提高刀具的使用寿命的目标是什么,有什么好处

求分解,详细的论文用...

2024-12-07 09:51:26

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回答1：

提高刀具的使用寿命的目标---是提高劳动力、提高产品质量、降低次品率、下降生产成本。
机械制造业的生产过程涉及大量的机械加工，特别是金属切削加工所加工产品的尺寸、形状、位置精度、表面形貌等都与刀具有关，刀具的性能、质量及其管理直接影响到能否顺利加工出所需要的合格产品，影响到加工节拍和生产效率，影响制造成本的控制和降低，关系到制造型企业的核心竞争力，这在自动化机械加工中表现得更为突出。
（1）数控机床中刀具发展和应用的新特点
现代的机械加工及其所用刀具技术近年来发展特别快，高新技术被大量采用，在加工工艺、切削方式、刀具结构、刀具材料、表面工程等方面都已有了与过去传统机械加工很大的不同点，首先是大量采用柔性加工生产线，采用高效、高速切削，各类数控加工中心机床被大量采用，与此相应的是超硬刀具如CBN(立方氮化硼)、PCD(聚晶金刚石)刀具和新型硬质合金刀具被大量采用，由表面工程和摩擦学技术最新发展所获得的各种新型涂层应用在刀具表面，新的刀具结构和具有新型切削刃和几何形状的刀片被不断研究和开发出来，适应数控机床和高速加工需要的刀具夹持及其与机床的连接件如HSK刀柄、热套刀柄、液压刀柄等以及其他新型刀柄获得广泛应用。为提高生产效率和减少换刀时间在汽车零部件的加工中越来越多地使用了各种复合刀具，如钻镗复合、钻铰复合、钻孔和螺纹加工复合等各类复合刀具，结构复杂的展开式刀具满足了很多特殊的加工要求，有些刀具甚至已发展成机、电、液一体化的装置，已远远超越了传统的刀具的概念。刀具需要维护和保养，需要预调整和检测，刀具寿命需要得到控制，需要有完善的系统和一系列的管理来确保生产线及时得到符合要求的、数量足够的刀具，并在发生加工问题或刀具问题时得到快速的响应和支持，迅速分析和解决出现的问题，以使生产正常进行，并且包含刀具费用在内的制造成本应具有足够的市场竞争力，所有这些都对刀具的管理提出了与过去不同的全新的要求。
面对机械加工和刀具技术的高速发展，面对数控设备既要柔性还要高效生产的挑战，面对日益激烈的市场竞争和不断降低制造成本的压力，刀具的管理成为各项各业日益关注的热点。
（2）刀具及其管理对生产效率的影响
刀具的性能与质量直接影响到能否顺利加工出所要求的合格产品，刀具能否满足高速切削的要求，刀具寿命如何及换刀频次高低都直接影响生产线开动率，影响到加工节拍和生产效率，而能否按时和保证质量地将调整或修磨好的刀具提供给生产线又将直接关系到生产能否正常持续地进行下去。机械行业中大量采用的是流水生产，上道工序的生产直接影响到下道工序的生产，而为了提高生产效率和降低生产成本，又采用了大量的组合式刀具及由此引起的非标刀具，因而一把关键的刀具特别是非标刀具如不能按时供应，就会如同串联电路中一个元件损坏引起整条电路瘫痪一样，会造成整条机加工生产线停产，而如果没有应急措施或不能快速反应，还有可能造成总成装配线甚至自动装配线停产，由此可见刀具及其管理对生产的重大影响。
（3）刀具使用寿命的定义
刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间，称为刀具使用寿命，以T表示。它是指净切削时间，不包括用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间。

也有用达到磨钝标准前的切削路程lm。来定义刀具使用寿命的。lm等于切削速度Vc和刀具使用寿命(时间)T的乘积，即

lm=Vc·T (6—3)

