模型, 在不同的切削条件下, 统计测量的电流值和刀面磨损状态, 检测切削参数和电机电流信号的相关数据, 最后, 根据检测刀具磨损状态, 作出是否需要更换刀具的决定。
1 金属切削实验
金属切削加工实验需要建立一个简单的模型, 在不同的切削条件下, 测量的电流值和后刀面磨损状态。该实验需要在计算机数值控制车床进行, 用于实验的工件材料是铝、碳化硅, 通过搅拌铸造法制备颗粒增强复合材料。切削实验进行数控机床用永磁直流电机驱动。永磁直流电机类似普通的直流电动机, 是由永久磁铁代替凸极绕线结构构成。测量车床需直流电机电流, 个人计算机与车床连接为切削条件提供有效数据, 计算机和切割操作自动执行, 记录各种切削条件数据, 其中包括:主轴速度、配给速度和切削深度等。对于每组的切削实验, 加工都是从一个新的刀具开始, 直到刀具磨损实验进行到产生满足不同切削条件下的样本数据为止。
2 基于回归分析和模糊分类的刀面磨损预测
回归分析是一种统计预测模型, 涉及的是一个给定的变量和一个或多个被称为独立变量的变量之间的关系的描述和评价。目前研究表明, 回归方法是利用确定模型的主轴电机电流作为一个函数的主轴转速 (转) 、配给速率 (毫米/转速) 和深度的切割 (毫米) 。该模型被近似修改用来描述的后刀面磨损状态, 如0.30, 0.40, 0.50, 0.60, 0.70, 0.80和0.90 (毫米) 。不同的切削条件下的电流值被记作实验在特定的时间间隔的相应的磨损值。
研究发现, 刀具磨损对主轴电机电流影响更为显著, 主轴电机电流随着刀具磨损的增加呈指数增加。结合刀具磨损、主轴转速、配给速度、切削电流和电流信号的关系, 我们可以得到主轴电机电流与金属切削作为磨损状态的函数关系。
在异常的刀具磨损阶段中观察到的磨损率的突然上升是值得注意的, 系统应弹出提示, 工人应根据实际情况及时更换刀具。但是实际中很多因素都会造成刀具的磨损, 刀具磨损曲线通常是波动的, 并且是不光滑的。本文研究信号模型可以从测量电流信号和其他切削参数来估计刀具磨损状态。测量电流和估计的电流被定义为真正特征值和估计特征值, 用真正特征值对应不同的磨损状态估计特征值评价实际磨损状态之间的相似性, 任何估计磨损状态的程度。
在不同切削条件下进行了55刀具磨损实验。实验随机选择35个样本作为训练样本, 21个样本作为测试样本, 用上述方法估算刀具磨损值。利用模糊推理方法计算了不同刀具磨损状态下, 刀具磨损程度分类的隶属度函数, 用隶属函数对测试样本进行实验, 仿真结果验证该方法的有效性。
3 结论
本文分析了刀具磨损和切削参数对主轴电机的影响程度, 通过实验研究和回归分析, 建立了不同刀具磨损状态下电流信号与切削参数之间的关系。用模糊分类系统隶属度函数概念计算给定的磨损状态的隶属度值, 并应用于刀具磨损状态的检测, 实验结果表明, 该方法是有效的。刀具更换的控制要求刀具磨损状态的识别与切削参数包括主轴转速和配给速度有关, 可以根据控制策略进行改变。刀具磨损状态的程度为控制刀具的更换提供了有力的科学依据。该方法适用于按质量标准所要求的任何所需阈值的选择。如何在已有模型基础上简化算法空间复杂度, 这将是本文接下来的工作。
参考文献
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金刚石复合片刀具磨损机理研究 篇5
金刚石复合片 (PDC) 刀具主要加工有色金属及非金属材料, 典型的加工对象是铝合金。PDC刀具在铝等有色金属材料加工中的应用日益增多, 而刀具的适用性则受到不同被加工材料的制约。如今的铝材料在性能上已今非昔比, 在加工各种新开发的铝合金材料 (尤其是高硅含量复合材料) 时, 为了实现生产率及加工质量的最优化, 必须认真选择PDC刀具的牌号及几何参数, 以适应不同的加工要求。
