Haben Sie sich jemals gefragt, warum CNC-Bearbeitungswerkzeuge vorzeitig ausfallen? Werkzeugschäden und -verschleiß können die Produktion stören und zu kostspieligen Verzögerungen führen. In diesem Artikel werden häufige Probleme wie Mikrozerspanung, thermische Risse und abrasiver Verschleiß untersucht, und es werden Einblicke in ihre Ursachen und Lösungen gegeben. Wenn Sie diese Probleme verstehen, können Sie die Langlebigkeit der Werkzeuge und die Effizienz Ihrer Bearbeitungsprozesse verbessern. Tauchen Sie ein und erfahren Sie, wie Sie diese Probleme erkennen und entschärfen können, um einen reibungsloseren Betrieb und bessere Ergebnisse zu erzielen.
In einem Bearbeitungszentrum gelten Schneidwerkzeuge als Verschleißwerkzeuge, die während des Bearbeitungsprozesses beschädigt werden, verschleißen und ausbrechen können.
Diese Vorkommnisse sind unvermeidlich, können aber auch durch kontrollierbare Faktoren wie unwissenschaftliche und nicht normgerechte Arbeitsweise, unsachgemäße Wartung usw. verursacht werden.
Die Suche nach der Grundursache ist der Schlüssel zu einer effektiveren Lösung des Problems.
Wenn die Materialstruktur, die Härte und das Material des Werkstücks ungleichmäßig sind, der vordere Winkel zu groß ist, was zu einer geringen Festigkeit der Schneide führt, die Steifigkeit des Prozesssystems unzureichend ist, was zu Vibrationen führt, oder ein intermittierendes Schneiden durchgeführt wird, und die Schleifqualität schlecht ist, neigt die Schneide zu Mikroausbrüchen, d. h. es entstehen kleine Brüche, Lücken oder Ablösungen im Kantenbereich.
In diesem Fall verliert das Werkzeug einen Teil seiner Schneidfähigkeit, kann aber weiterhin eingesetzt werden.
Bei fortgesetztem Schneiden kann sich der beschädigte Bereich der Kante schnell ausdehnen, was zu größeren Schäden führt.
2）Bruch der Schneide oder Spitze
Diese Art der Beschädigung tritt unter härteren Schnittbedingungen als bei der Mikrozerspanung oder als Folge der Weiterentwicklung der Mikrozerspanung auf.
Größe und Ausmaß des Bruchs sind größer als bei der Mikrozerspanung, was dazu führt, dass das Werkzeug seine Schneidfähigkeit vollständig einbüßt und seine Arbeit einstellen muss. Das Brechen der Spitze wird gemeinhin als Spitzenbruch bezeichnet.
3）Bruch der Klinge oder des Werkzeugs
Bei extrem harten Schnittbedingungen, übermäßigem Schnittvolumen, Stoßbelastungen, Mikrorissen im Klingen- oder Werkzeugmaterial, Eigenspannungen vom Schweißen oder Schleifen und anderen Faktoren wie unvorsichtiger Bedienung kann die Klinge oder das Werkzeug brechen. Nach einer solchen Beschädigung kann das Werkzeug nicht mehr verwendet werden und wird verschrottet.
4）Abblättern der Oberflächenschicht der Klinge
Bei Materialien mit hoher Sprödigkeit, wie z. B. Hartlegierungen mit hohem TiC-Gehalt, Keramik, PCBN usw., kann die Oberflächenschicht aufgrund von Defekten oder potenziellen Rissen in der Oberflächenschicht abblättern oder Eigenspannung vom Schweißen oder Schleifen.
Wenn die Oberfläche während des Schneidens nicht stabil genug ist oder die Oberfläche des Werkzeugs einer wechselnden Kontaktbelastung ausgesetzt ist, kann es zu Ablösungen kommen.
Das Schälen kann auf der Vorder- oder Rückseite des Werkzeugs erfolgen, wobei das Schälmaterial in Form von Blättern und einer großen Schälfläche auftritt. Die Wahrscheinlichkeit des Schälens ist größer bei beschichtete Werkzeuge.