这里需要指出，以往把上述定义的刀具使用寿命称为刀具耐用度。过去刀具使用寿命刀具耐用度曾有过不同的含义。刀具使用寿命表示一把新刀(如焊接车刀或麻花钻等)用到报废之前的总切削时间，其中包括多次重磨。因此刀具使用寿命等于刀具耐用度乘以重磨次数，但按现行的推荐标准精神，应称为刀具总使用寿命。
刀具使用寿命是很重要的数据。在同一条件下切削同一工件材料时，可以用刀具使用寿命来比较不同刀具材料的切削性能；同一刀具材料切削各种工件材料，又可以用刀具使用寿命来比较工件材料的切削加工性；也可以用刀具使用寿命来判断刀具几何参数是否合理。工件材料、刀具材料的性能对刀具使用寿命影响最大。在切削用量中，影响刀具使用寿命最主要的因素是切削速度，其次是进给量、切削深度。此外，刀具几何参数对刀具使用寿命也有重要影响。
(a).切削速度与刀具使用寿命的关系

切削速度与刀具使用寿命的关系是用实验方法求得的。实验前先选定刀具后刀面的磨钝标准。为了节约材料，同时又要能反映刀具在正常工作情况下的磨损强度，按照IS0的规定：当主切削刃参加工作部分的中部磨损均匀时，磨钝标准取VB＝0.3mm；在磨损不均匀时，取VBmax＝0.6mm[106]。

选定好磨钝标准后，在固定其他切削条件的情况下，只改变切削速度（如取V=Vc1，Vc2，Vc3，Vc4，…等）作磨损试验，得出在各种速度下的刀具磨损曲线(图6—11)；再根强选定的磨钝标准VB求出在各切削速度下所对应的刀具使用寿命T1，T2，T3，T4，…等。然后在对数坐标纸上定出(T1，Vc1)；(T2，Vc2)；（T3，Vc3），(T4，Vc4)；…等点(图6—12)。在一定的切削速度范围内，这些点基本上分布在一条直线上。这条在双对数坐标图上的直线可用下列方程式表示：

lgVc=-mlgT+lgA

式中m＝tgφ，即该直线的斜率；A为当T=1s(或1min)时直线在纵坐标上的截距。m及A均可从图中实测。因此Vc—T(或T—Vc)关系可写成：

Vc＝A／Tm (6—4)①

或

(z＝1／m) (6—5)
(b)．进给量、切削深度与刀具使用寿命的关系

按照求Vc—T关系式的方法，同样可以求得f—T和ap—T关系式：

f＝B／Tn (6—6)

ap＝C／Tp (6—7)

式中 B、C——系数；

n、p——指数。

综合式6—4、式6—6及式6—7、可以得到刀具使用寿命的三因素公式：

（6—8a）

或

（6—8b）

式中 CT，Cv—与工件材料、刀具材料和其他切削条件有关的系数；

指数xv＝m／p，yv=m/n。

对于不同的工件材料和刀具材料，在不同的切削条件下，式6—8中的系数和指数，可在资料[73]中查得。实际上，式6-8就是刀具使用寿命或一定刀具使用寿命下切削速度的预报方程。例如，用硬质合金外圆车刀切削σb＝0.75GPa(75kgf／mm2)的碳素钢时，当f＞0.75mm／r，经验公式
由上式可知，切削速度对刀具使用寿命的影响最大，其次是进给量，切削深度影响最小。所以在优选切削用量以提高生产率时，其选择先后顺序应为：首先尽量选用大的切削深度ap，然后根据加工条件和加工要求选取允许的最大进给量f，最后才在刀具使用寿命或机床功率所允许的情况下选取最大的切削速度Vc

由上式可知，切削速度对刀具使用寿命的影响最大，其次是进给量，切削深度影响最小。所以在优选切削用量以提高生产率时，其选择先后顺序应为：首先尽量选用大的切削深度ap，然后根据加工条件和加工要求选取允许的最大进给量f，最后才在刀具使用寿命或机床功率所允许的情况下选取最大的切削速度Vc

(c)、T—Vc关系的驼峰性

式6—5所示了T—Vc关系的经验公式只在一定的切削速度范围内适用。如在很宽的切削速度范围内进行刀具使用寿命实验，则所得的T—Vc曲线往往不是单调的函数关系，而是形成驼峰形的曲线(图6—13)。在较低的速度范围内，当Vc提高时，T不但不减小，反而增大；到达某一速度时，T有最大值。速度继续提高，T才单调下降。对应曲线下降部分，就是泰勒公式有效的速度范围。同样，lm—Vc关系也具有驼峰性。

