车刀的磨损与预防 论文正稿文档格式.docx

1、在机械制造业中,车削螺纹加工是在车床上，控制进给运动与主轴旋转同步，加工特殊形状螺旋槽的过程。螺纹形状主要由切削刀具的形状和安装位置决定。所以用车削的方法加工螺纹是机械加工中非常普遍却又比较复杂的问题。本文的主题阐述了如何正确的选择刀具的材料以及刀具的耐用度，对于螺纹车刀在具体作业时，应该如何预防螺纹车刀在正常车削时的非正常磨损，从而达到刀具的正常使用，避免了刀具过度磨损导致的不必要损失。本文主要容是介绍普通车床在车削螺纹时的螺纹车刀所受到的正常磨损和非正常磨损，以及包括车削时工件对刀具材料和刀具耐用度的合理选择，同时也针对螺纹车刀的非正常磨损提出了自己的见解和方法。一、螺纹车刀的概述螺纹车刀

2、是一种具有螺纹廓形的成型车刀，属于切削刀具的一种，是用来在车削加工机床上进行螺纹的切削加工的一种刀具（见图1-1）。它的结构简单，通用性好，可用来加工各种形状、尺寸和精度的、外螺纹，多在普通车床上使用。加工质量主要取决于操作者的技术水平及机床、刀具本身的精度。螺纹车刀分为螺纹车刀和外螺纹车刀两大类，从机械制造初期使用的需要手工磨的焊接刀头的螺纹车刀、高速钢材料磨成的螺纹车刀、高速钢梳刀片式的螺纹车刀及机夹式螺纹车刀等，机夹式螺纹车刀是目前被广泛使用的机夹式螺纹车刀，机夹式螺纹车刀分为刀杆和刀片两部分，刀杆上装有刀垫，用螺钉压紧，刀片安装在刀垫上，刀片又分为硬质合金未涂层刀片（用来加工有色金属的

3、刀片，如：铝、铝合金、铜、铜合金等材料），硬质合金涂层刀片（用来加工钢材、铸铁、不锈钢、合金材料等）。螺纹刀具是用于加工、外螺纹的。它有两类：一类是利用切削加工方法来加工螺纹的刀具，如螺纹车刀、丝锥、板牙和螺纹切头等；另一类是利用金属属性变形方法来加工螺纹的刀具，如滚丝轮、搓丝板等。螺纹种类很多，采用的加工方法和加工刀具也有很多种。正确的选择和使用螺纹刀具，对保证螺纹的加工质量和生产效率是十分重要的。 图1-1 螺纹车刀车削螺纹（一） 螺纹的形成、要素和结构1.螺纹的形成 一平面图形（如三角形、矩形、梯形）绕一圆柱做螺旋运动得到一圆柱螺旋体，工业常称为螺纹。在圆柱外表面上的螺纹为外螺纹；在圆柱

4、（或圆锥）孔表面上的螺纹成为螺纹。在机械加工中，螺纹是在一根圆柱形的轴上（或孔表面）用刀具或砂轮切成的，此时工件转一转，刀具沿着工件轴向移动一定的距离，刀具在工件上切出的痕迹就是螺纹。在外圆表面形成的螺纹称外螺纹（见图1-2）。在孔表面形成的螺纹称螺纹（见图1-3）。螺纹的基础是圆轴表面的螺旋线。通常若螺纹的断面为三角形，则叫三角螺纹；断面为梯形叫做梯形螺纹；断面为锯齿形叫做锯齿形螺纹；断面为方形叫做方牙螺纹；断面为圆弧形叫做圆弧形螺纹。 图1-2 外螺纹2.螺纹的要素 螺纹的牙型、直径、线数、螺距、旋向等称为螺纹的要素，外螺纹配对使用时，上述要素必须一致。（1）牙型. 沿螺纹轴线剖切时，螺纹