硅铝合金的重量与铝合金相同 (或更轻) , 但其硬度、强度和耐磨性显著提高, 同时还具有更好的热膨胀性能。在合金中添加硅元素的百分比含量取决于材料的使用性能与加工性能。铝合金中的硅元素浓度达到完全饱和点时称为共晶态;当铝合金处于过共晶态时, 硅元素将以固体粒子的形式从铝基体中析出。过共晶态铝合金具有最好的耐磨性、刚性和抗疲劳强度, 但其机械性能的改善意味着其切削加工性能的恶化。加工铝制工件要求刀具具有寿命长、金属切除率高等优点[1,2,3]。
2 实验条件
选用由平均粒度10μm的金刚石烧结的复合片来制造成金刚石复合片刀具。切削试验在CM6140车床上进行。切削参数:切削速度V=640m/min;背吃刀量ap=0.1mm;进给量f=0.1mm/r。加工工件为Φ150×200材料硅铝合金, 含硅量30%。本试验选用高硅铝合金作为工件, 是为了避免金刚石刀具很难被磨削, 并尽可能快的完成试验。
3 刀具磨损量随加工过程的变化
采用10微米的金刚石粉末合成的复合片, 研究其磨损随加工过程发生的变化。
3.1 后刀面磨损
通常刀具的磨损分为三个阶段: (1) 初期磨损阶段; (2) 正常磨损阶段; (3) 急剧磨损阶段。在PDC切削硅含量达到30%的铝合金试验中没有表现出这样明显的规律, 其磨损曲线如图1所示。后刀面的磨损随着切削路程增加几乎成线性增加。切削时, 工件的新鲜加工表面与刀具后刀面接触, 相互摩擦, 引起后刀面磨损。后刀面由于切削刃不是理想的锋利, 而且有一定的钝圆, 后刀面与工件表面的接触压力很大, 存在着弹性和塑性变形, 后刀面与工件实际还是小面积接触, 磨损就发生在这个接触面上。由于工件含硅量相当高, 从硅铝合金相图 (如图2. (a) 所示, 参考软件Binary Alloy Phase Diagrams) 硅在铝合金中又以硅相的形式存在, 这些硅是硬质点, 这样形成的合金类似铝作为粘接剂的硅为硬质相的“砂轮”, 这个“砂轮”的微观形貌如图2 (b) 所示[4,5]。
在后刀面相当于金刚石复合片与这样的砂轮研磨。切削开始时, 砂轮就开始磨削金刚石复合片刀具, 随着切削的继续进行, 金刚石复合片刀具后刀面磨损面积增加, 由于切削时切削深度是给定的, 因此“砂轮”磨削金刚石复合片刀具的深度是给定的, 这样金刚石复合片刀具的磨损与切削路程几乎呈线性关系, 没有明显的普通切削时三个阶段的磨损特点。
3.2 前刀面磨损
通常切削塑性材料时, 如果切削速度和切削厚度较大, 刀具前刀面上就会形成月牙洼磨损。它是以切削温度最高点的位置为中心开始发生的, 然后逐渐向前向后扩展, 深度不断增加, 容易导致切削刃破损。金刚石复合片前刀面的磨损前后如图3、图4所示。明显没有像通常的情况一样在前刀面发生月牙洼磨损。在前刀面粘结有金属, 没有看见明显的磨损。因此认为在前刀面切屑时对前刀面没有发生化学磨损、扩散磨损等, 前刀面的磨损是机械摩擦磨损, 金刚石复合片的耐磨性非常高, 因此前刀面几乎不磨损[6,7]。
4 刀具磨损形态与磨损机理探讨
上面试验可知金刚石复合片刀具在加工高硅铝合金时, 与常规切削速度下刀具磨损规律不同, 刀具磨损过程不是由初期磨损、正常磨损及剧烈磨损三个阶段组成的, 而是后刀面只有近似直线段磨损, 前刀面几乎不磨损。
刀具前后刀面的磨损如图5、 图6所示。刀具的磨损主要表现在后刀面的磨损上, 磨损区外观形态呈倒驼峰形 (见图7) , 而且沿切削速度方向形成沟痕, 在后刀面上“涂覆”了一层工件材料, 在3000倍的电子显微镜下 (SEI) 可以看见凸起的金刚石颗粒, 虽然看得到有些区域金刚石与金刚石之间的金属粘接剂已经被磨掉了, 金刚石之间有“间隙”, 但是没有几颗金刚石成团成块崩刃形成的“坑”。前刀面几乎不发生磨损, 放大倍数3000倍下, 可以看到前刀面是没有磨损的, 仅仅是金刚石上的金属粘接剂磨损了, 在距离切削刃附近10～30微米内有裂纹, 即在刃口附近的1～3颗金刚石之间才有裂纹。
