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    刀具磨损机理分析
    刀具损伤类型刀具损伤主要分为2种类型:刀具摩擦磨损和刀具断裂损伤,刀具磨损又包括正常均匀磨损和异常磨损,其中正常均匀磨损是刀具磨损的主要形式,刀具表面受到岩土体表面及破碎颗粒的不断挤压摩擦,导致刀具表面材料的缓慢去除。正常磨损体现在盾构刀具的合金磨损程度较为均匀。而异常磨损则是刀具在不均匀受力状态下发生持续滑移时导致局部严重磨损现象,主要体现在滚刀的偏磨、弦磨,切刀刀刃崩落等。断裂损伤是刀具在高应力条件下受到较大块体冲击断裂或受到循环应力作用导致疲劳损伤的现象,如刀齿崩裂、刀体断裂等。刀具磨损分析刀具磨损的产生主要是由合金刀具与岩土体相互接触作用的结果,*终物体表面出现材料损失的现象,其本质是荷载反复作用下发生能量转换并产生能量耗散的过程。岩土体作用力对刀具做功,能量以3种形式耗散:刀具高温热能、刀具磨屑或断裂、刀具动能。其中第3种形式刀具动能的转换仅针对滚刀。磨损的外在表现是摩擦表面或界面行为,刀具界面受荷发生塑性变形,产生微观裂纹或裂痕,微观裂纹扩展产生磨屑或断裂。刀具磨损构成基于摩擦学理论,可将磨损机制分为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和扩散磨损。实际磨损过程通常不是以单一形式出现的,而是几种不同的磨损形式的综合表现。磨损计算方法的建立必须考虑磨损现象的特征,这些特征与通常的强度破坏不相同。刀具磨损主要来源于金属岩块相互作用和金属压碎区相互作用,相应的刀具磨损可分为直接磨损和二次磨损,直接磨损指刀具与完整岩块相互作用时产生的磨损,属于2个表面粗糙峰直接咬合引起的黏着磨损;二次磨损指夹在2个表面的破碎颗粒造成的刀具磨损,属于磨粒磨损中的三体磨损。同时滚刀破岩过程中,二次磨损也包括与相对滚动的摩擦表面接触形成的循环变化应力作用下的疲劳磨损。磨损机制中的扩散磨损主要是由于高温度场下化学元素交互运动引起,合金刀具工作温度相对较低,分子在界面间的交换比较缓慢,扩散磨损在刀具磨损中所占比例可以忽略,因此,刀具的磨损主要表现为:①岩土体中的硬质磨粒对刀刃表面进行磨削,在刀刃表面形成犁沟,表面产生多次变形,*终导致表面材料脱落;②硬质磨粒被垂直荷载压入刀刃表面产生塑性变形并形成黏着点,在切向荷载的作用下黏着点被剪断,附着于硬质颗粒表面脱落;③刀具与岩土接触时交变接触应力作用下的疲劳磨损断裂或脱落。
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    刀具硬度是指什么?
    硬度是衡量一把刀的重要标准之一。刀具硬度常用的指标有三种:洛氏硬度,布氏硬度和维氏硬度。一般情况下,大家所说的硬度指的是洛氏硬度。洛氏硬度的含意是在规定的外加载荷下,将钢球或金刚石压头垂直压入试件表面,产生压痕,测试压痕深度,利用洛氏硬度计算公式HR=(K-H)/C便可计算出洛氏硬度,用“HRC”表示。总结起来就是压痕越浅,HR值越大,所测刀具的硬度越高。比如HRC60,即代表在试验载荷为150kg下,使用顶角为120度的金刚石圆锥压头时,试件的压痕深度为0.08mm。很多人都认为刀具硬度越高越好,其实不然。检验好刀的标准从来都不只有这一个,不能过于追求刀具的硬度。刀具破损刀的硬度过低,刀刃的锋利度无法达到要求,并且容易出现卷刃现象;硬度过高,刀片虽然抗磨损能力强,但是太脆,容易在大力使用时发生断裂。真正的一把好刀,应当在硬度合适的情况下,增强韧性,保持锋利性,又不易卷刃。**的从来都是适当的,而非过量的。那么,刀剑的硬度多少*合适?这要看刀的类型和用途。开山刀、砍刀、户外生存刀,硬度在55-58HRC比较好。这类刀具一般都在野外使用,主要用于恶劣环境下的耐操性任务,如劈、砍、挖等。这就要求刀具不但具备一定的硬度,还要具有良好的韧性,不至于断裂,因此55-58的硬度*为合适。另外,此硬度范围的刀,也比较易于打磨,用普通石头就可以打磨得很锋利。
