切削刀具失效分析

HEATS

使用新购买的刀具或重磨的刀具一段时间后，就会发现已加工表面粗糙度增大，切屑的颜色、形状和初始切削时不同，切削温度升高，切削力增大，切削加工系统甚至出现振动或不正常的声响。上述现象表明刀具已发生严重磨损，必须更换新刀或重新进行刃磨。

刀具磨损是切削加工过程中不可避免的现象，但刀具磨损过快或发生非正常磨损(也称破损)，必然会影响加工质量，增加刀具消耗，使生产效率降低，加工成本提高。因此，通过研究刀具磨损，可制订合理的切削加工方案，提高生产效率和零件加工质量，并有利于降低加工成本。

为了能使刀具经久耐用，尽量减少磨损，需要了解各种切削因素对刀具磨损的影响。影响刀具切削性能的主要因素有：刀具几何参数(后角、前角、主偏角、刀尖圆弧半径等)、刀具材料、切削用量、工件材料及其机械性能等。这些因素中工件材料属于不可控因素，改变其它因素的属性可控制刀具的磨损形式及磨损率，如通过改变工件材料的热处理状态可改变工件材料的机械性能，从而影响刀具的磨损；选择合理的刀具材料和刀具几何参数也可改善刀具磨损；生产上一般还可通过合理选择切削用量来减少刀具磨损，提高刀具的使用寿命。

要知道如何合理选择上述可控因素，还需要分析刀具失效的形式及其产生机理。刀具失效的形式(图1)可分为正常磨损和非正常磨损两大类：正常磨损是在切削过程中，刀具切削刃、前刀面、后刀面分别与加工表面、切屑和已加工表面接触，在接触区里受切削力和切削热的耦合作用，并发生强烈的摩擦产生的，切削刃、前刀面和后刀面都会产生磨损。正常磨损时，刀具的磨损量随切削时间增长而均匀地增加。刀具的先期破坏或使用过程中的剥落、突然崩刃、卷刃或刀片的整个破裂都称之为非正常磨损。

5 P" O! ~ u( T1 E0 p0 ?

& l( R) O9 {5 U

图1 刀具失效形式

刀具正常磨损主要是由以下几种原因造成的：

1) 磨料磨损是切屑或工件表面存在硬质点(如碳化物颗粒以及积屑瘤碎片等)在刀具表面(前刀面和后刀面)上划出沟纹而造成的磨损。低速切削时，其它原因产生的磨损不明显，因此对低速切削的刀具而言，磨料磨损是刀具磨损的主要原因；

2) 黏结磨损是切削时切屑和工件材料沿刀具前、后刀面移动，破坏了刀具表面的氧化层和其它吸附膜，特别是刚从工件材料内部切削出的新鲜表面间形成强烈黏结造成的磨损。切削速度与黏结磨损之间存在着非常复杂的关系，一般黏结磨损主要发生在中等切削速度范围内，刀具材料与工件材料之间的亲和力、刀具材料和工件材料之间的硬度比以及刀具材料组分、晶粒粗细、刀具表面状态和切削液类型等都影响刀具黏结磨损速度；

3) 扩散磨损是由于切屑、工件与刀具前、后刀面在高温、高压下接触且有较大的化学活性，接触面上的化学元素互相扩散到对方去，改变了两者的化学成分和材料结构而形成的磨损。扩散磨损一般与黏结磨损同时发生。由于每种元素的扩散速度是不同的，因此扩散磨损的程度与刀具材料的组分有很大关系，另外扩散的速度与温度也有很大关系，温度越高，则扩散越快，因此扩散磨损主要发生在高速切削速度范围内。

4) 其它磨损如溶解磨损、氧化磨损等。

可见刀具磨损产生的原因非常复杂，牵涉到机械、热、化学、物理等各种因素，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损的原因和磨损程度是不同的，对于一定的工件材料与刀具材料组合，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。

刀具发生非正常磨损的原因也很多，主要有：

1) 刀具材料的韧性或硬度太低；
2) 刀具的结构或几何角度不合理，使得切削刃过于脆弱或切削力过大；
3) 切削用量选择不合理，使切削力太大或切削温度太高；
4) 刀具由于骤热骤冷(如断续切削、冷却液等)产生太大的热应力以致出现裂纹；
5) 操作不当等使切削刃受到突然机械或热冲击，以致崩刃、热裂等。

& o1 _9 `7 K0 l8 q, E/ l

5 Z/ o) i% ?# d1 c/ T7 }5 m; ~

图2 刀具后刀面磨损

由于后刀面磨损(如图2所示)可以较准确地进行预报，刀具寿命较易控制，因此也是期望发生的失效形式。切削力增加或切削速度升高引起的切削温度增加均会使后刀面磨损加剧。刀具使用寿命通常用其后刀面磨损带的宽度VB来表示，如图3所示。

! e5 B$ P/ t3 z7 F, @% e! C+ ]

& ~5 {; u/ j1 E( e5 b1 |/ n1 }

图3 刀具后刀面磨损的典型曲线

机械磨损引起的剥落既发生在前刀面，也发生在后刀面。发生在前刀面上的剥落区域一般比发生在后刀面上的剥落区域小，如图4所示。

) g' w! A# @- r# T" B7 [) J' ]

图4 机械磨损引起的剥落

3 p1 E/ h0 f0 ^$ {

热扩散也会导致前、后刀面的剥落，如图5所示。

2 [- ?3 b5 M8 o' }& c- T

6 {6 {4 l6 k4 T& d

前刀面剥落     后刀面剥落

! ` l# {& n' v* t

图5 热扩散引起的剥落

刀具的非正常磨损即剥落破损或刀刃的断裂通常发生在断续切削过程中，加工系统刚性差时也会发生刀具破损。增加刀具材料的韧性(增加硬质合金刀具材料中黏结相钴的含量，或增加TiC及TaC等的含量)可有效避免刀具破损的发生。另外，增加刀具结构的强度，增大加工系统的刚性都会减少刀具发生破损的概率。

, L/ `; K# G$ F: f

$ @4 ?1 ]- B; k

图6 边界磨损边界磨损

- |5 W% n8 y+ Z0 y: Z' @; ~

(图6)一般发生在切削深度方向与工件表层相接触的切削位置，是局部的剥落及前刀面月牙洼磨损，在加工不锈钢、高温合金、淬硬材料、表层较硬或很软的钢时，容易发生边界磨损。为了减小这类刀具磨损，可采用CVD涂层刀具；增加硬质合金刀具材料中黏结相钴的含量(如富钴类硬质合金)，也可减小这类刀具磨损。

图7 刀具失效分析

- K9 u% C/ D& ]

总之，刀具失效的影响因素、失效形式及产生机理都是非常复杂的。生产上，可从观察刀具失效形式入手，分析其失效机理，找出影响因素，提出相应的减少刀具失效的措施(如图7)。