金刚石复合片刀具加工高硅铝合金的温度最高就是300度, 一般在200度以上300度以下。在这样的温度下金刚石复合片主要性能耐磨性没有下降, 热稳定性良好, 不与工件材料硅和铝发生反应。因此认为在加工过程中没有发生化学磨损、扩散磨损等。高硅铝合金工件材料对金刚石刀具来说是一个以金属铝为结合剂的“硅”砂轮。砂轮对金刚石刀具的研磨是刀具磨损的原因, 切削一开始刀具被磨削的磨损过程就开始了。
首先把金刚石复合片的粘接剂抹掉, 裸露出金刚石, 这样在后刀面上可以看到凸起的金刚石。紧接着“硅磨粒”与金刚石摩擦, 因为在切削条件下金刚石保持很高的耐磨性, 所以金刚石并没有被磨损多少, 基本保留着边角。金刚石复合片中金刚石与金刚石是DD成键结合的, 成键结合的部位对整颗金刚石来说是薄弱部位, “硅磨粒”与金刚石相互作用的结果使得薄弱环节产生裂纹, 最终金刚石颗粒周围都有了裂纹, 从而发生松动使整颗金刚石脱落下来。工件中硅的形态尤其粒度的大小对金刚石复合片上有多少金刚石会产生裂纹应该是非常重要的。试验的高硅铝合金中大的约50微米 (见图3) , 而金刚石复合片金刚石的粒度是7～14微米的, 这正是在前刀面上看到刃口附近的1～3颗金刚石颗粒之间有裂纹、在后刀面上金刚石颗粒周围都被磨损了的原因。“硅颗粒 (或团状) ”尺寸越小, 发生裂纹的金刚石颗粒越少;或者相同的“硅颗粒 (或团状) ”尺寸, 金刚石颗粒尺寸越大, 发生裂纹的金刚石颗粒越少, 这样刀具的磨损就越慢。这与粗粒度的刀具磨损比细粒度的要小是相符的[8]。
5 结论
(1) 金刚石复合片刀具车削高硅铝合金时, 前刀面没有磨损, 主要是后刀面磨损, 磨损程度与车削路程成线性关系。
(2) 金刚石复合片刀具车削高硅铝合金时刀具的磨损是金刚石颗粒被工件硬质点作用, 在金刚石与金刚石结合处产生裂纹, 导致金刚石颗粒脱落但不是以团块的形式整体崩裂而导致。
摘要：选用平均粒度10微米的金刚石复合片制成刀具, 对高硅铝合金 (Al-30wt%Si) 进行切削实验。通过扫描电子显微镜分析了工件的形貌以及金刚石刀具前后刀面磨损的微观形貌。其磨损程度与切削路程为线性关系, 金刚石刀具的磨损主要是后刀面机械摩擦磨损以及前刀面的粘接磨损, 而没有出现像立方氮化硼刀具的化学磨损以及月牙洼磨损。
关键词：金刚石复合片切割刀具,高硅铝合金,磨损机理
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路面铣刨机刀具的磨损与预防 篇6
铣刨机是专门用于沥青路面修整、翻新以及路面等级升级的专业工程机械。铣刨机的主要使用范围包括清除和剥离变形、开裂等路面病害,修复路面、拉毛等等[1]。铣刨机作业后,具有不改变路面高度、接缝紧密、粗糙度均匀、铣刨槽整齐等优点,从而得到了广泛的应用。
2 铣刨机铣刨鼓及刀具组成
2.1 铣刨鼓的组成
铣刨鼓是路面铣刨机类机械的主要工作部件,由铣刀、刀座、铣刨鼓、抛料板等组成(见图1)。主刀的刀座按照螺旋线的形式均匀地排布焊接在铣刨鼓的表面,螺旋线形式由铣刨机的具体条件决定,多为双头螺旋线(1 300 mm及其以下的常为单头螺旋线,2 000 mm及以上的常为多头螺旋线)。两条刀具的螺旋线之间安装了抛料板,帮助废料收集。此外,在铣刨鼓的两边还设置了均匀分布在圆周上并且对称的边刀和立刀。[2]
2.2 刀具的组成
铣刨刀具通常由4部分组成,如图2所示。
硬质合金刀头通过钎焊固定在钢质刀体上,耐磨保护圈把钢质刀体与刀座相互隔开,刀体通过弹性夹紧套安装在刀座中。硬质合金钢是一种碳化钨和碳化钴的复合材料。碳化钨具有极高的硬度和耐磨性,而较“软”的碳化钴和碳化钨相结合可以保证在拥有最大刚度的同时,拥有高度的韧性。因为刀体必须承受巨大的冲击力和剪切力,其刚度和韧度决定了整个刀具的使用寿命和使用工况,所以一般刀体选择耐磨性和断裂强度较高的合金钢。耐磨保护圈为经过淬火、回火处理的直径为45 mm、厚度为4 mm的圆形弹簧垫圈,用以保证其形状完全覆盖上部刀柄,从而保护刀座不被磨损。弹性夹紧套通过弹性张紧作用卡在刀座中将铣刨刀固定,这样既可以有效地降低刀体的磨损和破损数目,使圆柱形的套筒与圆锥形的相比较具有不扩大刀柄孔的优点,更有效地防止不对称磨损,同时也使刀具更容易拆卸。