Nach leichtem Schälen kann das Werkzeug noch weiterarbeiten, aber nach starkem Schälen verliert es seine Schneidfähigkeit.
5）Plastische Verformung des Schneidteils
Aufgrund der geringen Festigkeit und der geringen Härte kann es im Schnittbereich von Kohlenstoffstahl und Schnellarbeitsstahl zu plastischen Verformungen kommen.
Wenn harte Legierungen unter hohen Temperaturen und triaxialen Spannungen bearbeitet werden, kann es auch zu plastischem Fließen an der Oberfläche kommen, was zu einer plastischen Verformung der Schneidkante oder -spitze und damit zu einem Zusammenbruch führt.
Ein Zusammenbruch tritt in der Regel bei großem Zerspanungsvolumen und der Verarbeitung harter Werkstoffe auf. Die Fähigkeit zur plastischen Verformung von Hartlegierungen auf TiC-Basis ist schneller oder versagt schneller als die von Hartlegierungen auf WC-Basis, da erstere einen geringeren Elastizitätsmodul. PCD und PCBN werden grundsätzlich nicht plastisch verformt.
6）Thermische Rissbildung an der Klinge
Wenn das Werkzeug abwechselnd mechanisch und thermisch belastet wird, führt die wiederholte thermische Ausdehnung und Kontraktion der Schneidenoberfläche unweigerlich zu einer thermischen Wechselbeanspruchung, die zu Ermüdung und Rissbildung an der Schneide führt.
Zum Beispiel beim Hochgeschwindigkeitsfräsen mit einer Hartlegierung Fräser sind die Zähne ständig periodischen Stößen und thermischen Wechselbelastungen ausgesetzt, was zu kammförmigen Rissen an der Stirnseite führt.
Obwohl bei einigen Werkzeugen keine offensichtlichen Wechselbelastungen und Wechselspannungen auftreten, erzeugen Temperaturunterschiede zwischen der Oberfläche und den inneren Schichten auch thermische Spannungen.
Außerdem sind Fehler im Material des Werkzeugs unvermeidlich, so dass die Klinge auch reißen kann. Nach der Bildung von Rissen kann das Werkzeug manchmal eine Zeit lang weiterarbeiten, aber manchmal dehnen sich die Risse schnell aus, so dass die Klinge bricht oder die Oberfläche stark abblättert.
1）Abrasive Abnutzung
Das Werkstück enthält oft kleine Partikel von extrem hoher Härte, die Rillen in die Werkzeugoberfläche schaben können, dies ist abrasiver Verschleiß.
Abrasiver Verschleiß tritt auf allen Oberflächen auf und ist an der vorderen Schneidkante am deutlichsten.
Abrasiver Verschleiß kann bei allen Schnittgeschwindigkeiten auftreten, aber beim Schneiden mit niedriger Geschwindigkeit sind andere Arten von Verschleiß aufgrund der niedrigen Schnitttemperatur nicht offensichtlich, so dass abrasiver Verschleiß die Hauptursache ist. Je geringer die Werkzeughärte ist, desto stärker ist der Abrasivverschleiß.
2）Kaltschweißverschleiß
Beim Schneiden entsteht ein großer Druck und eine starke Reibung zwischen dem Werkstück und der Schneide, was zu Kaltverschweißung.
Aufgrund der Relativbewegung zwischen der Reibpaarung wird beim Kaltschweißen der Bruch von einer Seite abgetragen, was zu Kaltschweißverschleiß führt. Der Kaltschweißverschleiß ist im Allgemeinen bei mittleren Schnittgeschwindigkeiten stärker ausgeprägt.
Experimenten zufolge haben spröde Metalle eine bessere Beständigkeit gegen Kaltverschweißung als plastische Metalle; mehrphasige Metalle sind kleiner als einphasige; Metallverbindungen neigen weniger zur Kaltverschweißung als reine Metalle; die Elemente der B-Gruppe im Periodensystem und Eisen neigen weniger zur Kaltverschweißung.
Schnellarbeitsstahl und harte Legierungen sind bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten anfälliger für das Kaltschweißen.
