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硬质合金刀片机械断续切削时的破损分析
发布时间:2009年11月24日 浏览次数:

硬质合金刀具在切削过程中(尤其在断续切削时)出现裂纹而导致破损一直是困扰人们的加工难题正确认识产生裂纹的原因并采取相应预防措施是提高刀具工作寿命及切削性能的关键。相关研究文献指出,在较高切削速度下进行切削时,刀具易产生热裂纹,且刃口崩刃现象会增加。本文通过切削试验分析了断续切削时硬质合金刀具产生裂纹的机理,发现在切削循环周期的加热阶段,压缩热应力可沿着正对切削刃口的前刀面狭窄区带引起刀片的局部塑性变形,随后当该狭窄区带在外界弹性材料影响下再次强迫冷却时,便会产生足以引起可见裂纹的拉应力,从而验证了热应力是引起硬质合金刀具裂纹的主要原因的论点。
表1 刀具成分含量 刀具牌号 总碳
(%) Co
(%) Ti
(%) Ta
(%) Te
(%) HV硬度
A 5.6 6 0.05 0 0.1 1600
B 5.3 13 0.3 0 0.1 1300
C 8.3 8 15 4 0.2 1600
2 切削试验方法与温度测量结果
切削试验在株洲硬质合金厂中心实验室进行。试验方法为在车床上车削矩形截面试件,以模拟断续切削条件。试件材料为含0.6~0.8%Mn、0.5%Ni、0.5%Cr和0.5%Mo的碳素钢(硬度约为HV170)。分别采用A、B、C三种牌号的硬质合金刀具进行切削,刀具成分含量见表1。刀具切削刃几何角度:横向前角和刃倾角为0°,横向后角和副后角为6°,余偏角为0°,副偏角为6°。
典型切削条件:切削速度v=95m/min,进给量f=0.25mm/r,切削深度ap=6mm。由于对切削截面为50mm×250mm的试件进行切削试验时,采用上述切削条件切削两分钟后所有牌号硬质合金刀具均出现裂纹,因此将其确定为典型切削条件。
采用刀具—工件热电偶法测量刀具—切屑截面温度。测量结果典型记录曲线见图1。为根据曲线斜率的变化求出最小循环温度,需用示波器摄下记录曲线,然后根据放大照片求出最小循环温度。

图1 刀具—工件热电偶典型记录曲线

(a)刀片底面
(b)刀片顶部
图2 测温热电偶的安装位置
在分析刀具破损机理时,需要知道刀具内部的温度分布。为此,在切削过程中利用热电偶和热敏电阻测量刀片的界面温度,根据刀片界面温度可以计算出刀具内部温度。测温热电偶的安装位置见图2。在刀片切削过程中测得的典型温度分别见表2、表3。
在每次切削试验过程中,用紫外线记录仪连续记录刀具的切削力,用装在刀杆上的校正应变仪测定切向力和进刀力。
表2 热电偶的典型测量结果
(采用氧化铝垫片的C牌号硬质合金) 切削时间
(min) 热电偶安装位置及测得温度
位置1 位置2 位置3 位置4 位置5
0.5 85℃ 45℃ 50℃ 50℃ 40℃
1 95℃ 55℃ 60℃ 60℃ 50℃
2 115℃ 65℃ 75℃ 75℃ 60℃
3 120℃ 75℃ 80℃ 75℃ 65℃
表3 热电偶的典型测量结果
(采用钢垫片的C牌号硬质合金) 切削时间
(min) 热电偶安装位置及测得温度
位置1 位置2 位置3 位置4 位置5
0.5 70℃ 35℃ 40℃ 40℃ 35℃
1 75℃ 45℃ 45℃ 45℃ 40℃
2 85℃ 50℃ 55℃ 55℃ 40℃
3 90℃ 55℃ 60℃ 60℃ 50℃

3 刀具破损的观测


图3 计算坐标系
刀具在进行断续切削时,其损坏形态与连续切削时一样,可分为后刀面磨损、月牙洼磨损、刀具永久变形及切削刃的机械破裂。通过对试验刀具进行破损观测,发现A、B牌号的硬质合金刀具很快就产生后刀面磨损和月牙洼磨损,同时所有牌号的硬质合金刀具的前刀面均产生横向裂纹(可看作是热裂纹)。试验发现,一旦硬质合金刀具产生了热裂纹,很快就会引起破损,发生切削刃崩刃和前刀面剥落现象。
4 刀片弹性应力的计算
采用图3所示坐标系计算刀片弹性应力。切削力的方向与z轴平行,该方向的弹性方程为  (1)

首先假定产生了热应力,且当各点的应变eZ=0时平面应变状态保持在xy平面上。与该状态有关的应力用撇号“’”表示,根据式(1)可求出z方向的合力为

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