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    切削刀具表面涂层技术
    高速切削加工技术出现之后,涂层技术更是得到了迅猛的发展与应用,并成为高速切削刀具制造的关键技术之一。该项技术通过化学或物理的方法在刀具表面形成某种薄膜,使切削刀具获得优良的综合切削性能,从而满足高速切削加工的要求。1. 采用涂层技术可在不降低刀具强度的条件下,大幅度地提高刀具表面硬度,目前所能达到的硬度已接近100GPa;2. 随着涂层技术的飞速发展,薄膜的化学稳定性及高温抗氧化性更加突出,从而使高速切削加工成为可能;3. 润滑薄膜具有良好的固相润滑性能,可有效地改善加工质量,也适合于干式切削加工;4. 涂层技术作为刀具制造的*终工序,对刀具精度几乎没有影响,并可进行重复涂层工艺。涂层切削刀具所带来的益处:可大幅度提高切削刀具寿命;有效地提高切削加工效率;明显提高被加工工件的表面质量;有效地减少刀具材料的消耗,降低加工成本;减少冷却液的使用,降低成本,利于环境保护。对小型圆形刀具进行正确的表面处理可以提高刀具寿命,减少加工循环时间,提升加工表面质量。但是,根据加工需要正确选择刀具涂层有可能是一件令人困惑和费劲的工作。每一种涂层在切削加工中都既有优势又有缺点,如果选用了不恰当的涂层,有可能导致刀具寿命低于未涂层刀具,有时甚至会引出比涂层以前更多的问题。
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    刀具按切削时间计
    金属切削刀具行业内,以刀具寿命15分钟来推荐切削线速度。在实际使用时,一般取刀具品牌制造厂推荐值的75%,此时刀具寿命约为60分钟。一个刀刃可加工工件数量可按下式估算:N=(19100XVXf)/(DXh)N - 刀具寿命,可加工工件数,单位:个V – 刀具选用切削线速度,单位:米/分钟f – 加工时的进给量,单位:毫米/转D – 被加工件工件直径,单位:毫米h - 加工长度,毫米车削一个直径50毫米的工件,长度100毫米,刀具制造厂推荐线速度200米/分钟,预定刀具切削时间寿命T=60分钟,实际使用线速度150米/分钟,进给量0.1毫米/转,估算刀具寿命:N=(19100X150X0.1)/(50X100)=57.3即,按上述条件计算,每刃可加工57个工件。
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    为什么要进行刀具刃口钝化?
    经普通砂轮或金刚石砂轮刃磨后的刀具刃口,存在程度不同的微观缺口(即微小崩刃与锯口)。前者可用肉眼和普通放大镜观察到,后者用100倍(带0.010mm刻线)显微镜能够观察到,其微观缺口一般在0.01-0.05mm,严重者高达0.1mm以上。在切削过程中刀具刃口微观缺口极易扩展,加快刀具磨损和损坏。现代高速切削加工和自动化机床对刀具性能和稳定性提出了更高的要求,特别是涂层刀具在涂层前必须经过刀口的钝化处理,才能保证涂层的牢固性和使用寿命。刀具钝化的目的刃口钝化技术,其目的就是解决刃磨后的刀具刃口微观缺口的缺陷,使其锋值减少或消除,达到圆滑平整,既锋利坚固又耐用的目的。常见刃口形式锐刃【锐刃】刃磨前、后刀面相交而自然形成的税刃,其刃口锋利、强度差、易磨损。一般用于精加工刀具。倒棱刃【倒棱刃】在刃口附近前刀面上,刃磨出很窄的负前角棱边,大大提高了刃口的强度。用于粗加工和半精加工等刀具。消振棱刃【消振棱刃】在刃口附近的后刀面上磨出一条很窄的负后角棱边,切削时增大刀具与工件的接触面积,消除切削过程振动。用于工艺系统刚性不足时所用的单刃刀具。白刃【白刃】在刃口附近的后刀面上磨有一条后角为0°的窄边或刃带,可起到支撑导向和挤压光整作用,用于铰刀、拉刀等多刃刀具。倒圆刃【倒圆刃】在对口上刃磨或钝化成一定参数的圆角,增加刃口强度,提高刀具寿命,用于各种粗加工和半精加工的可转位刀具。刃口钝化形状刃口钝化几何形状,对刀具寿命有很大影响:一种为圆弧刃,一种为瀑布型刃。
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