1-硬质合金刀头;2-钢质刀体;3-耐磨保护圈;4-弹性夹紧套
3 铣刨机刀具的正常磨损与非正常磨损
3.1 刀具的正常磨损[3]
随着铣刨机作业时间的推进,磨损随之增加。图3为铣刨机刀具磨损过程曲线。刀具磨损过程可以分为以下3个阶段:
(1) 初期磨损阶段。因为新的刀具刀头存在磨合期,后刀面与沥青路面接触面积小,受到的压应力较大,所以初期阶段的磨损是较快的。
(2) 正常磨损阶段。经过初期磨损之后,铣刨刀具已经度过磨合期,开始进入正常磨损阶段。正常阶段磨损的特点是缓慢而均匀。刀尖磨损量随着铣刨时间的增长而呈线性增加。正常铣刨时,该阶段时间最长,因此应尽可能地加长正常磨损阶段,从而增加铣刨机刀头的使用寿命。
(3) 急剧磨损阶段。当刀头磨损达到一定的程度后,刀头甚至刀体减小严重,铣刨深度及质量均难以达到标准,刀头硬度下降,刀头的磨损速度急剧加快,以致刀具损坏而失去铣刨能力。在此阶段到来之前,应及时更换刀头。铣刨刀头使用寿命很短,属于铣刨机的易损件,在铣刨机作业时,刀头受到了牵引力和旋转力,并与沥青路面产生摩擦、挤压,使路面变形,从而达到了破坏路面机构、铣刨路面的作用。因为与路面及铣刨废料的大量摩擦,刀头快速磨损。正常磨损应发生在刀头刀体的上半部,为了保证铣刨刀具正常的均匀磨损,在刀具安装时,设计10°左右的侧向偏角,使刀头在铣削路面的同时,可以受到一个来自路面横向的反作用分力,使得刀具在铣刨路面时,在刀座孔内自旋,从而使刀具均匀地磨损(见图4),从而延长刀具的使用寿命。
3.2 刀具的非正常磨损[4]
(1) 刀具偏磨(见图5)。
这是由于物料过度堆积、刀具旋转不畅、刀座干涉磨损、刀座不正、黏性材料粘连、行走速度过快以及不适当的洒水导致。
(2) 合金头碎裂(见图6)。
这是由于路面材料过硬、刀具不旋转以及碰到硬物所致。
(3) 合金头丢失(见图7)。
这是由于碰到硬物、刀座孔磨损以及不适当的喷水所致。
(4) 刀体研磨(见图8)。
这是由于合金头太小、碰到高研磨性物料所致。
(5) 物料覆盖(见图9)。
这是由于冲水不及时,旋转速度过慢所致。
(6) 刀座磨损又称干涉磨损(见图10)。
这是由于侧向偏角设计不合理,前进速度过快造成的。
4 预防非正常磨损的有效办法[5]
(1) 确定合理的侧向倾角和切入角。为了保证刀具能够有足够的横向分力在铣刨时进行自传,同时也不会因为侧向倾角设计过大,而使刀具受力不均,造成刀头断裂等现象,应综合考虑刀具的受力情况,选取适当的侧向倾角及切入角,以减少刀体的磨损以及刀座发生干涉磨损。
(2) 根据铣刨鼓的运动学特征并结合大量实际使用情况,从而可以计算出铣刨机作业时的铣刨深度和前进速度的最佳匹配值,使铣刨机在作业时既可以预防缓解干涉磨损和抑制刀具偏磨,同时还可以使发动机的功率达到最佳分配效果,使铣刨机的作业效率达到最高。推荐的铣刨机的前进速度与铣刨深度关系如表1所示。
(3) 铣刨废料中的沥青骨料是刀具磨损的主因,因此提高铣刨废料向中间抛料板上运动的流动性、减少罩壳内的积存废料、使废料更加松散是减小废料颗粒对刀头和刀体磨损的根本目的。合理选用螺旋升角是解决该问题的最有效的办法。为了使废料快速地沿着螺旋线向中聚集,必须使螺旋升角小于废料与螺旋叶片的摩擦角,目前市面上铣刨机的螺旋升角一般在14°～20°之间。
(4) 铣刨机在工作时,刀头与沥青路面摩擦、挤压、变形,路面被破坏时,就会产生大量的摩擦热,致使刀具的温度快速升高。若刀具不能及时降低温度,则会发生刀头或刀体的材料组织变化,刀具刚性、韧性降低,形成刀头的热蚀现象。适时地增大冷却水量,既可以降低刀具温度,又可以及时对刀具进行清洁,防止刀头物料覆盖及刀具偏磨现象的发生。
