干貨丨最全面的的刀具失效分析，機械人值得收藏！

　　刀具破損刀具破損的表現

　　1） 切削刃微崩

　　當工件材料組織、硬度、余量不均勻，前角偏大導致切削刃強度偏低，工藝系統剛性不足產(chǎn)生振動(dòng)，或進(jìn)行斷續切削，刃磨質(zhì)量欠佳時(shí)，切削刃容易發(fā)生微崩，即刃區出現微小的崩落、缺口或剝落。出現這種情況后，刀具將失去一部分切削能力，但還能繼續工作。繼續切削中，刃區損壞部分可能迅速擴大，導致更大的破損。

　　2） 切削刃或刀尖崩碎

　　這種破損方式常在比造成切削刃微崩更為惡劣的切削條件下產(chǎn)生，或者是微崩的進(jìn)一步的發(fā)展。崩碎的尺寸和范圍都比微崩大，使刀具完全喪失切削能力，而不得不終止工作。刀尖崩碎的情況常稱(chēng)為掉尖。

　　3） 刀片或刀具折斷

　　當切削條件極為惡劣，切削用量過(guò)大，有沖擊載荷，刀片或刀具材料中有微裂，由于焊接、刃磨在刀片中存在殘余應力時(shí)，加上操作不慎等因素，可能造成刀片或刀具產(chǎn)生折斷。發(fā)生這種破損形式后，刀具不能繼續使用，以致報廢。

　　4） 刀片表層剝落

　　對于脆性很大的材料，如TiC含量很高的硬質(zhì)合金、陶瓷、PCBN等，由于表層組織中有缺陷或潛在裂紋，或由于焊接、刃磨而使表層存在著(zhù)殘余應力，在切削過(guò)程中不夠穩定或刀具表面承受交變接觸應力時(shí)極易產(chǎn)生表層剝落。剝落可能發(fā)生在前刀面，刀可能發(fā)生在后刀面，剝落物呈片狀，剝落面積較大。涂層刀具剝落可能性較大。刀片輕微剝落后，尚能繼續工作，嚴重剝落后將喪失切削能力。

　　5） 切削部位塑性變型

　　具鋼和高速鋼由于強度小硬度低，在其切削部位可能發(fā)生塑性變型。硬質(zhì)合金在高溫和三向壓應力狀態(tài)直工作時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生表層塑性流動(dòng)，甚至使切削刃或刀尖發(fā)生塑性變形面造成塌陷。塌陷一般發(fā)生在切削用量較大和加工硬材料的情況下。TiC基硬質(zhì)合金的彈性模量小于WC基硬質(zhì)合金，故前者抗塑性變形能力加快，或迅速失效。PCD、PCBN基本不會(huì )發(fā)生塑性變形現象。

　　6） 刀片的熱裂

　　當刀具承受交變的機械載荷和熱負荷時(shí)，切削部分表面因反復熱脹冷縮，不可避免的產(chǎn)生交變的熱應力，從而使刀片發(fā)生疲勞而開(kāi)裂。例如，硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)行高速銑削時(shí)，刀齒不斷受到周期性地沖擊和交變熱應力，而在前刀面產(chǎn)生梳狀裂紋。有些刀具雖然并沒(méi)有明顯的交變載荷與交變應力，但因表層、里層溫度不一致，也將產(chǎn)生熱應力，加上刀具材料內部不可避免地存在缺陷，，故刀片也可能產(chǎn)生裂紋。裂紋形成后刀具有時(shí)還能繼續工作一段時(shí)間，有時(shí)裂紋迅速擴展導致刀片折斷或刀面嚴重剝落。

　　02刀具磨損

　　1. 按磨損原因可分為1）磨料磨損

　　被加工材料中常有一些硬度極高的微小顆粒，能在刀具表面劃出溝紋，這就是磨料磨砂損。磨料磨損在各個(gè)面都存在，前刀面最明顯。而且各種切削速度下都能發(fā)生麻料磨損，但對于低速切削時(shí)，由于切削溫度較低，其它原因產(chǎn)生的磨損都不明顯，因而磨料磨損是其主要原因。另處刀具硬度越低磨料麻損越嚴重。

　　2）冷焊磨損

　　切削時(shí)，工件、切削與前后刀面之間，存在很大的壓力和強烈的摩擦，因而會(huì )發(fā)生冷焊。由于摩擦副之間有相對運動(dòng)，冷焊將產(chǎn)生破裂被一方帶走，從而造成冷焊磨損。冷焊磨損一般在中等切削速度下比較嚴重。根據實(shí)驗表明，脆性金屬比塑性金屬的抗冷焊能力強；多相金屬比單向金屬??；金屬化合物比單質(zhì)冷焊傾向??；化學(xué)元素周期表中B族元素與鐵的冷焊傾向小。高速鋼與硬質(zhì)合金低速切削時(shí)冷焊比較嚴重。