5、牙齿轮廓的剖面形状称为牙型。螺纹的牙型有三角形、梯形、锯齿形等。不同的螺纹牙型，有不同的用途。（2）螺纹的直径（大径、小径、中径）. 与外螺纹牙顶或螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径称为大径（、外螺纹分别用D、d表示），也称为螺纹的公称直径；与外螺纹牙底或螺纹牙顶相重合的假想圆柱面的直径称为小径（、外螺纹分别用D1、d1表示）；在大径与小径之间，其母线通过牙型沟槽宽度和凸起宽度相等的假想圆柱面的直径称为中径（、外螺纹分别用D2、d2表示）。（3）线数（n）. 螺纹有单线和多线之分，沿一条螺旋线形成的螺纹为单线螺纹；沿轴向等距分布的两条或两条以上的螺旋线所形成的螺纹为多线螺纹。（4）螺距（P）和导

6、程（L）. 相邻两牙在中径线上对应之间的轴向距离称为螺距。同一螺旋线上相邻两牙在中径线上对应之间的轴向距离称为导程，导程与螺距的关系为L=n*P。（5）旋向. 螺纹有右旋和左旋之分。按顺时针方向旋转时旋进的螺纹称为右旋螺纹，按逆时针方向旋转时旋进的螺纹称为左旋螺纹。判别的方法是将螺杆轴线铅垂放置，面对螺纹，若螺纹自左向右升起，则为右旋螺纹；反之，则为左旋螺纹。常用的螺纹多为右旋螺纹。 图1-3 螺纹 在螺纹诸要素中，牙型、大径和螺距是决定螺纹结构规格最基本的要素，称为螺纹三要素。凡螺纹三要素符合国家标准的称为标准螺纹。而牙型符合标准，直径或螺距不符合标准的称为特殊螺纹；对于牙型不符合标准的，称

7、为非标准螺纹。3.螺纹的结构（1）螺纹的尾端. 为了便于装配和防止螺纹起始圈损坏，常在螺纹的起始处加工成一定的形式，如倒角、倒圆等。（2）螺纹的收尾和推刀槽. 车削螺纹时，刀具接近螺纹末尾处要逐渐离开工件，因此螺纹收尾部分的牙型是不完整的，螺纹的这一段牙型不完整的收尾部分称为螺尾。为了避免产生螺尾，可以预先在螺纹末尾处加工出退刀槽，然后再车削螺纹。（二） 车刀的组成和分类1. 车刀的组成 车刀是用于车削加工的、具有一个切削部分的刀具（见图1-4车刀的组成部分）。车刀是金属切削加工中应用最为广泛的刀具之一。它直接参与车削加工过程。车刀由刀体和切削部分组成。车刀的工作部分就是产生和处理切削的部分，

8、包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。 图1-4 车刀的组成部分2. 车刀的分类 按使用要求不同，可有不同的结构和选用不同的材料。（1）按用途分类： 1. 直头外圆车刀。主要用于车削工件外圆，也可车削外圆倒角。 2. 弯头车刀。 要用于车削工件外圆、端面或倒角。 3. 偏刀。主要用于车削工件外圆、轴肩或端面。 4. 车槽或切断刀。主要用于切断工件，或在工件上车槽。 5. 镗孔刀。主要用于镗削工件的孔。 6. 螺纹车刀。主要用于车削工件的外螺纹。 7. 成形车刀。主要用于加工工件的成形回转面。（2）按切削部分材料分类：1. 高速钢车刀。高速钢综合力学性能

9、好，易刃磨，在精细车削和成形车削中应用较为普遍（ 如图1-5高速钢三角形外螺纹车刀）。 图1-5 高速钢三角形外螺纹车刀 2. 硬质合金车刀。硬质合金是由硬度很高的难溶金属碳化物和金属粘接剂用粉末冶金的方法烧结而成，比高速钢硬、耐磨、耐热，切削性能较好，因而目前应用最为广泛（见图1-6硬质合金三角形外螺纹车刀）。3. 陶瓷车刀。属于超硬刀具，可在高温下高速切削，多用于精车和半精车加工。（3）按结构形式分类： 1. 整体式车刀。刀体和切削部分为一整体结构，仅用于高速钢刀具。 2. 焊接式硬质合金车刀。因结构简单、紧凑、制造方便，使用灵活，抗震性好，使用十分广泛。 3. 机夹重磨式车刀。采用机械方