(5) 偏磨是铣刨刀具最主要的非正常磨损形式,在实际应用中由于刀尖的旋转力臂过小,导致刀具受到的横向分力过小,刀具在刀座中旋转困难,从而产生偏磨的现象。因此可以将undefined为刀体长度)来代替L进行设计。这样可以有效地缓解干涉磨损即刀座磨损以及抑制刀具偏磨,还能将最佳功率输出的边界条件放宽,提高机器的施工效率。
(6) 抛料板的尺寸、安装位置和角度的合理设计是提高铣刨机作业时铣刨鼓抛料效率,减少内部废料积存的解决办法之一。抛料板安装半径要小于铣刨鼓刀尖圆半径,尺寸小于抛料口的宽度,居中安装,并留有间隙。
5 结论
通过上述的分析,得出以下结论:
(1) 路面铣刨机刀具的磨损形式可以分为正常磨损和非正常磨损,而使刀具正常磨损并且尽可能延长其使用时间,获得正常的使用寿命是主要任务。
(2) 路面铣刨机的刀具以正常失效形式工作,保证或提高刀具使用寿命牵涉诸多因素,但是由于其设计、制造、材料等因素更改困难,因此安装角度的确定、使用时的精心维护是现阶段的主要工作内容,以保证路面铣刨刀具使用效能的正常发挥。
参考文献
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氧化锆生物陶瓷铣削的刀具磨损 篇7
完全烧结氧化锆陶瓷组织致密、质地坚硬，作为口腔修复体材料在口腔修复领域受到广泛关注。氧化锆陶瓷用于口腔修复时，为了降低加工难度，目前基本采用以下工艺流程:在850℃炉温下预烧结氧化锆瓷块(瓷块结构疏松、易于切削加工)，铣削预烧结氧化锆瓷块成形，瓷块再在1450℃炉温下完全烧结(烧结温度的提高使组织致密，体积缩小约20%)[1,2]。上述工艺中完全烧结工序的体积缩小效应会影响口腔修复体的最终尺寸精度，并且工序繁琐、加工效率低，因此研究直接铣削加工完全烧结氧化锆陶瓷的工艺具有一定的现实意义。
完全烧结氧化锆陶瓷由于硬脆特性而难以切削加工，主要表现在刀具磨损很快并且刀具磨损会影响加工表面质量。当前国内外完全烧结氧化锆陶瓷铣削加工的研究较少并且处于初步阶段，基本限于微细加工领域[3,4,5,6]。本文采用聚晶金刚石(PCD)刀具进行铣削实验，每切削一定长度即采用光学显微镜和扫描电镜对刀具和切削表面的微观形貌进行观测，同时使用三维动态测力仪测量切削力。研究了刀具磨损对切削表面形貌、切削力的影响，探讨了刀具磨损带的扩展过程及其磨损机理，以期为超硬刀具铣削完全烧结氧化锆陶瓷工艺的应用提供依据。
1 实验条件及方案
完全烧结氧化锆陶瓷试样的尺寸为14 mm×10 mm×3 mm，其组成成分见表1，性能参数见表2。刀具采用机夹式单刀片PCD刀具，其几何参数见表3。
实验机床为Mikron UCP800 Duro加工中心。采用Kistler 9257B三向测力仪进行测力，测力灵敏度X向、Y向均为-7.5 p C/N,Z向为-3.7 p C/N，测力采样频率为10 k Hz。使用Quanta FEG250扫描电子显微镜对刀具磨损微观形态和切削加工表面进行观测。采用Nikon ECLIPSE LV150金相显微镜(放大倍数取50倍)进行刀具磨损演变观测及刀具磨损量测量。在刀具后刀面磨损带上取8处测量宽度，如图1所示，取其平均值作为刀具磨损量，每切削10次(切削长度为140 mm，切削时间为76.36 s)测量后刀面磨损量。采用LABRAM-HR型激光共焦显微拉曼光谱仪对刀具后刀面进行物相分析，其拉曼偏移分辨率为0.6 cm-1。实验过程中不加切削液。
主轴转速n、径向切深ae、轴向切深ap以及进给速度vf分别取2000 r/min、0.1 mm、3mm、110 mm/min。实验布置如图2所示，图2中FX、FY和FZ分别为刀具作用于试样的径向力、切向力和轴向力。
2 实验结果与分析
2.1 刀具磨损带的扩展
