单点切削刀具：切削过程和刀具磨损分析

在金属加工中，单点切削刀具模型是理解切削过程工作原理的基础概念。该模型强调了刀具几何形状、切削速度和进给速率在决定加工效率和成品质量方面的重要性。通过掌握这些因素，制造商可以更好地控制切屑形成和切削力，并最终减少缺陷和成本。

此外，刀具磨损和失效机制对加工性能至关重要。分析不同类型的磨损（例如粘着、磨蚀和扩散）如何发展，有助于预测刀具寿命并规划维护计划。基于这些洞察，优化切削参数可以改善表面光洁度，延长刀具使用寿命，从而提高整体生产经济效益。

1.0工艺分析：单点切削刀具模型

无论采用何种制造工艺，都有各种因素共同作用，影响质量、产量和整体经济效益。例如，在压铸工艺中，以下参数至关重要：

• 熔融金属的温度。
• 使用冷却剂在模具中诱导的冷却速率，
• 模具的表面光洁度（影响金属的流动速率）
• 以及熔体被推入模具的压力都起着重要作用。

根据这些参数的设置，缺陷零件的百分比、生产率以及零件的尺寸差异都会有所不同。此外，操作条件也会影响功耗。机器和模具的尺寸和设计（需要承受高压和高温）也会影响成本。

因此，能够 控制过程 有效地。

在大多数公司中， 实验运行 直到找到生产每个部件的“理想”工作条件。然而， 不够 在没有事先了解过程行为的情况下进行此类实验。

如果我们能够预测在某些参数发生变化的实验中会出现的趋势类型，我们就可以 大大减少运营规划时间.

充分理解过程输出与其控制参数之间的关系也有助于我们在 更加优化的时尚。可以通过开发 分析模型 过程。

原因是我们已经知道如何找到 最优值 对于解析模型（例如用数学方程表示的模型）。例如，如果模型是一个实值连续函数，我们可以使用以下公式找到它的最大值（或最小值） 简单微分学.

由于我们没有时间详细研究每个过程的模型，本课程将重点开发分析模型 简单的切割工艺 — 具体来说， 单点切削刀具模型.

2.0单点工具的几何形状

了解正交切削中的切削角度、刀具形状和切屑形成

2.1正交切割模型

2.2刀具几何形状及其重要性

上图说明，切削刀具并非简单的矩形块——每个面都以特定的角度倾斜。理解 几何学 该工具对于更深入的分析至关重要。

工具的简化示意图（如下）显示了此几何形状的关键方面：

• 前角：定义刀具的“刀刃”
• 间隙角：尽量减少刀具和工件之间的摩擦
• 刀尖半径：对于耐用性很重要，因为锋利的边缘会很快磨损或断裂
• 侧倾角：将在后面的章节中进一步讨论

2.3重新思考切屑形成：剪切与张力

在早期的加工理论中，人们认为材料被去除的方式是 拉伸断裂 — 本质上，该工具被认为是将材料“推开”的。

然而后来 显微照片研究 揭示了大多数材料变形和切屑形成的原因是 剪切破坏，而不是紧张。下图展示了这种理解的演变。

2.4切削力预测为何重要

能够 预测切削力 刀具几何形状、切削速度和工件材料之间的相互作用至关重要。以下知识有助于：

• 估计 力量 等级 机床所需
• 评价 可加工性 一种材料的
• 计划 刀具寿命 和 生产率

虽然已经提出了几种将切削力与工艺参数联系起来的理论模型，但它们通常会将假设简化到 在实践中用处不大.

因此，为了进行更准确、更适用的分析， 实验数据 仍然是首选方法。如需进一步阅读和案例研究，请参阅 金属加工与机床基础 作者：杰弗里·布思罗伊德 (Geoffrey Boothroyd)。

3.0刀具寿命、刀具磨损和表面光洁度

了解磨损机制、刀具失效标准及其对加工质量的影响

3.1高应力切削条件和磨损机制

切割涉及：

• 高压力
• 刀具与切屑/工件之间的相对速度高
• 高温（高达 1000°C)

这些极端条件导致 工具逐渐损坏主要归因于三种机制：

• 粘着磨损:
  由于高温，工件的小碎片可能会熔接在工具表面。当它们断裂时，会撕掉工具的小部件。
• 磨损:
  芯片底部的硬颗粒和微观变化不断摩擦刀具，逐渐磨损刀具。
• 扩散磨损:
  在高温下，刀具材料中的原子会扩散到切屑中。这会削弱刀具的微观结构，增加刀具断裂的可能性。扩散速率会随温度升高而呈指数级增长。

3.2刀具磨损类型：月牙洼磨损和后刀面磨损

随着时间的推移，工具上会出现两种可测量的磨损类型：

• 月牙洼磨损：工具面上形成的凹陷。以其最大深度测量。
• 后刀面磨损：沿刀具侧面分布。以磨损区域的平均宽度来测量。

一旦磨损超过预定极限，则认为工具已达到 使用寿命结束此时，它要么被丢弃，要么被修复（例如，通过研磨重新锐化边缘）。

3.3刀具寿命标准

刀具寿命终止的通用标准（也称为 刀具寿命标准） 包括：

• 灾难性的失败 – 工具彻底损坏
• 均匀的后刀面磨损 – 平均磨损宽度 $五B=0.3\text{ 毫米}$
• 后刀面磨损不均匀 – 最大磨损宽度 VBmax=0.6 毫米VB_{max} = 0.6 \text{ 毫米}五B妈x​=0.6 毫米
• 月牙洼磨损 – $钾T=0.06+0.3f$ 在哪里 $f$ 进给量（毫米）

3.4泰勒刀具寿命方程

20世纪初， FW泰勒 证明了 切割速度 $五$ 是决定刀具寿命的最关键因素。他提出了如今著名的 泰勒刀具寿命方程:

VTn=cVT^n = c五Tn=c

• $五$：切割速度
• $T$：失败前的时间
• $n$, $c$：给定刀具-工件材料对的常数

3.5积屑瘤 (BUE)

在加工过程中，工件材料薄层可能会 沉积在工具表面，成为 加工硬化 在高应力下。这会导致多个硬化层积聚——形成 积屑瘤 （蓝色）。

积屑瘤会导致表面光洁度下降，并改变刀具几何形状。不过，可以通过以下方法最大程度地减少积屑瘤：

减小切削深度

增大前角

使用合适的切削液

3.6刀具磨损与进给和切削速度

这些实验数据有助于确定 最佳切削参数 以延长刀具寿命、提高加工效率。

3.7典型的切削刀具材料

为了承受恶劣的加工条件，切削刀具必须具备：

• 高硬度
• 高抗冲击强度
• 高温耐磨损

常用的工具材料包括：

• 高速钢（HSS）:
  铁与~18%钨和~4%铬的合金。
• 硬质合金:
  烧结材料（~94% 钨、~6% 碳、<1% 钴）。

现代工具经常使用 钢柄 和 可更换刀片 由以下材料制成：

碳化物

涂层硬质合金（涂层包括碳化钨、碳化钛、氮化钛、立方氮化硼 (CBN)，甚至金刚石）

涂层厚度通常范围为 5–8微米.

3.8表面光洁度及其影响因素

切削参数—速度、进给和切削深度—直接影响两者 刀具寿命 和 表面光洁度，进而影响 机械加工经济学.

3.9影响表面光洁度的其他因素

除了进给和几何形状之外，表面质量还受以下因素影响：

• 机床振动
• 工作台/运动系统的不准确性
• 工件材料特性
• 切削时切屑造成的划痕