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中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)翻譯
刀具磨損
為了避免金屬切削刀具失效，第三章講述了它的最低性能要求，即機(jī)械性能和耐熱性。刀具失效是指過量的磨損會(huì)導(dǎo)致刀具失去切削材料的能力。在本章中，文章主要講述了降低刀具磨損的累積使用特點(diǎn)和機(jī)制，它們是最終導(dǎo)致刀具被替代的因素。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中，有一中表示嚴(yán)重磨損程度的連續(xù)譜，在這里沒有什么要考慮的和可能在實(shí)踐中北描述為立即失效的兩者之間沒有明顯的邊界.在本章和上一章節(jié)中有重復(fù)的內(nèi)容。
第二章和第三種的內(nèi)容表明，金屬切削刀具比普通機(jī)床軸承表面承受更大的摩擦力、正應(yīng)力、高溫。在大部分情況下，沒有辦法避免刀具磨損，但是可以研究如何避免加速刀具磨損的方法。刀具磨損的主要因素刀具表面應(yīng)力和溫度（主要取決于金屬切削模式——車削、銑削、轉(zhuǎn)削）、刀具和工件材料、切削速度、進(jìn)給量、切削深度和切削液的類型等。在第二章中，主要講述了影響刀具磨損的因素的微小變化都會(huì)導(dǎo)致磨損的變化。機(jī)械加工中，刀具磨損方式和磨損率對(duì)金屬切削操作和切削條件的變化同樣敏感。雖然刀具磨損無法避免，但是通常情況下可以控制磨損方式來減少刀具磨損。4.1節(jié)中介紹了刀具磨損的主要方式。
主要介紹了機(jī)械加工的經(jīng)濟(jì)型。為了盡量減少制造成本，不僅需要尋找最合適的刀具和工件材料，而且還要考慮切削刀具壽命。在刀具壽命結(jié)束時(shí)，刀具必須能夠替換或者維修以保證加工工件的精度、表面粗造度或者完整性。4.2節(jié)主要介紹了刀具壽命的標(biāo)準(zhǔn)和估算。
4.1刀具磨損及其分類
4.1.1 刀具磨損的形式
根據(jù)刀具磨損的程度和磨損進(jìn)程，刀具磨損可分為兩類，即磨損和斷裂。磨損（如第二章討論）是一種粗糙材質(zhì)表面損失或者微接觸，或者磨粒較小，最小至分子或者原子的去除機(jī)理。它通常會(huì)持續(xù)進(jìn)行直到斷裂。另一方面，斷裂是比磨損更嚴(yán)重的損害，它的發(fā)生具有突然性。正如上面所說，從微磨損到嚴(yán)重?cái)嗔咽且环N連續(xù)的損害。
圖4.1顯示了一個(gè)典型的磨損模式，在這種情況下的磨損—一把硬質(zhì)合金刀具切割處于高速旋轉(zhuǎn)下的金屬工件。月牙洼前刀面磨損，前刀面?zhèn)纫韨?cè)邊磨損和在切削深度末端的凹口磨損，它們是磨損的典型方式。磨損量可以用在4.2節(jié)中介紹的VB、KT表示。
然而磨損量隨著切削材料、切削方式和切削條件的變化而變化，如圖4.2。如
圖4.2(a)顯示月牙洼和后刀面磨損存在可疑忽略的溝槽磨損，在開機(jī)后用硬質(zhì)合 金刀具切削高速旋轉(zhuǎn)的45鋼的條件下。如果改為銑削，一個(gè)有裂縫的大幅度月牙洼磨損將成為磨損的顯著特點(diǎn)（圖4.2（b））。當(dāng)陶瓷刀具車削鎳基超級(jí)合金時(shí)（圖4.2（c）項(xiàng)）在美國商務(wù)部線溝槽磨損是主要的磨損模式，而月牙洼和后刀面磨損幾乎可以忽略不計(jì)。圖4.2（d）給出了一個(gè)氮化硅陶瓷車削工具切削碳鋼的結(jié)果。月牙洼和后刀面磨損會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)磨損更大。在切削工件材料變?yōu)閎相態(tài)的情況下，大量的切削材料粘附于鈦鋁合金的K級(jí)硬質(zhì)合金刀具的側(cè)邊部分，這樣導(dǎo)致刀具磨損斷裂或者破碎。