3）Diffusionsverschleiß
Bei der Hochtemperaturzerspanung und dem Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug diffundieren die chemischen Elemente beider Seiten im festen Zustand ineinander, wodurch sich die Zusammensetzung und die Struktur des Werkzeugs verändern, die Werkzeugoberfläche spröde wird und der Werkzeugverschleiß zunimmt.
Durch Diffusion wird immer ein tiefes Gefälle vom Objekt mit hohem Gradienten zum Objekt mit niedrigem Gradienten aufrechterhalten.
Wenn zum Beispiel Kobalt in einer harten Legierung bei 800°C geschnitten wird, diffundiert es schnell in die Späne und das Werkstück; WC zerfällt in Wolfram und Kohlenstoff und diffundiert in den Stahl; wenn Schneidestahl und Eisen mit einem PKD-Werkzeug, wenn die Schneidtemperatur höher als 800°C ist, übertragen sich die Kohlenstoffatome im PKD mit einer hohen Diffusionsstärke auf die Werkstückoberfläche und bilden eine neue Legierung, und die Werkzeugoberfläche wird graphitiert.
Kobalt und Wolfram weisen eine stärkere Diffusion auf, während TitanTantal und Niob haben eine stärkere Anti-Diffusionsfähigkeit, so dass Hartlegierungen des Typs YT eine bessere Verschleißfestigkeit aufweisen.
Beim Schneiden von Keramik und PCBN ist der Diffusionsverschleiß bei Temperaturen zwischen 1000°C und 1300°C nicht signifikant.
Aufgrund des Materials von Werkstück, Spänen und Werkzeug wird beim Schneidkontakt eine thermoelektrische Spannung erzeugt, die die Diffusion fördert und den Werkzeugverschleiß beschleunigt.
Diese Art von Diffusionsverschleiß unter der Wirkung des thermoelektrischen Potentials wird als "thermoelektrischer Verschleiß" bezeichnet.
4）Oxidationsverschleiß
Wenn die Temperatur ansteigt, wird die Oberfläche des Schneidewerkzeug kann oxidieren und ein weiches Oxid bilden, das von den Spänen abgeschliffen wird und Verschleiß verursacht. Diese Art von Verschleiß wird als Oxidationsverschleiß bezeichnet.
Im Temperaturbereich von 700-800 °C reagiert der Luftsauerstoff beispielsweise mit Kobalt und Karbiden in Hartmetallen sowie mit Karbid-Titan und bildet ein weicheres Oxid. Bei 1000°C reagiert PCBN mit Wasserdampf.
1）Vorderer Schneidkantenverschleiß:
Bei der Zerspanung von Kunststoffen mit höherer Geschwindigkeit wird die vordere Schneidkante in der Nähe der Schneidkraft durch die Wirkung der Späne halbmondförmig abgenutzt, daher wird dies auch als Halbmondrillenverschleiß bezeichnet.
In der Anfangsphase des Verschleißes vergrößert sich der vordere Winkel des Werkzeugs, was die Schnittbedingungen verbessert und dazu beiträgt, dass die Späne gebogen und gebrochen werden.
Je größer jedoch die sichelförmige Rille wird, desto geringer wird die Festigkeit der Schneide, und schließlich kann die Schneide brechen.
Beim Schneiden von spröden Materialien oder beim Schneiden von Kunststoffen mit geringerer Schnittgeschwindigkeit und dünnerer Schnittstärke tritt kein Sichelrillenverschleiß auf.
2）Schneidspitzenverschleiß:
Der Schneidplattenverschleiß ist der Verschleiß an der hinteren Schneidkante und der angrenzenden Seite der hinteren Schneidkante des Schneidplattenbogens.
Sie ist eine Fortsetzung des Verschleißes an der Hinterschneide des Werkzeugs. Aufgrund der schlechten Wärmeableitung an dieser Stelle konzentriert sich die Spannung und die Verschleißrate ist daher höher als an der hinteren Schneide.
Manchmal bildet sich auf der Seite der hinteren Schneide eine Reihe von Rillen, deren Abstand dem Vorschub entspricht, was als Rillenverschleiß bezeichnet wird.