驼峰处的刀具使用寿命最高或切削路程最长，能否说明此处的切削速度是“最佳的切削速度”呢?不是。此处的切削速度偏低，金屑切除率也较低，在生产中往往没有实用价值。一般生产中常选用位于驼峰以右的切削速度。
(d)、刀具使用寿命的分布

下面介绍的是在正常磨损条件下的刀具使用寿命分布。在工件、刀具和切削条件固定时，刀具使用寿命并不是常数。如果重复进行切削实验或加工，刀具使用寿命在一定范围内按一定规律变动。因为工件、刀具材料的制造质量、微观组织、机械(力学)性能、几何参数、刃磨质量以及机床运动和其他工艺条件，都是随机变化的。每一个因素的变化不可能不影响刀具使用寿命，故刀具使用寿命也是随机变量。数理统计研究表明，在一定切削条件下，刀具使用寿命的变化规律服从正态分布或对数正态分布[146]。

正态分布的概率密度函数为

式中 μ——均值；

σ——标准差。

对数正态分布的概率密度函数为

（当T>0）

式中 μ——位置参数，

σ——尺度参数。

作者用P10硬质合金刀片车削38CrNi3MoVA调质钢，取ap＝1mm，f＝0.2mm/r，Vc＝150m/min，磨钝标准VB＝0．2mm。用60个切削刃，重复切削60次。统计在不同区间刀具使用寿命出现的频率，绘制出刀具使用寿命分布曲线(图6—14)。经检验，认为服从正态分布。μ＝15.284，σ＝1.34。

掌握刀具使用寿命分布，对生产有指导意义。在现代化加工中，对刀具使用寿命需进行科学管理，定时换刀，必须了解刀具使用寿命的分布情况。例如，在图6—14所用的切削条件下，要求P10刀具满足刀具使用寿命T≥12mm的概率为

这样的概率说明P10刀具能满足该工序加工要求。
在数控加工过程中,刀具的质量及刀具使用过程中的有效管理对加工质量具有至关重要的作用。在汽车制造领域中质量过程控制体系(TS16949质量认证体系)也对刀具管理有着非常具体而明确的要求。HARDINGE VT2数控立式车床是由美国HADRGINE公司生产的,数控系统为FANUC18T系统。本文介绍如何使用FANUC18T系统中的刀具寿命管理功能管理好刀具的使用,以确保加工的产品质量。1添加刀具寿命管理功能为了进行刀具的寿命管理,要实现数控设备对刀具使用次数的自动计数
以上文选摘自《刀具管理》