10、法将普通硬质合金刀片夹固在刀杆上，可以避免刀片因焊接而产生的裂纹，并且刀杆可以多次重复使用，也便于刀片的几种刃磨，但因刀片用钝后仍需刃磨，不能完全避免产生裂纹。4. 机夹可转位车刀。它是采用机械夹固的方法将可转位刀片夹固在刀杆上而构成的。 图1-6 硬质合金三角形外螺纹车刀二、刀具磨损形式与刀具磨损的原因（一）刀具的磨损形式刀具的磨损发生在与切削和工件接触的前刀面和后刀面上，其磨损形式分为前刀面磨损、后刀面磨损、前刀面和后刀面同时磨损或边界磨损（见下图2-1刀具的磨损形式）。1. 前刀面磨损 加工塑形金属材料且切削速度和切削厚度较大时，刀具前刀面与切削在高温、高压、高速下产生剧烈摩擦，因此，以

11、切削温度最高的位置为中心开始发生磨损，并逐渐向前后扩展，深度不断增加，形成月牙洼。刀具前刀面磨损量以月牙洼最大深度KT表示。2. 后刀面磨损在切削铸铁等脆性材料或以较小的切削厚度、较低的切学速度切削塑形材料时，由于切削刃钝圆半径的作用，刀具后刀面与工件表面的接触压力很大，存在着弹性与塑形变形，后刀面与工件实际上是小面积接触，磨损就发生在这个接触面上。在切削刃工作长度上，刀具后刀面磨损量是不均匀的。3. 前刀面和后刀面同时磨损或边界磨损切削塑形材料以及切削铸钢或锻件等外皮粗糙的工件时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及副切削刃靠近工件已加工表面接触处磨出较深的沟纹，这种磨损称为前刀面和后刀面同时磨损

12、或边界磨损。 图2-1 刀具的磨损形式 （二）刀具磨损的原因 刀具磨损的原因很复杂，主要有以下几种常见的形式。1. 硬质点磨损硬质点磨损是由于工件基体组织中的碳化物、氮化物、氧化物等硬质点及积屑瘤碎片在刀具表面的刻划作用而引起的机械磨损。在各种切削速度下，刀具都存在硬质点磨损。硬质点磨损是刀具低速切削时发生磨损的主要原因，因为其他形式的磨损还不显著。2. 粘结磨损在高温高压的作用下，切削与前刀面、已加工表面与后刀面之间的摩擦面上，产生塑性变形，当接触面达到原子间距离时，会产生粘结现象。影响粘接磨损的主要因素是：工件材料与刀具材料的亲和力与硬度比、刀具表面形状与组织、粘结温度、切削条件等。硬质合

13、金刀具在中速切削工件时主要发生粘结磨损。3. 扩散磨损切削过程中，由于高温、高压的作用，刀具材料与工件材料中某些化学元素可能互相扩散，使两者的化学成分发生变化，削弱刀具材料的性能，形成扩散磨损。扩散磨损是硬质合金刀具在高速切削时磨损的主要原因之一。4. 化学磨损在一定的温度下，刀具材料与某些周围介质（如空气中的氧，切削液中的添加剂硫等）发生化学反应，生成硬度较低的化合物而被切屑带走，或因为刀具材料被某种介质腐蚀，造成刀具的磨损。三、刀具材料的选择和刀具耐用度的选择（一）刀具材料的选择刀具材料的种类很多，目前在我国使用最广的刀具材料主要是高速钢和硬质合金。高速钢具有高的强度和韧性，一定的硬度（6

14、370HRC）和耐磨性，抗冲击振动的能力较强，能锻造且制造工艺简单，刃磨后刃口锋利，特别适合制造钻头、丝锥、铣刀、拉刀、齿轮刀具等复杂的刀具及成形刀具。和高速钢相比，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都较高，但抗弯强度和韧性较差，较难加工，不易制成形状复杂的整体刀具。但由于硬质合金切学性能优良，应用广泛，绝大多数车刀、端铣刀和深孔钻等刀具都采用这种材料制造。 对于涂层刀具、新型硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石等刀具材料的选用，应参考有关资料根据具体情况进行选择。不同物理力学性能的刀具材料，其切削性能是不一样的。（二）刀具耐用度的选择刀具耐用度反映了刀具磨损的快慢程度。刀具耐用度高，表明刀具的磨损

