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PVD涂层滚刀失效模式分析

PVD涂层滚刀失效模式分析

滚刀失效模型分析

1. 刀具寿命影响因素
刀具材料、硬度
PVD涂层材料及品质
工件材料硬度和金相结构
切削速度和进给
切削液型号和正确使用
窜刀方式
滚刀装夹
最大磨损量标准

2. 磨损标准
应制定刀具最大容许磨损量,并在刀具磨损达到标准后及时修磨。推荐值如下(仅供参考):
硬质合金刀具容许磨损量为0.10mm,实际应用中也常用0.15mm
粉末冶金高速钢的典型磨损量为0.2mm
传统高速钢的典型磨损量为0.3-0.4mm

3. 过度磨损的迹象
机床功率增加或功率急剧下降
机床振动增加
切削时噪声增加
产生过量的热, 工件和刀具温度上升
工件表面粗糙度恶化
工件尺寸超差
在刀具沿工件切出面毛刺变大
用放大镜实测刀具磨损量超标
刀具崩刃,手摸刃口有不平整刮手的感觉
切屑堆积排屑不畅,积屑瘤,切屑粘黏

4. 滚刀失效模式示意图


磨损(正常磨损VS过早磨损)

顶刃、侧刃面边界磨损
边角磨损
侧后刃面磨损(沟槽)
月牙洼(前刃面磨损)
崩刃、 微崩刃

异常磨损

齿面断裂
磨前刃面时造成的裂缝
过大的月牙洼
应力集中点上的裂缝
积屑

4.1  顶刃、侧刃边界磨损(正常磨损)

刀具损伤方式

一种侧面磨损的方式是磨穿PVD涂层,基材也被磨掉。不同的应用容许有正常的磨损量。

可能的原因

原因一:正常的磨损一定会发生,只是看使用寿命是否达到设定目标。

原因二:刀具材料、PVD涂层的耐磨性是否足够。

原因三:刀具修磨的毛刺,在PVD涂层前未彻底去除

可能的解决方法>

  • 方案一:降低速度,从而降低温度。
  • 方案二:采用更耐磨的刀具基材和PVD涂层。
  • 方案三:控制刀具修磨尽量减少减轻毛刺;PVD涂层前处理彻底去除毛刺。

4.2  月牙洼磨损

刀具损伤方式

靠近刃口的超大月牙洼会造成刃口易折或较差的工件表面质量。

可能的原因

原因一:过大切削压力,过高温度,前刃面锈蚀,过高切屑厚度

原因二:刀具材料、PVD涂层选择不当,耐高温性不足

可能的解决方法

方案一:降低速度,从而降低温度

方案二:降低进给量,以减少切屑厚度

方案三:前刃面采用正前角

方案四:采用更耐耐高温的刀具基材,以及耐高温性更好的PVD涂层(如ALTiN、CrAlN等)

4.2.1  后刃面沟槽状磨损

刀具损伤方式

后刃面严重拉伤,一般为一层或两层复合剥落拉伤

可能的原因

原因一:超长时间切削超出刀具寿命,或崩刃未及时发现继续加工导致的?

原因二:由于排屑槽有积屑排不出去导致的?

原因三:刀具修磨时没有将上次磨损修全?

原因四:工件没有夹紧

可能的解决方法

方案一:增加窜刀量

方案二:降低窜刀循环次数

方案三:参见崩刃磨损

方案四:参见切削堆积

方案五:评估滚刀修磨量

方案六:增加工件夹持力

4.3  崩刃

刀具损伤方式

刃口的小到中型的崩刃

可能的原因

原因一:刀具材料太硬太脆

原因二:工件材料太硬

原因三:切削时刚性不够,有振动

  可能的解决方法

方案一:选择强度更好的刀具材料

方案二:刀具修磨后,涂层前的刃口钝化处理

方案三:热处理时提高刀具强度

方案四:减少进给量来降低切屑厚度

方案五:检查工装,增加固定支架

4.4  断刃、断齿

刀具损伤方式

大的崩刃,或者整齿断裂。

可能的原因

原因一:过量冲击负载
原因二:机床碰撞、故障、工件打滑
原因三:使用前搬运损伤
原因四:月牙洼扩展到边缘导致刃断裂
原因五:修磨时产生裂痕
原因六:应力集中

可能的解决方法

方案一:减小速度以降低温度,减小进给以降低切屑厚度
方案二:减小刀具前角,降低切削阻力
方案三:使用抗冲击性更好的刀具材料
方案四:加强修磨工艺控制
方案五:对连接处应力集中点的圆弧过渡

4.5  排屑槽内的切屑堆积

刀具损伤方式

工件的切屑堆积、卡在排屑槽,粘黏在前刃面或齿背面。

可能的原因

原因一:排屑槽尺寸不够
原因二:梯形积屑槽卡住切屑
原因三:排屑槽前后面的表面质量较差
原因四:冷却液或风冷气流量不足
原因五:排屑量大于排屑槽排屑的能力

可能的解决方法

方案一:磨排屑槽后面以增加排屑槽尺寸,或改善表面粗糙度
方案二:将排屑槽的梯形截面用圆弧来过渡
方案三:调整冷却液喷嘴或气嘴的位置和流量
方案四:减小进给率增加切削时间
4.6  刃口积屑瘤

   刀具损伤方式

工件材料粘黏冷焊到刀具刃口并形成新的切削刃,新的切削刃的不规整造成工件表面质量差。

当积屑瘤剥落时有可能造成刀具刃口崩刃。

可能的原因

原因一:工件材料软而且粘
原因二:刀具后角不够
原因三:冷却液流量不足或型号不对

可能的解决方法

方案一:提高切削速度
方案二:采用PVD涂层以降低刀具表面摩擦系数
方案三:换工件材料或正火提高工件硬度
方案四:增加后角,评估动态后角
方案五:增加前刃面前角角度
方案六:采用防粘黏的冷却液

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