回答2：

首先、刀具材料刀具材料是决定刀具切削性能和使用寿命的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。刀具材料越硬，其耐磨性越好，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。
对于石墨刀具，普通的TiAlN涂层可在选材上适当选择韧性相对较好一点的，也就是钴含量稍高一点的；对于金刚石涂层石墨刀具，可在选材上适当选择硬度相对较好一点的，也就是钴含量稍低一点的；这样可以延长刀具的使用寿命。
其次、刀具的几何角度石墨刀具选择合适的几何角度，有助于减小刀具的振动，反过来，石墨工件也不容易崩缺；
（1）前角，采用负前角加工石墨时，刀具刃口强度较好，耐冲击和摩擦的性能好，随着负前角绝对值的减小，后刀面磨损面积变化不大，但总体呈减小趋势，采用正前角加工时，随着前角的增大，刀具刃口强度被削弱，反而导致后刀面磨损加剧。负前角加工时，切削阻力大，增大了切削振动，采用大正前角加工时，刀具磨损严重，切削振动也较大。
（2）后角，如果后角的增大，则刀具刃口强度降低，后刀面磨损面积逐渐增大。刀具后角过大后，切削振动加强。
（3）螺旋角，螺旋角较小时，同一切削刃上同时切入石墨工件的刃长最长，切削阻力最大，刀具承受的切削冲击力最大，因而刀具磨损、铣削力和切削振动都是最大的。当螺旋角去较大时，铣削合力的方向偏离工件表面的程度大，石墨材料因崩碎而造成的切削冲击加剧，因而刀具磨损、铣削力和切削振动也都有所增大。因此，刀具角度变化对刀具磨损、铣削力和切削振动的影响是前角、后角及螺旋角综合产生的，所以在选择方面一定要多加注意。通过对石墨材料的加工特性做了大量的科学测试，PARA刀具优化了相关刀具的几何角度，从而使得刀具的整体切削性能大大提高，刀具的使用寿命加长。
第三、刀具的涂层金刚石涂层刀具的硬度高、耐磨性好、摩擦系数低等优点，现阶段金刚石涂层是石墨加工刀具的最佳选择，也最能体现石墨刀具优越的使用性能；金刚石涂层的硬质合金刀具的优点是综合了天然金刚石的硬度和硬质合金的强度及断裂韧性；但是在国内金刚石涂层技术还处于起步阶段，还有成本的投入都是很大的，所以金刚石涂层在近期不会有太大发展，不过我们可以在普通刀具的基础上，优化刀具的角度，选材等方面和改善普通涂层的结构，在某种程度上是可以在石墨加工当中应用的。
金刚石涂层刀具和普通涂层刀具的几何角度有本质的区别，所以在设计金刚石涂层刀具时，由于石墨加工的特殊性，其几何角度可适当放大，容削槽也变大，也不会降低其刀具锋口的耐磨性；对于普通的TiAlN涂层，虽然比无涂层的刀具其耐磨有显著的提高，但比起金刚石涂层来说，在加工石墨时它的几何角度应适当放小，以增加其耐磨性。
对金刚石涂层来说，目前世界上众多的涂层公司均投入大量的人力和物力来研究开发相关涂层技术，但是至今为止，国外成熟而又经济的涂层公司仅仅限于欧洲；PARA作为一款优秀的石墨加工刀具，同样采用目前世界最先进的涂层技术对刀具进行表面处理，以确保加工寿命的同时，保证刀具的经济实用。
第四、刀具刃口的强化刀具刃口钝化技术是一个还不被人们普遍重视，而又是十分重要的问题。金刚石砂轮刃磨后的硬质合金刀具刃口，存在程度不同的微观缺口(即微小崩刃与锯口)。石墨高速切削加工刀具性能和稳定性提出了更高的要求，特别是金刚石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。刀具钝化目的就是解决上述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。
第五、刀具的机械加工条件选择适当的加工条件对于刀具的寿命有相当大的影响。
（1）切削方式（顺铣和逆铣），顺铣时的切削振动小于逆铣的切削振动。顺铣时的刀具切入厚度从最大减小到零，刀具切入工件后不会出现因切不下切屑而造成的弹刀现象，工艺系统的刚性好，切削振动小；逆铣时，刀具的切入厚度从零增加到最大，刀具切入初期因切削厚度薄将在工件表面划擦一段路径，此时刃口如果遇到石墨材料中的硬质点或残留在工件表面的切屑颗粒，都将引起刀具的弹刀或颤振，因此逆铣的切削振动大；
（2）吹气（或吸尘）和浸渍电火花液加工，及时清理工件表面的石墨粉尘，有利于减小刀具二次磨损，延长刀具的使用寿命，减少石墨粉尘对机床丝杠和导轨的影响；
（3）选择合适的高转速及相应的大进给量。综述以上几点，刀具的材料、几何角度、涂层、刃口的强化及机械加工条件，在刀具的使用寿命中扮演者不同的角色，缺一不可，相辅相成的。一把好的石墨刀具，应具备流畅的石墨粉排屑槽、长的使用寿命、能够深雕刻加工、能节约加工成本。

回答3：

目的可以增强刀具材料的抗磨性、强度、韧性和抗冲击性，提高抗疲劳强度和消除内应力。由于提高了材料的稳定性和机械性能，因此延长了刀具使用寿命，减少了换刀、磨刀次数，降低了生产成本。

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