刀具磨损及状态检测.ppt

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1、刀具磨损的状态检测综述内容提要1.刀具磨损及相关机理2.状态检测及相关知识3.刀具切削状态监控与诊断所取得的成果4.刀具磨损状态监测的研究现状及发展趋势刀具磨损及相关机理1.刀具磨损的形态在切削过程中，前刀面、后刀面不断与切屑、工件接触，在接触区里发生着强烈的摩擦，同时在这接触区里又有很高的温度和压力。因此，前刀面和后刀面随着切削的进行都会逐渐产生磨损。（1）前刀面磨损（月牙洼磨损）在切削速度较高、切削厚度较大的情况下加工塑性金属，当刀具的耐热性和耐磨性稍有不足时，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼（如上图）。在

2、前刀面上相应于产生月牙洼的地方，其切削温度最高，因此磨损也最大，从而形成一个凹窝（月牙洼）。月牙洼和切削刃之间有一条小棱边。在磨损的过程中，月牙洼宽度逐渐扩展。当月牙洼扩展到使棱边变得很窄时，切削刃的强度大为削弱，极易导致崩刃。月牙洼磨损量以其深度表示。（2）后刀面磨损由于加工表面和后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，这种磨损形式叫做后刀面磨损。在切削速度较低、切削厚度较小的情况下切削塑性金属以及加工脆性金属时，一般不产生月牙洼磨损，但都存在着后刀面磨损。在切削刃参加切

3、削工作的各点上，后刀面磨损是不均匀的。在刀尖部分由于强度和散热条件较差，因此磨损较为剧烈。在切削刃上靠近工件外表面处，由于上道工序的加工硬化层或毛坯表面硬层的影响及该区刀具上用有急剧的应力梯度和温度梯度等原因，往往使该区切削刃连同后刀面产生较大的磨损沟，而形成缺口。（3）前刀面和后刀面同时磨损这是一种兼有上述两种情况的磨损形式。在切削塑性金属时，经常会发生这种磨损。2.刀具磨损的原因切削过程中的刀具磨损具有下列特点：（a）刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。（b）接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强

4、度。（c）接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达800~1000度，对于高速钢刀具可300~600度。在上述条件下工作，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、冷焊磨损、扩散磨损和氧化磨损。（1）磨料磨损切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但其结构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。硬质点有碳化物（如Fe3C、TiC、VC等）、氮化物（如TiN、Si3N4等）、氧化物（如SiO2、Al2O3等）和金属间化合物。高速钢车刀切削含Ti的奥氏体

5、不锈钢工作时，切屑与前刀面的摩擦情况。切屑中的Ti（C，N）颗粒在刀具表面上起耕犁作用。除了前刀面会有磨料磨损外，在后刀面上，同样可以发现有由于磨料磨损而产生的沟纹。磨料磨损在各种切削速度下都存在，但对低速切削的刀具（如拉刀、板牙等），磨料磨损是磨损的主要原因。这是因为低速切削时，切削温度比较低，由于其他原因产生的磨损尚不显著，因而不是主要的。高速钢刀具的硬度和耐磨性低于硬质合金、陶瓷等，故其磨料磨损所占的比重较大。（2）冷焊磨损切削时，切屑、工件与前、后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，因而它们之间会发生冷

6、焊。由于摩擦副之间有相对运动，冷焊结将产生破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。一般说来，工件材料或切屑的硬度较刀具材料的硬度为低，冷焊结的破裂往往发生在工件或切屑这一方。但由于交变应力、接触疲劳、热应力以及刀具表层结构缺陷等原因，冷焊结的破裂也可能发生在刀具这一方，这时，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而造成刀具磨损。冷焊磨损一般在中等偏低的切削速度下比较严重。研究表明：脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；相同的金属或晶格类型、晶格间距、电子密度、电化学性质相近的金属，其冷焊倾向大；多相金属比单相金属冷焊倾向小；金

7、属化合物比单相固溶体冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。在高速钢刀具正常工作的切削速度和硬质合金刀具偏低的切削速度下，正能满足产生冷焊的条件，故此时冷焊磨损所占的比重较大。提高切削速度后，硬质合金刀具冷焊磨损减轻。(3)扩散磨损扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了材料原来的成分与结构，使刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。例如用硬质合金切钢时，从800度开始，硬质合金中的钴便迅速地扩散到切屑、工件中去，WC分解为钨和碳后扩散到钢

8、中。因切屑、工件都在高速运动，它们和刀具的表面在接触区保持着扩散元素的浓度梯度，从而使扩散现象持续进行。于是，硬质合金表面发生贫碳、贫钨现象。粘结相钴的减少，又使硬质合金中硬质相（WC、TiC））的粘结强度降低。切屑、工件中的铁和碳则向硬质合金中扩散，形成新的低硬度、高脆性的复合碳化物。所有这些，都使刀具磨损加剧。碳化物能溶解到钢（切屑、工件）中，这是扩散的另一种形式。如