15、速度慢；反之，则表明刀具磨损速度快。影响刀具磨损的因素和切学温度都同样影响刀具耐用度。刀具种类耐用度/min高速钢车、刨、镗刀30-50仿形车刀120-180硬质合金可转位车刀15-45组合钻床刀具200-300高速钢钻头80-120多轴铣床刀具400-800硬质合金端铣刀90-180自动机、自动生产线刀具240-480硬质合金焊接车刀14-60齿轮刀具 图3-1 常用刀具合理耐用度参考值 刀具耐用度分为两种：最高生产率耐用度和最低成本耐用度。最高生产率耐用度是以单位时间生产最多数量的产品或加工每个零件所消耗的生产时间最少来衡量的；最低成本耐用度是以每件产品（或工序）的加工费用最低为原则来制定

16、的。在选择刀具耐用度时，通常采用最低成本耐用度，以利于市场竞争。在产品生产任务紧迫或生产中出现不平衡环节时，才采用最大生产率耐用度。刀具耐用度对切削加工的生产率和生产成本有较大的影响。在具体制定刀具耐用度时，还应注意到：对于制造和刃磨都比较简单，且成本不高的刀具，耐用度可定得低一些；反之，则应定得高些。对于装夹和调整比较复杂的刀具，耐用度应定得高些。切削大型工件时，为避免在切削过程中中途换刀，刀具耐用度应定得高些。（上面图3-1主要列举了部分刀具的合理耐用度数值）四、螺纹车刀的正常磨损及磨钝标准（一） 螺纹车刀的正常磨损 随着螺纹车刀的作业时间的推进，磨损随之增加。下图为螺纹车刀磨损过程曲线。

17、刀具磨损过程可以分为一下3个阶段：1. 初期磨损阶段因为新的螺纹车刀刀头存在一定的磨合期，刀具后刀面与工件接触的面积比较小，压力较大，同时刀具表面存在显微裂纹、氧化或脱碳层等缺陷，所以初期阶段的磨损是较快的。（如图4-1螺纹车刀磨损过程曲线） 图4-1 螺纹车刀磨损过程曲线2. 正常磨损阶段当螺纹车刀经过初期磨损后，刀具已经度过一开始的磨合期，开始慢慢进入正常磨损阶段。正常阶段磨损的特点是缓慢而均匀的，是刀具的有效工作时期。刀尖磨损量随着车削时间的增长而呈线性增加。正常车削时，该阶段时间最长，因此应尽可能的加长正常磨损阶段，从而增加车削时刀头的使用寿命。3. 急剧磨损阶段当刀头磨损达到一定的程

18、度后，刀头甚至减刀体小严重，车削深度及质量均难以达到标准，刀头硬度下降，刀头的磨损速度急剧加快，最后以致于刀具损坏而失去车削能力。在此阶段到来之前，应及时更换成新的螺纹车刀。螺纹车刀刀头的使用寿命不长，属于车削加工的易损件。在车削作业时，刀头受到了牵引力和旋转力，并与工件产生了摩擦、挤压，从而达到车削的目的。因为与工件的大量摩擦，刀头会快速磨损。正常磨损应发生在刀头刀体的上半部，为了保证螺纹车刀正常的均匀磨损，在刀具安装时应设计合适的侧向偏角，使刀头在车削工件时，可以收到一个来自工件横向的反作用力，从而使刀头均匀受力形成均匀磨损，才能延长车刀的使用寿命。（二）刀具的磨钝标准 刀具磨损到一定限度