图3为刀具后刀面磨损带在不同切削长度L下的光学显微镜照片，可以看出刀具磨损带从刀刃逐渐往后刀面扩散，而且扩散程度不均匀。在初期磨损阶段，磨损带较窄且靠近刀刃，如图3所示;图3b显示，中期磨损阶段形成了明显的水滴状不均匀磨损带;在后期磨损阶段，后刀面上的水滴状不均匀磨损带几乎连在一起，刀具即将进入破损阶段，如图3c所示。
图4所示为刀具后刀面磨损量随切削时间变化曲线。从切削开始到切削时长约2.6 min为初期磨损阶段，后刀面磨损量缓慢增大，刀具磨损量不到50μm;在中期磨损和后期磨损阶段，刀具磨损速度较快，刀具后刀面磨损量与切削时间近似成线性关系;切削时长约11.5 min时，后刀面磨损量达到270μm，刀具开始进入破损失效阶段。
2.2 刀具磨损对切削表面的影响
图5为不同刀具磨损阶段下的陶瓷试样切削表面微观形貌图。图5a为初期磨损阶段(切削长度L=280 mm)表面形貌图，切削表面由光滑条痕带和脆断区域构成，光滑条痕带较宽并且底部平整，表明材料去除模式既有延性去除[7,8]又有脆断去除，并且延性去除所占的比例较大;图5b为中期磨损阶段(切削长度L=700 mm)表面形貌图，切削表面的光滑条痕带宽度大大减小并且底部不平整，表明材料去除模式中的延性去除比例急剧降低;图5c为后期磨损阶段(切削长度L=1120mm)表面形貌图，切削表面几乎完全由脆断区域(鱼鳞状脆断形貌)构成，材料去除模式是完全脆断去除。因此可以得知，在刀具的磨损过程中切削模式从延脆混合模式逐渐转变到完全脆性模式。
2.3 刀具磨损对切削力的影响
由于轴向力非常小，所以本文只研究刀具磨损对径向力和切向力的影响。图6所示为平均切削力随刀具磨损量的变化曲线，可以看出:(1)径向力远大于切向力;(2)切削力均随着刀具后刀面磨损量的增大而增大，但是径向力的增大幅度比较大。由于陶瓷硬度很高，刀具刃口切入时受力较大，故径向力远大于切向力[9]，这一点与金属切削不同。径向力主要来源于刀刃对切削表面的挤压，当后刀面出现磨损时，刀具实际后角减小，后刀面与试样表面挤压作用增强，使得径向力迅速增大;影响切向力的主要因素是前刀面磨损[10]，切削硬脆材料时切屑呈崩碎状，前刀面的磨损量很小，因而切向力的增大幅度较平缓。
2.4 刀具磨损机理
2.4.1 崩刃与剥落
氧化锆陶瓷的硬脆特性使切削过程中刀具承受强烈的冲击，图7所示为径向切削力原始信号，其信号峰窄而长，表明切削的强烈冲击性。在初期磨损阶段(切削长度L=280 mm)，刀具刃口是薄弱区域，当刃口处应力达到其断裂强度时，就会发生微小的崩刃，崩刃处非常容易产生应力集中从而引起剥落，如图8所示。在中期磨损阶段(切削长度L=700 mm)，后刀面上的突出金刚石晶粒由于冲击力大于钴黏接剂的黏结力而从基体上剥落，较软的钴黏接剂露出而不断被较硬的陶瓷材料颗粒刮除，使得新的金刚石晶粒突出于表面受到冲击而剥落，上述过程不断循环，磨损带向后刀面扩展，如图9所示。在后期磨损阶段(切削长度L=1120 mm)，当金刚石晶粒剥落积累形成大的凹坑时，在冲击作用下其周围的金刚石晶粒和钴黏接剂会发生大规模的剥落，如图10所示。
2.4.2 石墨化磨损
由于氧化锆的导热系数(2.5 W/(m·K))远远小于PCD的导热系数(700 W/(m·K))，切削过程产生的热量绝大多数流入刀具，刀具温度对刀具磨损的影响比较大。基于热源法[11]采用ANSYS软件分析刀具上的金刚石刀片温度分布，采用SOLID90单元，利用自由划分生成有限元模型，分析所需参数如下:导热系数为700 W/(m·K)，质量热容为502 J/(kg·K)，密度为3.5 g/cm3。图11为刀片在一次切削过程中接近结束时的切削温度分布云图，可以看出:刀具整体温度分布比较均匀，其原因是PCD的导热系数相当高，热量在刀具内部扩散速度很快;最高温度位于刀具后刀面上靠近刀刃处，温度在700℃以上。PCD刀具在切削时温度达到700℃左右时开始石墨化[12]，因此，切削区域的金刚石晶粒必然不断地从金刚石相转化为石墨相，切削过程中的挤压、冲击作用使得石墨化后的碳原子很容易脱落并被带走，这一过程不断重复，形成石墨化磨损[13]。
