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中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計翻譯
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，即機械性能和耐熱性。刀具失效是指過量的磨損會導(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和機制，它們是最終導(dǎo)致刀具被替代的因素。在現(xiàn)實生產(chǎn)實踐中，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導(dǎo)致磨損的變化。機械加工中，刀具磨損方式和磨損率對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。
主要介紹了機械加工的經(jīng)濟型。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，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理。它通常會持續(xù)進行直到斷裂。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)重斷裂是一種連續(xù)的損害。
圖4.1顯示了一個典型的磨損模式，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，一個有裂縫的大幅度月牙洼磨損將成為磨損的顯著特點（圖4.2（b））。當(dāng)陶瓷刀具車削鎳基超級合金時（圖4.2（c）項）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。圖4.2（d）給出了一個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在很短的時間內(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)磨損機理的一般條件。在刀具的磨損，這些機理的重要性和發(fā)生的條件，可以按切削溫度來劃分，如圖4.3所示。再圖上有三個刀具磨損的因素被確定，分別為機械磨損、熱磨損和化學(xué)磨損。機械磨損包括腐蝕、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，熱擴散和化學(xué)反應(yīng)是不是損害的直接原因。相反，它們會導(dǎo)致刀具表面被削弱，使磨損，抗機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機械磨損的分類
(1)機械磨損
根據(jù)刀具磨損的程度和磨損進程，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理。它通常會持續(xù)進行直到斷裂。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)重斷裂是一種連續(xù)的損害。
無論機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微米達到約100微米（遠大于100微米被視為失效）。
????磨料磨損（如圖2.29示意圖）通常是由滑動對刀具硬質(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運動，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械性能被微細裂縫消弱。?接下來主要依據(jù)破碎片的大?。ㄓ袝r候它由于它的大小限制被稱為細微碎片）。這是由機械沖擊載荷的規(guī)模導(dǎo)致切削力波動大，而不是固有的波動，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候；這些主要是有機械疲勞或者熱應(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，刀具尖端部分不能承受氣條件下正應(yīng)力，此時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。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，特別是在高進給速度的情況下。因此，邊緣變形將導(dǎo)致生成一個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——擴散磨損
熱擴散磨損的結(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擴散到彼此對方的結(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。
由擴散控制的速率與絕對溫度以指數(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：庫克研究提出了擴散深度h與相應(yīng)的時間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，并且更進一步提出滑動距離可能是一個更基本的變量（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，此實驗為了驗證方程的方式（4.1c）。圖4.5中出現(xiàn)兩個線性區(qū)域，并且當(dāng)1/θ≈8.5×10^(-4) K^(-1)(或