?圖4.1典型的硬質(zhì)合金刀具磨損形式
（a）車削45碳鋼 （b）端面銑削45碳鋼
（c）車削鉻鎳鐵718 （d）車削45碳鋼
（e）車削鈦合金
典型的工具損傷觀察–磨損和斷裂： (a)刀具：燒結(jié)碳化物P10， v = 150 m min–1,d = 1.0 mm,f = 0.19 mm rev–1，t = 5分鐘; (b)刀具：燒結(jié)碳化物P10， v = 400 m min–1， d = 1.0 mm， f = 0.19mm tooth–1，t = 5min; (c)刀具： Al2O3/TiC陶瓷刀具，v = 100 m min–1，d = 0.5 mm，f = 0.19 mm rev–1，t = 0.5分鐘;(d)刀具：Si3N4陶瓷刀具，v = 300 m min–1，d = 1.0 mm，f = 0.19 mm rev–1，t = 1分鐘; (e)刀具：燒結(jié)碳化物P10，v = 150 m min–1 d = 0.5 mm，f = 0.1 mm rev–1，t = 2 min。
4.1.2 刀具磨損的原因
第2.4章概述了導(dǎo)致磨料，膠粘劑和化學(xué)磨損機(jī)理的一般條件。在刀具的磨損，這些機(jī)理的重要性和發(fā)生的條件，可以按切削溫度來劃分，如圖4.3所示。再圖上有三個(gè)刀具磨損的因素被確定，分別為機(jī)械磨損、熱磨損和化學(xué)磨損。機(jī)械磨損包括腐蝕、剝落、早期斷裂和疲勞，它基本上與溫度無關(guān)。熱磨損包括塑性變形、熱擴(kuò)散和作為其典型形式的化學(xué)反應(yīng)，它隨著溫度的急劇增加。 （應(yīng)當(dāng)指出，熱擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)是不是損害的直接原因。相反，它們會(huì)導(dǎo)致刀具表面被削弱，使磨損，抗機(jī)械沖擊或粘連可以更容易造成材料去除。）基于粘附的磨損被觀察到有一個(gè)在一定溫度范圍內(nèi)的局部最大值。
圖4.3刀具磨損和切削溫度的關(guān)系
圖4.4機(jī)械磨損的分類
(1)機(jī)械磨損
根據(jù)刀具磨損的程度和磨損進(jìn)程，刀具磨損可分為兩類，即磨損和斷裂。磨損（如第二章討論）是一種粗糙材質(zhì)表面損失或者微接觸，或者磨粒較小，最小至分子或者原子的去除機(jī)理。它通常會(huì)持續(xù)進(jìn)行直到斷裂。另一方面，斷裂是比磨損更嚴(yán)重的損害，它的發(fā)生具有突然性。正如上面所說，從微磨損到嚴(yán)重?cái)嗔咽且环N連續(xù)的損害。
無論機(jī)械磨損被列為磨損或斷裂，它都視磨粒的大小而定。?如圖4.4所示的幾種不同的磨粒大小模式，它們從小于0.1微米達(dá)到約100微米（遠(yuǎn)大于100微米被視為失效）。
????磨料磨損（如圖2.29示意圖）通常是由滑動(dòng)對(duì)刀具硬質(zhì)顆粒的磨損造成的。硬質(zhì)顆粒無論是來自工作材料的微觀結(jié)構(gòu)，還是從切削邊緣破碎的顆粒。磨料磨損減少了刀具相對(duì)于粒子和一般取決于距離的切削困難（參見4.2.2節(jié)）。