Sie werden hauptsächlich durch die Härteschicht und das Schnittmuster auf der bearbeiteten Oberfläche verursacht.
Rillenverschleiß tritt am ehesten beim Schneiden von schwer zerspanbaren Werkstoffen mit hoher Aufhärtungsneigung auf.
Der Verschleiß der Schneidspitzen hat den größten Einfluss auf die Oberflächenrauhigkeit und die Bearbeitungsgenauigkeit des Werkstücks.
3）Rückseitiger Schneidkantenverschleiß:
Beim Schneiden von Kunststoffen mit einer großen Schnittdicke kann es vorkommen, dass die hintere Schneide des Werkzeugs aufgrund der Aufbauschneide keinen Kontakt zum Werkstück hat.
Darüber hinaus kommt die hintere Schneide in der Regel mit dem Werkstück in Kontakt und bildet ein Verschleißband mit einem Rückenwinkel von 0.
Normalerweise ist der Verschleiß der hinteren Schneide in der Mitte der Arbeitslänge der Schneide relativ gleichmäßig, so dass der Grad des Verschleißes der hinteren Schneide durch die Breite des Verschleißbandes VB in diesem Abschnitt der Schneide gemessen werden kann.
Da bei fast allen Werkzeugtypen unter verschiedenen Schnittbedingungen ein Hinterkantenverschleiß auftritt, insbesondere beim Schneiden von spröden Materialien oder Kunststoffen mit geringerer Schnittdicke, ist der Hauptverschleiß des Werkzeugs der Hinterkantenverschleiß.
Und die Messung der Breite des Verschleißbandes VB ist einfach, so dass VB oft zur Darstellung des Grades der Werkzeugabnutzung verwendet wird.
Je größer VB ist, desto mehr steigt die Schnittkraft, was zu Vibrationen beim Schneiden führt und auch den Verschleiß an der Schneidenspitze beeinflusst, was wiederum die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität beeinträchtigt.
Wählen Sie auf der Grundlage der Eigenschaften des Materials und der zu bearbeitenden Teile den Typ und die Qualität des Klingenmaterial vernünftig. Stellen Sie sicher, dass das Klingenmaterial die erforderliche Zähigkeit aufweist, wobei eine gewisse Härte und Verschleißfestigkeit vorausgesetzt wird.
Wählen Sie die Parameter der Klingengeometrie vernünftig aus. Stellen Sie den vorderen und hinteren Winkel, den Haupt- und Nebenfreiflächenwinkel und den Spanwinkel so ein, dass die Schneidkante und die Spitze eine gute Festigkeit aufweisen. Das Schleifen eines negativen Spanwinkels an der Schneide ist eine wirksame Maßnahme zur Vermeidung von Klingenbrüchen.
Sicherstellen, dass die Qualität des Schweißens und Schleifen und zur Vermeidung verschiedener Defekte, die durch schlechtes Schweißen und Schleifen verursacht werden. Die im Prozess verwendeten Schlüsselblätter sollten zur Verbesserung der Oberflächenqualität geschliffen und auf Risse geprüft werden.
Wählen Sie die Schnittmenge vernünftig, um übermäßige Schnittkraft und hohe Schnitttemperaturen zu vermeiden und einen Klingenbruch zu verhindern.
Machen Sie das Prozesssystem so steif wie möglich, um Vibrationen zu reduzieren.
Verwenden Sie die richtige Betriebsmethode, um die Exposition des Messers gegenüber plötzlichen Belastungen zu minimieren.
1. Falsche Auswahl der Spezifikation und Sorte der Werkzeugklinge, z. B. zu dünne Klinge oder Verwendung einer Klinge mit zu hoher Härte und Sprödigkeit bei der Schruppbearbeitung.
Gegenmassnahmen: Vergrößern Sie die Dicke der Klinge oder bauen Sie die Klinge vertikal ein und wählen Sie eine Sorte mit höherer Biegefestigkeit und Zähigkeit.