对磨损初期、中期和后期(切削长度L分别为280 mm、700 mm、1120 mm)的后刀面磨损带进行激光拉曼物相分析，图12所示为拉曼谱图，图12中拉曼偏移为1338.83 cm-1的峰是金刚石峰，拉曼偏移为1581.72 cm-1的峰为石墨峰，石墨相在刀具磨损初期不明显，但在中后期比较明显，这进一步证明刀具发生了石墨化磨损。
3 结论
(1)从开始到切削时长约2.6 min为刀具初期磨损阶段，磨损量变化很小，刀具磨损量不到50μm，在这之后刀具磨损量与切削时间近似成线性关系。
(2)初期磨损阶段切削模式是延性去除比例较大的延脆混合模式，之后延性去除比例不断减少，到了后期磨损阶段，切削模式完全转变为脆性去除。
(3)径向和切向切削力在刀具磨损过程中均不断增大，其中径向力增大幅度明显。
刀具磨损 篇8
(一) 刀具磨损试验方案。
试验采用采用TiSiN涂层铣刀分别加工淬火温度为250℃、300℃、350℃, 淬火时间为60min的ADI材料, 标号分别为ADI-1、ADI-2、ADI-3。试验过程中, 为比较刀具材料干切削三组ADI材料的磨损情况, 选定切削用量为ap=8mm, ae=0.15mm, vc=63m/min, fz=0.045mm/z。采用86量制鲁字01000109号JC10读书显微镜随切削时间的变化观察刀片后刀面磨损量VB, 并记录数据。
(二) 刀具后刀面磨损试验结果分析。
从图1可以看出, 热处理工艺参数中等温淬火温度对切削刀具切削三种ADI材料随切削时间的变化的磨损曲线图, 各曲线陡峭程度不同。刀具在初级磨损阶段, 是由于刃磨后的新刀具, 其后刀面与加工表面间的实际接触面积很小, 压强很大, 而且新刃磨后的刀面上存在微观粗糙度不平, 使得刀具磨损较快, 但刀具磨损量较小。图1可以看出TiSiN刀具切削三组ADI材料刀具初级磨损量时间随时间的变化分别为:ADI-1, 6027s=0.047mm;ADI-2, 12594s=0.049mm;ADI-3, 9843s=0.045mm。从图1可以看出TiSiN刀具切削三组ADI材料在刀具初级磨损阶段斜率大致相同。刀具经过初期磨损后, 后刀面上被磨出一条狭窄的棱面, 压强减小, 刀具的磨损量缓慢增加, 进入正常磨损阶段, 在整个刀具切削加工阶段这一阶段时间最长。TiSiN刀具铣削ADI材料, 随着时间的增加, 刀具磨损量增加越快, 而且三种材料的磨损量由大到小为:ADI-1-ADI-3-ADI-2。当然工件的材料的硬度对刀具的磨损量的影响很大, 但不是起决定性的因素, 还与工件材料的其它力学性能有关。在等温淬火温度250℃～350℃范围内, 随着等温淬火温度的升高, 残余奥氏体的ω (C) 量逐渐增加。这是由于随着等温淬火温度的升高, 碳原子的扩散系数和扩散激活能增大, 因而有利于获得更均匀、含碳量更高的奥氏体。冲击韧性σb随着等温淬火温度的升高而降低, 抗拉强度和延伸率都随着等温淬火温度的升高而升高。
二、铣削ADI材料磨损机理的研究
刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种作用的综合结果, 可以产生磨料磨损、粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损等。刀具破损是指在切削加工中, 刀具经常不经过正常磨损, 而在很短时间内突然损坏以致失效。主要破损的形式有烧刃、卷刃、崩刃、断裂、表层剥落等。
(一) 铣削ADI材料的磨损形态。