摩擦磨損發(fā)生在磨料顆粒比磨料磨損比較大的情況下。在刀具與工件之間相互滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且刀具材料的顆粒或者晶粒被磨損破壞前，刀具材料的顆?；蛘呔Я５臋C(jī)械性能被微細(xì)裂縫消弱。?接下來主要依據(jù)破碎片的大?。ㄓ袝r(shí)候它由于它的大小限制被稱為細(xì)微碎片）。這是由機(jī)械沖擊載荷的規(guī)模導(dǎo)致切削力波動(dòng)大，而不是固有的波動(dòng)，導(dǎo)致局部應(yīng)力磨損。
????最后斷裂顆粒比破碎顆粒大，并分為三類：早期階段、難以預(yù)測階段和最后階段。削減如果刀具形狀或切割的條件是不適當(dāng)?shù)?，或者如果刀具?nèi)部存在一些缺陷，或在其邊緣有缺陷，這樣刀具磨損會(huì)立即發(fā)生在開始切削工件后。不可預(yù)知的斷裂可以發(fā)生在任何時(shí)間段，如果在切削過程中刀具或者工件尖端的壓力突然發(fā)生變化，例如抖動(dòng)或不規(guī)則的工件表面硬度不均勻所引起。最后階段斷裂可經(jīng)常被觀察到，特別是在銑削過程中并且刀具壽命末端的時(shí)候；這些主要是有機(jī)械疲勞或者熱應(yīng)力發(fā)生在工作部件凸出部分引起的磨損。
(2)熱磨損—塑性變形
當(dāng)?shù)毒咛幱诟邷厍邢鳡顟B(tài)下時(shí)，刀具尖端部分不能承受氣條件下正應(yīng)力，此時(shí)熱磨損的塑性變形將被觀察到，如圖4.3所示。因此，發(fā)生于刀具處于高溫狀態(tài)下的硬度將作為塑性變形的顯著特點(diǎn)。所以例如一般情況下，高速鋼刀具及鈷含量高的硬質(zhì)合金刀具或金屬陶瓷刀具用于切削條件苛刻的條件下，特別是在高進(jìn)給速度的情況下。因此，邊緣變形將導(dǎo)致生成一個(gè)不正確的形狀尺寸的工件和快速去除工件材料的情況。
(3)熱磨損——擴(kuò)散磨損
熱擴(kuò)散磨損的結(jié)果發(fā)生在高溫切削條件下，如果刀具和工件材料的元素會(huì)擴(kuò)散到彼此對(duì)方的結(jié)構(gòu)中。這是眾所周知的硬質(zhì)合金刀具，并已被研究了多年。例如Dawihl（1941）、特倫特（1952）、Trigger和Chao（1956年）、武山和村田（1963年）、格雷戈里（1965），庫克（1973）、上原（1976）、Narutaki和山根（1976年）、Usui et al（1978）和其他科學(xué)家。
由擴(kuò)散控制的速率與絕對(duì)溫度以指數(shù)冪的形式成正比。在磨損的情況下，不同的研究者提出了不同的指前因子的因素：庫克研究提出了擴(kuò)散深度h與相應(yīng)的時(shí)間t之間的關(guān)系（公式4.1（a））；更早以前，竹山和村田（1963）也研究提出了這些觀點(diǎn)，并且更進(jìn)一步提出滑動(dòng)距離可能是一個(gè)更基本的變量（方程4.1（b））；隨后Usui et al. (1978)根據(jù)接觸力學(xué)和被2.4節(jié)提及的磨損提出了磨損會(huì)隨著正接觸應(yīng)力的增加而加?。ü?.1（c））。在以上所有例子中可知，磨損率的對(duì)數(shù)與1/θ將繪制出一條直線，直線的斜率就是C2。
圖示4.5火山口與側(cè)面磨損率深度碳素鋼轉(zhuǎn)由P20硬質(zhì)合金,來自Kitagawa(1988) 的研究
圖4.5顯示了月牙洼和兩個(gè)側(cè)翼的深度為0.25％碳含量處的磨損率和0.46％碳含量鋼，用P20的硬質(zhì)合金刀具驚醒切削的結(jié)果，此實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證方程的方式（4.1c）。圖4.5中出現(xiàn)兩個(gè)線性區(qū)域，并且當(dāng)1/θ≈8.5×10^(-4) K^(-1)(或