19、后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。国际标准ISO统一规定一1/2背吃刀量处的刀具后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨损标准。自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为刀具的磨钝标准，称为径向磨损量NB。磨钝标准的具体数值可参考有关手册。（下图4-2为高速钢车刀与硬质合金车刀的磨钝标准）工件材料加工性质磨钝标准VB/mm高速钢硬质合金碳钢、合金钢粗车1.52.01.01.4精车1.00.40.6灰铸铁、可锻铸铁2.03.00.81.0半精车0.60.8耐热钢、不锈钢粗、精车钛合金粗、半精车-0.40.5淬火刚 图4-2 高速钢车刀与硬质合金车刀的磨钝标准五、螺纹车刀

20、的非正常磨损（一）刀具的偏磨这是由于物料过度堆积、刀座干涉磨损、刀座不正、行走速度过快以及不适当的洒水导致。（如图5-1刀具的偏磨） 图5-1 刀具的偏磨（二）刀体的研磨这是由于刀头太小、碰到高研磨性物料所致。（如图5-2刀体的研磨导致的现象） 图5-2 刀体的研磨导致的现象（三）扎刀现象 加工余量分配不合理，或一次车削的余量过多，导致没有及时退刀，而使螺纹两侧面粗糙，严重甚至导致崩刀。（如图5-3扎刀现象） 图5-3 扎刀现象（四）乱扣现象车削螺纹时，在第一刀车削完毕后，在车削第二刀时，车刀刀尖不在第一刀车削的螺旋槽中央，以至于造成螺旋槽被切导致螺纹被车坏的现象称为乱扣现象。如果换刀或者磨刀

21、，继续车削时没有重新对刀或者工件与主轴的相对位置发生变动，从而导致工件报废。目前常用的防止乱扣的方法是采用正反车法来退刀，即在第一次行程结束时，不提起开合螺母，把刀沿径向退出后，将主轴反转，使车刀沿纵向退回，再进行第二次行程，这样往复过程中，因主轴、丝杠和刀架之间的传动没有分离过，车刀始终在原来的螺旋槽中，这样就可以避免乱扣。（五）加工硬化 工件材料塑形较大，导致后刀面摩擦增大，对刀具磨损和工件加工表面质量有较大影响。（如图5-4影响加工表面硬化的因素）影响因素影响原因 刀具 刀具的前角越大，切削层金属的塑性变形越小，故硬化层深度hc越小。当前角从-60增大到0时，表面金属的显微硬度HV从73

22、0减至450，硬化层深度从200m减到50m。刀刃钝圆半径r越大，已加工表面再形成过程中受挤压的程度越大，故已加工硬化层也越大。随着刀具后刀面磨损量VB的增加，后刀面与已加工表面的摩擦随之增大，从而加工硬化层深度增大，刀具厚道面磨损宽度VB由220增大到340。单磨损宽度VB继续增大，摩擦热急剧增大，弱化趋势明显增加，表层金属的显微硬度HV逐渐下降，直至稳定在某一水平上。 工件材料的塑性越大，强化指数越大，则硬化越严重。对于一般碳素结构钢，碳含量越少，塑性越大，硬化层越严重。高锰钢Mn12的强化指数很大，切削后已加工表面的硬度增高2倍以上，有色合金金属的熔点低，容易弱化，加工硬化比结构钢轻得多

23、，铜件比钢件小30%，铝件比钢件小75%左右。切削条件 当进给量比较大时，加大进给量，切削力增大，表面层金属的塑性变形加剧，冷硬程度增加。对于切削厚度比较的情况，表面层的金属冷硬程度不仅不会减小，相反却会增大。这是由于切削厚度减小，切削比压要增大 切削速度增加时，塑性变形减小，塑性变形区也缩小，因此，硬化层深度减小。另一方面，切削速度增加时，切削温度升高，弱化过程加快。但切削速度增加，又会使导热时间缩短，因而弱化来不及进行。当切削温度超过Ac3时，表面层组织将产生相变，形成淬火组织。因此，硬化层深度及硬化程度又将增加。硬化层深度先是随切削速度的增加而减小，然后又随切削速度的增加二增大采用有效的