在铣削加工过程中, 铣刀的后刀面与工件的已加工表面接触, 相互摩擦, 后刀面磨损伴随着整个铣削过程, 而且是最经常发生的磨损形式, 后刀面磨损量的增大会使刀具丧失切削性能。以下为铣刀切削三组ADI材料刀具后刀面磨损的微观形态。采用日本日立公司生产的S-4700冷场发射扫描电镜对各切削刀片磨损区域后刀面形态进行放大拍照。图2为TiSiN铣刀具干式铣削三组ADI材料, 从图2 (a) 中可以看出在铣刀切削刃上磨出了负倒棱, 在加工过程中可以防止刀尖崩刃。图 (b) 、 (c) 、 (d) 中可以明显看到磨损呈带状, 磨损区边缘磨损比较明显, 铣削ADI-1材料刀具后刀面上不规则的圆形沟槽没有完全覆盖在整个刀面磨损区, 离刀尖一段距离分布比较密集, 平稳的磨粒磨损特征不明显, 刀尖处有明显的颗粒剥落。铣削ADI-2材料刀具后刀面的刀尖处明显的颗粒剥落, 磨损区边缘较宽, 在刀具后刀面靠近切削刃边缘处粘结物比较多。在交变应力、接触疲劳、热应力以及刀具表层结构等缺陷的作用下, 刀具材料的颗粒将被切屑带走, 会造成刀具SEM磨损, 在切削速度提高后, 刀具的粘结磨损会降低。铣削ADI-3材料, 刀具后刀面边界磨损呈锯齿状, 磨损边缘磨损不均匀, 底面的前刀面上和后刀面的刀尖上有轻微的剥落现象, 后刀面上有明显的不均匀分布的耕犁状沟槽分布。
(二) 铣削ADI材料的磨损机理。
干式铣削不同性能的ADI材料时, 会产生不同的刀具磨损形态和磨损机理。
在切削用量为ap=8mm, ae=0.15mm, vc=63m/min, fz=0.045mm/z时干式铣削ADI-1、ADI-2、ADI-3, 进一步分析Ti Si N涂层刀具的磨损机理, 采用EDAX PV9900型能谱分析仪对刀具磨损区进行分析。见图3TiSiN刀具切削ADI材料EDAX图谱。
从图3可以看出切削加工时, Ti Si N刀具切削热大量集中在负倒棱附近, 由于切削时的温度高, 当温度>800℃时, 刀具后刀面始终与具有较高化学活性的新鲜表面接触, 两摩擦间容易发生化学元素的相互扩散, 造成工件中的Fe及其它金属元素大量扩散进入刀具的后刀面, 刀具中的Ti、AL、Si扩散到ADI材料表面, 造成扩散磨损。随着扩散磨损的进行, 刀具表面的化学成分发生了变化, 切削接触区高温和高压的咬合将使刀具和被加工材料的成分结构发生了改变, 使刀具表层硬度变得脆弱, 从而加剧了刀具的磨损。铣削的温度越高, 扩散磨损的速率越快。O元素的存在是由于切削温度的升高, 空气中的氧便与刀具材料中的鈷及碳化钨等发生化学氧化作用, 产生了如:Co3O4、WO3、Co O等氧化物, 当氧化速度超过摩擦面发生的其它过程速度时, 刀具产生了氧化磨损。
在相同的切削条件下, 等温淬火温度对刀具的磨损影响。并通过工具显微镜、扫描电镜以及能谱分析仪的方法对涂层硬质合金刀具铣削ADI材料的磨损形态和磨损机理分析。得出以下结论:
Ti Si N刀具切削ADI材料, 切削刃上磨出了负倒棱, 加强了切削刃和刀尖的强度, 靠近刀尖的部分都有明显的颗粒剥落。铣削ADI-1材料刀具后刀面上不完全的覆盖着不规则的圆形沟槽, 铣削ADI-2材料时, 刀具后刀面上有明显的粘着物, 铣削ADI-3材料时, 刀具后刀面上有明显的不均匀分布的耕犁状沟槽。实验证明, Ti Si N涂层硬质合金刀具加工不同的等温淬
实验证明, Ti Si N涂层硬质合金刀具加工不同的等温淬火ADI材料, 都显示出淬火温度为250℃时, 刀具后刀面的磨损最大。在选用刀具时, 最好选择刀尖有磨出刀尖圆角和负倒棱的刀尖, 可以有效地防止的防止崩刃。Ti Si N刀具由于具有更高的表面硬度和耐热性能, 比较适合切削高硬度的ADI材料。
摘要：球墨铸铁经过等温淬火热处理后, 力学性能大大提高, 但是其切削加工性能随之变差。TiSiN涂层铣刀, 铣削ADI材料时的切削加工性能、刀具磨损和磨损机理对于扩大在实际生产中的应用具有重要意义。
关键词：ADI,TiSiN涂层铣刀,刀具磨损
参考文献
[1].周泽华, 于启勋.金属切屑原理[M].上海:上海科学技术出版社, 2001
[2].北京市《金属切削理论与实践》编委会.金属切削理论与实践[M].北京:北京出版社, 1980