数控立铣刀磨损失效原因分析及对刀具寿命的影响

数控立铣刀磨损失效原因分析及对刀具寿命的影响

粗立铣刀

在 CNC 加工中, 立铣刀 直接影响加工质量和生产效率。铣刀磨损失效的原因包括前刃、后刃和刀具边界的磨损,每种磨损模式都有特定的形成机理。磨损现象涉及机械接触、物理、扩散和化学等多个方面,还包括突然塑性破坏和脆性破坏。铣刀磨损可分为初始磨损、正常磨损和急剧磨损阶段,根据磨钝标准判断刀具寿命至关重要。虽然估算刀具寿命的方法很多,但准确反映实际磨损情况的判断方法仍有待开发,以实现刀具成本优化并提高生产效率。

工具磨损部位

铣刀前刃及刀尖的磨损。高速铣削塑性材料时,塑性材料中形成的高热将使铣刀前刃形成月牙磨损现象。接触磨损面产生的高热区最易出现并向四周蔓延。当铣刀上的月牙发展到刀具刃口时,刀刃硬度明显下降,导致折断。目前,KT代表前刃上发生的月牙磨损现象的最大深度。

后刃磨损。数控铣削工件时,工件过渡面与刀具后刃接触,接触应力突然变化,由很大的切削应力变为很小的切削过渡区,后刃上产生的应变较大,形成刀具后刃磨损。后刃磨损边带分布不太均匀,有较大的趋势性和波动性。

铣刀前、后刃同时磨损或边界磨损。铣刀前、后刃同时磨损主要发生在切削塑性粗糙时,其hD=0.1~0.5mm时就会出现这种现象;所谓磨损或边界磨损,是指在切削硬度较高的铸钢件、毛坯锻件等表面粗糙度较差的工件时,主、副切削刃上常常会磨损出较深的沟槽。边界磨损的原因有两种:

  • 数控铣削时,主切削刃与工件接触切削刃的应力是不相等的,应力波动很大,使刀具受到很大的应变。同时,在切削刃前缘积累了较高的切削温度,而其他切削部位冷却得很好,导致温度梯度大,切削应力过大,使主后刃产生边界磨损。
  • 在加工硬化的作用下,副切削刃变薄至零,引起前刃滑移,边界磨损反映在副后刃上。

立铣刀

铣刀磨损的典型原因

机械接触磨损效应——硬点磨损。毛坯表面形成的碳化物、氮化物、氧化物以及淬硬材料或加工硬化、积屑瘤等形成的硬化现象划伤铣刀切削部位的表面,形成一系列的磨损沟痕,称为硬点磨损,这是造成低速铣刀磨损的主要原因。

物理磨损效应——粘着磨损。在高压高温下,毛坯等硬度较低的材料的原子和晶体粘附在铣刀上。当铣刀材料内部存在空洞、局部软点等缺陷时,最终导致结合点处的刀具材料撕裂。刀具与毛坯材料的亲和力、切削温度、硬度比、刀具表面形状等因素是决定粘着磨损的主要因素。

扩散磨损。由于数控铣削的切削速度较高,因此往往伴随着较高的温度,而较高的温度会导致各种材料的化学不稳定性,如铣刀内部不同材料之间的化学反应、毛坯与铣刀接触处不同材料之间的化学反应等。

化学磨损。所谓化学磨损,主要是由于铣削加工在高温条件下,氧气、切削液等易与刀具材料发生化学反应,导致刀具硬度下降,刀具磨损加速,这种现象称为化学损伤。

压缩立铣刀

铣刀突然损坏

塑料 阿马吉 立铣刀

  • 卷边。卷边是高速工具钢等高硬度刀具在精细加工过程中容易出现的一种突发性损坏形式。
  • 刃口凸起。用工具钢、高速工具钢等材料制成的铣刀在加工较硬的材料或切削量过大时,前、后切削部分之间会产生突然凸起的现象。

阿马吉 立铣刀

  • 由于内部微裂纹等制造缺陷,硬质合金铣刀在数控铣削的断续切削条件下,可能会将刀刃撞掉一小块,但不影响继续加工。这种现象称为刃口崩裂。虽然这种现象短期内不会中断加工,但会造成加工表面质量急剧恶化。
  • 断刀是数控铣刀刀尖或主切削刃处突然断裂的现象,铣刀发生这种情况后无法重磨。

立铣刀

刀具磨损阶段和钝化标准

工具 西耳朵 年代塔吉斯

初始磨损阶段。主要由于新刀具内部存在缺陷,刀刃较锋利,与毛坯的接触面较小,应力较集中在刀具尖端,导致刀具尖端磨损较快。

正常磨损阶段。在此阶段,由于刀具经过磨合期,刀尖已磨平,刀具与毛坯的接触比较均匀,单位面积上受力较小,因此磨损较慢,是刀具进行有效加工的主要寿命。

快速磨损阶段。刀具磨损随时间不断积累,伴随切削力和切削温度的快速上升,刀具磨损突然增大并伴有噪声等现象

工具 伦廷 年代标准

刀具磨损后,必然会影响加工效果,如工件报废、表面粗糙度降低、尺寸和形状精度降低等。因此,需要根据铁切削加工情况规定铣刀的一个最大允许磨损量,也就是磨钝标准。磨钝标准可根据粗加工、精加工等不同加工场合进行调整。

目前,上述两种刀具寿命测定方法只能从经济角度或从生产率角度并结合经验来描述刀具寿命,而不能从实际的刀具磨损状况来正确监测刀具寿命。因此,在最大限度节省刀具成本和保证生产率的前提下,开发一种能够根据刀具的实际磨损情况正确判断刀具寿命的方法是必然的。

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