2. Falsche Wahl der Parameter der Werkzeuggeometrie (z. B. zu große Winkel an der Vorder- und Rückseite).
Gegenmassnahmen:
Neugestaltung des Tools unter folgenden Gesichtspunkten:
1）Verringern Sie die vorderen und hinteren Winkel entsprechend.
2）Wählen Sie einen größeren negativen Neigungswinkel der Schaufel.
3）Verringern Sie den Hauptneigungswinkel.
4）Ein größerer negativer Spanwinkel oder ein größerer Kreisbogen an der Klingenkante.
5）Schleifen Sie die Übergangsschneide zur Verstärkung der Werkzeugspitze.
3. Falsches Verfahren zum Schweißen der Werkzeugschneiden, was zu übermäßiger Schweißspannung oder Schweißrisse.
Gegenmassnahmen:
1）Vermeiden Sie die Verwendung einer Blade-Slot-Struktur mit dreiseitigem Gehäuse.
2）Wählen Sie die richtige Schweißmaterial.
3）Vermeiden Sie die Verwendung von Sauerstoff-Acetylen-Flamme Heizung und halten Sie die Klinge warm nach dem Schweißen zu beseitigen Eigenspannung.
4）Ersetzen Sie die Struktur durch mechanische Klemmung so viel wie möglich.
4. Unsachgemäße Schleifmethode, die zu Schleifspannungen und Schleifrissen führt. Für PCBN FräswerkzeugeEin übermäßiges Schwanken der Zähne nach dem Knirschen kann dazu führen, dass einzelne Zähne zu stark belastet werden und brechen.
Gegenmassnahmen:
1）Verwenden Sie intermittierendes Schleifen oder Diamantschleifen.
2）Wählen Sie eine weichere Schleifscheibe und schärfen Sie sie häufig.
3）Achtung auf die Schleifqualität und strenge Kontrolle der Zahnschwankung der Fräswerkzeug.
5. Unsachgemäße Wahl der Schnittmenge, z. B. zu hohe Schnittkraft und Temperatur, was zu Werkzeugbruch führt.
Gegenmassnahmen: Wählen Sie die Schnittmenge erneut aus.
6. Strukturelle Gründe bei Werkzeugen mit mechanischer Klemmung, wie z. B. ein unebener Boden des Werkzeugschlitzes oder ein zu langes Herausragen der Klinge.
Gegenmassnahmen:
1）Reparieren Sie den Boden des Werkzeugschachts.
2）Stellen Sie die Schneidflüssigkeitsdüse vernünftig ein.
3）Erhöhen Sie die Härte des legierten Abstandhalters unter der Klinge durch Abschrecken des Schafts.
7. Übermäßiger Werkzeugverschleiß.
Gegenmaßnahmen: Wechseln Sie rechtzeitig die Klinge oder wechseln Sie die Schneide.
8. Unzureichender Durchfluss der Schneidflüssigkeit oder falsche Zugabemethode, wodurch die Klinge überhitzt wird und bricht.
Gegenmassnahmen:
1）Erhöhen Sie den Durchfluss der Schneidflüssigkeit.
2）Stellen Sie die Schneidflüssigkeitsdüse vernünftig ein.
3）Verwenden Sie wirksame Kühlmethoden wie die Sprühkühlung, um die Kühleffizienz zu verbessern.
4）Verwenden Sie unterbrochene Schnitte, um die Auswirkungen auf die Klinge zu reduzieren.
9. Falsche Werkzeugbestückung, z. B. zu hoch oder zu niedrig montiertes Abstechwerkzeug, Schaftfräser mit asymmetrischer Fräsung, usw.
Gegenmassnahmen: Setzen Sie das Werkzeug wieder ein.
10. Unzureichende Steifigkeit des Prozesssystems, was zu übermäßigen Vibrationen beim Schneiden führt.
Gegenmassnahmen:
1）Erhöhen Sie die Hilfsunterstützung für das Werkstück und verbessern Sie die Spannsteifigkeit des Werkstücks.
2）Verringern Sie die Überhanglänge des Werkzeugs.