24、冷却润滑措施，可使加工硬化层深度减小。 图5-4 影响加工表面硬化的因素（六）刀座磨损又称干涉磨损 螺纹车刀正常车削工作时刀座与工件之间的冲击摩擦，称为“正常冲击摩擦干涉摩擦”；当刀具发生崩碎或断裂，以及刀具超过其正常磨损期而未及时更换刀具造成刀座发生的恶性磨损，称为“正常恶性干涉磨损”；当螺纹车刀正常车削工作时，不仅刀具而且刀座也同时与车削过渡面发生冲击切削和摩擦所造成的恶性磨损，称为“正常操作不当干涉磨损”，即由于人为操作的原因使车削运动速度相对车削深度和车削速度过快，或车削速度即车刀工作转速相对车削运动速度和车削深度较慢，造成刀座直接参与切削。 根据螺纹车刀的运动学特征并结合大量实际使用

25、情况，确定车削深度和最大前进速度的最佳匹配值，以便于缓解干涉磨损，同时优化布置立刀，使其能有效保护刀座。六、预防螺纹车刀的非正常磨损的有效方法（一）对刀具材料的正确选择根据每次车削的不同需求，选择合适的刀具材料是合理切削的关键。虽然螺纹车刀等刀具广泛应用硬质合金刀具材料，在某些情况下也要应用高速钢刀具材料。切削时，刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属。刀具材料越硬，其耐磨性就越好。而耐热性又称红硬性，也是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温下仍能保持高硬度、耐磨性、强度、抗粘结和抗扩散的能力。（如图6-1几种典型刀具材料的切削材料）刀具材料硬度（HRA）抗弯强度

26、/GPA抗冲击强度耐磨性车削45刚时的切削条件20535760前角/（）切削速度/m/min83877582较低3.03.4+5+3023568993829777851.21.45-6+1047560陶瓷9497909387920.50.65-15-5156781金刚石8000HV0.210.49立方氮化硼9000HV1.01.5 图6-1 几种典型刀具材料的切削性能（二）确定合理的切削角度为了保证刀具能够有足够的横向分力对工件进行切削，同时也不会切削角设计过大，而使刀具受力不均，造成刀头断裂等现象，应综合考虑刀具的受力情况，选取适当的切削角度，以减少刀体的磨损以及刀座发生干涉磨损。螺纹车刀的

27、实际工作角度就是将主运动速度向量换成合成运动向量所构成的参考平面而组成参考系之后，在这个参考系下所获得的车刀角度就是螺纹车刀的工作角度。（如图6-2主运动向量和合成运动向量的关系） 图6-2 主运动向量和合成运动向量的关系（三）适当对刀具进行降温螺纹车刀在工作时，刀头与工件摩擦、挤压、变形，工件被切削时，就会产生大量的摩擦热，致使刀具的温度快速升高。若刀具不能及时降低温度，则会发生刀头或刀体的材料组织变化，刀具刚性、韧性降低，形成刀头的热蚀现象。适时地增大冷却水量，既可以降低刀具温度，又可以及时对刀具进行清洁，防止刀具物料覆盖及刀具偏磨现象的发生。（如图6-3切削温度的分布） 图6-3 切削温

28、度的分布（四）减少切削废料积存螺纹安装位置、车刀的尺寸的合理设计是提高车削螺纹效率，减少切削废料积存的有效解决办法之一。因此，在安装螺纹车刀时，必须使刀尖与工件旋转中心（车床主轴轴线）在同一高度上，并且刀尖角的平分线必须与工件轴线垂直。另外，每次车削时要用对刀样板辅助对刀。螺纹车刀也不宜伸出刀架过长，一般以伸出长度为刀柄厚度的1.5倍为宜，为2530mm。（见图6-4正确安装螺纹车刀） 图6-4 正确安装螺纹车刀七、对于螺纹车刀磨损的总结（一）主要任务螺纹车刀的磨损形式可以分为正常磨损和非正常磨损，前者是连续的、逐渐的过程，后者是随机的、突发的破坏。而使刀具正常磨损并且尽可能延长其使用时间，获得正常的使用寿命是主要任务。所以当一般螺纹车刀磨损量增加到一定限度后，机械摩擦加剧，切削力加大，切削温度升高磨损原因也发生变化（如转化为相变磨损、扩散磨损等），以致刀具崩刀，失去切削能力时，继续使用只会影响