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木工刀具磨損及應對策略

發布時間:2016-02-22 15:52:10  瀏覽次數:
    一、木工刀具磨損機理介紹

  在金屬切削加工中,產生的熱量和摩擦是能量的表現形式。由很高的表面負荷以及切屑沿木工刀具前刀面高速滑移而產生的熱量和摩擦,使木工刀具處于一種極具挑戰性的加工環境中。

  切削力的大小往往會上下波動,主要取決于不同的加工條件(如工件材料中存在硬質成份,或進行斷續切削)。因此,為了在切削高溫下保持其強度,要求木工刀具具有一些基本特性,包括極好的韌性、耐磨性和高硬度。

  盡管木工刀具/工件界面處的切削溫度是決定幾乎所有木工刀具材料磨損率的關鍵要素,但要確定計算切削溫度所需的參數值卻十分困難。不過,切削試驗的測量結果可以為一些經驗性的方法奠定基礎。

  通常可以假定,在切削中產生的能量被轉化為熱量,而通常這些熱量的80%都被切屑帶走(這一比例的變化取決于幾個要素——尤其是切削速度)。其余大約20%的熱量則傳入木工刀具之中。即使在切削硬度不太高的鋼件時,木工刀具溫度也可能會超過550℃,這是高速鋼在硬度不降低的前提下能夠承受的最高溫度。用聚晶立方氮化硼(PCBN)木工刀具切削淬硬鋼時,木工刀具和切屑的溫度通常將超過1000℃。

  二、木工刀具磨損與木工刀具壽命

  木工刀具磨損通常包括以下幾種類型:

  ①后刀面磨損;

  ②刻劃磨損;

  ③月牙洼磨損;

  ④切削刃磨鈍;

  ⑤切削刃崩刃;

  ⑥切削刃裂紋;

  ⑦災難性失效。

  對于木工刀具壽命,并沒有被普遍接受的統一定義,通常取決于不同的工件和木工刀具材料,以及不同的切削工藝。定量分析木工刀具壽命終止點的一種方式是設定一個可以接受的最大后刀面磨損極限值(用VB或VBmax表示)。木工刀具壽命可用預期木工刀具壽命的泰勒公式表示,即VcTn=C,該公式的一種更常用的形式為VcTn×Dxfy=C式中,Vc為切削速度;T為木工刀具壽命;D為切削深度;f為進給率;x和y由實驗確定;n和C是根據實驗或已發表的技術資料確定的常數,它們表示木工刀具材料、工件和進給率的特性。

  不斷發展的最佳木工刀具基體、涂層和切削刃制備技術對于限制木工刀具磨損和抵抗切削高溫至關重要。這些要素,加上在可轉位刀片上采用的斷屑槽和轉角圓弧半徑,決定了每種木工刀具對于不同的工件和切削加工的適用性。所有這些要素的最佳組合能夠延長木工刀具壽命,使切削加工更經濟、更可靠。

  三、改變木工刀具基體

  通過在1-5μm范圍內改變碳化鎢的粒度,木工刀具制造商可以改變硬質合金木工刀具的基體性能。基體材料的粒度對于切削性能和木工刀具壽命起著重要作用。粒度越小,木工刀具的耐磨性越好。反之,粒度越大,木工刀具的強韌性越好。細顆粒基體主要用于加工航空牌號材料(如鈦合金、Inconel合金和其他高溫合金)的刀片。

  此外,將硬質合金木工刀具材料的鈷含量提高6%-12%,可以獲得更好的韌性。因此,可以通過調整鈷含量來滿足特定切削加工的要求,無論這種要求是韌性還是耐磨性。

  木工刀具基體的性能還可以通過在接近外表面處形成富鈷層,或者通過在硬質合金材料中有選擇性地添加其他合金元素(如鈦、鉭、釩、鈮等)而獲得增強。富鈷層可以顯著提高切削刃強度,從而提高粗加工和斷續切削木工刀具的性能。

  此外,在選擇與工件材料和加工方式相匹配的木工刀具基體時,還表現考慮另外5種基體特性——斷裂韌性、橫向斷裂強度、抗壓強度、硬度和耐熱沖擊性能。例如,如果硬質合金木工刀具出現沿切削刃崩刃的現象,就應該選用具有較高斷裂韌性的基體材料。而在木工刀具出現切削刃直接失效或破損的情況下,可能采用的解決方案是選用具有較高橫向斷裂強度或較高抗壓強度的基體材料。對于切削溫度較高的加工場合(如干式切削),通常應該首選硬度較高的木工刀具材料。在可以觀察到木工刀具產生熱裂紋的加工場合(在銑削加工中最常見),建議選用耐熱沖擊性能較好的木工刀具材料。

  四、選擇正確的涂層

  涂層也有助于提高木工刀具的切削性能。目前的涂層技術包括:

  ①氮化鈦(TiN)涂層:這是一種通用型PVD和CVD涂層,可以提高木工刀具的硬度和氧化溫度。

  ②碳氮化鈦(TiCN)涂層:通過在TiN中添加碳元素,提高了涂層的硬度和表面光潔度。

  ③氮鋁鈦(TiAlN)和氮鈦鋁(AlTiN)涂層:氧化鋁(Al2O3)層與這些涂層的復合應用可以提高高溫切削加工的木工刀具壽命。氧化鋁涂層尤其適合干式切削和近干切削。AlTiN涂層的鋁含量較高,與鈦含量較高的TiAlN涂層相比,具有更高的表面硬度。AlTiN涂層通常用于高速切削加工。

  ④氮化鉻(CrN)涂層:這種涂層具有較好的抗粘結性能,是對抗積屑瘤的首選解決方案。

  ⑤金剛石涂層:金剛石涂層可以顯著提高加工非鐵族材料木工刀具的切削性能,非常適合加工石墨、金屬基復合材料、高硅鋁合金和其他高磨蝕性材料。但金剛石涂層不適合加工鋼件,因為它與鋼的化學反應會破壞涂層與基體的粘附性能。

  近年來,PVD涂層木工刀具的市場份額有所擴大,其價格也與CVD涂層木工刀具不相上下。CVD涂層的厚度通常為5-15μm,而PVD涂層的厚度約為2-6μm。在涂覆到木工刀具基體上時,CVD涂層會產生不受歡迎的拉應力;而PVD涂層則有助于對基體形成有益的壓應力。較厚的CVD涂層通常會顯著降低木工刀具切削刃的強度。因此,CVD涂層不能用于要求切削刃非常鋒利的木工刀具。
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