3）Reduzieren Sie den Rückenwinkel des Werkzeugs entsprechend.
4）Weitere schwingungsdämpfende Maßnahmen ergreifen.
11. Unsichere Arbeitsweise, z. B. zu grobes Schneiden in das Werkstück von der Mitte aus oder Anhalten der Maschine vor dem Zurückziehen des Werkzeugs.
Gegenmassnahmen: Achten Sie auf die Arbeitsweise.
1. Bildung
In dem Bereich nahe der Schneidkante, in dem der Kontakt zwischen Werkzeug und Span stattfindet, wird das Metall an der Unterseite der Späne aufgrund des hohen Abwärtsdrucks in die mikroskopisch kleinen Erhebungen und Vertiefungen an der Vorderseite des Schneidwerkzeugs eingebettet, wodurch ein enger Metall-Metall-Kontakt entsteht, der zu einer Bindung führt.
Dieser Teil der Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Span wird als Bindezone bezeichnet. Im Klebebereich sammelt sich eine dünne Schicht Metallmaterial aus den Spänen an der Vorderseite des Schneidwerkzeugs an, die sich bei entsprechenden Schneidtemperaturen stark verformt und verfestigt.
Beim weiteren Ausfließen der Späne wird dieses angesammelte Material vom nachfolgenden Schneidstrom weggeschoben und bildet die Grundlage für die Aufbauschneide.
Daraufhin bildet sich eine zweite Schicht aus angesammeltem Schneidmaterial, und dieser Prozess setzt sich fort, so dass sich eine Aufbauschneide bildet.
2. Merkmale und Auswirkungen auf den Schneidprozess
1）Die Härte der Aufbauschneide ist 1,5 bis 2 Mal höher als die des Werkstückmaterials und kann die Vorderseite des Schneidwerkzeugs ersetzen, wodurch die Schneide geschützt und der Verschleiß an der Vorderseite des Schneidwerkzeugs verringert wird, aber abfallende Fragmente der Aufbauschneide können Verschleiß an der Rückseite des Schneidwerkzeugs verursachen, wenn sie durch den Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Werkstück fließen.
2）Nach der Bildung der Aufbauschneide vergrößert sich der Arbeitsfrontwinkel des Werkzeugs, wodurch die Verformung der Späne aktiv reduziert und die Schnittkraft verringert wird.
3）Durch die über die Schnittkante hinausragende Aufbauschneide vergrößert sich die tatsächliche Schnitttiefe, was die Maßhaltigkeit des Werkstücks beeinträchtigt.
4）Die Aufbauschneide verursacht einen "Pflugeffekt" auf der Oberfläche des Werkstücks und beeinträchtigt dessen Oberflächenrauheit.
5）Die Bruchstücke der Aufbauschneide können an der Oberfläche des Werkstücks haften oder sich darin einbetten, was zu harten Stellen führt und die Qualität der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks beeinträchtigt.
Aus der obigen Analyse geht hervor, dass sich die Aufbauschneide nachteilig auf die Zerspanung auswirkt, insbesondere auf die Präzisionsbearbeitung.
3. Kontrollmaßnahmen
Um die Bildung von Aufbauschneiden zu vermeiden, können die folgenden Maßnahmen ergriffen werden, um zu verhindern, dass sich das Metall am Boden der Späne mit der Vorderseite des Schneidwerkzeugs verbindet oder verfestigt:
1）Reduzieren Sie die Rauheit der Vorderseite des Schneidwerkzeugs.
2）Vergrößern Sie den vorderen Winkel des Werkzeugs.
3）Reduzieren Sie die Schnittstärke.
4）Verwenden Sie niedrige oder hohe Schnittgeschwindigkeiten, um Schnittgeschwindigkeiten zu vermeiden, die zur Bildung von Aufbauschneiden neigen.
5）Wärmebehandlung des Werkstückmaterials, um seine Härte zu erhöhen und seine Plastizität zu verringern.
6）Verwendung Kühlschmierstoffe mit guten Antihaft-Eigenschaften (z. B. schwefel- und chlorhaltige Hochdruck-Schneidflüssigkeiten).
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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