　　3）擴散磨損

　　在高溫下切削、工件與刀具接觸過(guò)程中，雙方的化學(xué)元素在固態(tài)下相互擴散，改變刀具的成分結構，使刀具表層變得脆弱，加劇了刀具的磨損。擴散現象總是保持著(zhù)深度梯度高的物體向深度梯度低物體持續擴散。例如硬質(zhì)合金在800℃時(shí)其中的鈷便迅速地擴散到切屑、工件中去，WC分解為鎢和碳擴散到鋼中去；PCD刀具在切削鋼、鐵材料時(shí)當切削溫度高于800℃時(shí)，PCD中的碳原子將以很大的擴散強度轉移到工件表面形成新的合金，刀具表面石墨化。鈷、鎢擴散比較嚴重，鈦、鉭、鈮的抗擴散能力較強。故YT類(lèi)硬質(zhì)合金耐磨性較好。陶瓷和PCBN切削時(shí)，當溫度高達1000℃-1300℃時(shí)，擴散磨損尚不顯著(zhù)。 工件、切屑與刀具由于材料的同，切削時(shí)在接觸區將產(chǎn)生熱電勢，這種熱電勢有促進(jìn)擴散的作用而加速刀具的磨損。這種在熱電勢的作用下的擴散磨損，稱(chēng)為“熱電磨損”。

　　4）氧化磨損

　　當溫度升高時(shí)刀具表面氧化產(chǎn)生較軟的氧化物被切屑摩擦而形成的磨損稱(chēng)為氧化磨損。如：在700℃~800℃時(shí)空氣中的氧與硬質(zhì)合金中的鈷及碳化物、碳化鈦等發(fā)生氧化反應，形成較軟的氧化物;在1000℃時(shí)PCBN與水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應。

　　2. 按磨損形式可分為

　　1）前刀面損

　　在以較大的速度切削塑性材料時(shí)，前刀面上靠近切削力的部位，在切屑的作用下，會(huì )磨損成月牙凹狀，因此也稱(chēng)為月牙洼磨損。在磨損初期，刀具前角加大，使切削條件有所改善，并有利于切屑的卷曲折斷，但當月牙洼進(jìn)一步加大時(shí)，切削刃強度大大削弱，最終可能會(huì )造成切削刃的崩碎毀損的情況。在切削脆性材料，或以較低的切削速度及較薄的切削厚度切削塑性材料時(shí)，一般不會(huì )產(chǎn)生月牙洼磨損。

　　2）刀尖磨損

　　刀尖磨損為刀尖圓弧的后刀面及鄰近的副后刀面上的磨損，它是刀具上后刀面的磨損的延續。由于此處的散熱條件差，應力集中，故磨損速度要比后刀面快，有時(shí)在副后刀面上還會(huì )形成一系列間距等于進(jìn)給量的小溝，稱(chēng)為溝紋磨損。它們主要由于已加工表面的硬化層及切削紋路造成的。在切削加工硬化傾向大的難切削材料時(shí)，最易引起溝紋磨損。刀尖磨損對工件表面粗糙度及加工精度影響最大。

　　3）后刀面磨損

　　在很大切削厚度切削塑性材料時(shí)，由于積屑瘤的存在，刀具的后刀面可能不與工件接觸。除此之外，通常后刀面都會(huì )與工件發(fā)生接觸，而在后刀面上形成一道后角為0的磨損帶。一般在切削刃工作長(cháng)度的中部，后刀面磨損比較均勻，因此后刀面的磨損程度可用該段切削刃的后刀面磨損帶寬度VB來(lái)衡量。 由于各種類(lèi)型的刀具在不同的切削情況下幾乎都會(huì )了發(fā)生后刀面磨損，特別是切削脆性材料或以較小的切削厚度切削塑性材料時(shí)刀具的磨損主要是后刀面磨損，而且磨損帶的寬度VB的測量比較簡(jiǎn)便，因此通常都用VB來(lái)表示刀具的磨損程度。VB愈大，不但會(huì )使切削力增大，引起切削振動(dòng)，而且會(huì )影響刀尖圓弧處的磨損，從而影響加工精度及加工表面質(zhì)量。

　　3. 刀具防止破損的方法

　　1）針對被加工材料和零件的特點(diǎn)，合理選擇刀具材料的各類(lèi)和牌號。在具備一定硬度和耐磨性的前提下，必須保證刀具材料具有必要的韌性；

　　2）合理選擇刀具幾何參數。通過(guò)調整前后角，主副偏角，刃傾角等角度；

　　保證切削刃和刀尖有較好的強度。在切削刃上磨出負倒棱，是防止崩刀的有效措施；

　　3）保證焊接和刃磨的質(zhì)量，避免因焊接、刃磨不善而帶來(lái)的各種疵病。關(guān)鍵工序所用的刀具，其刀而應經(jīng)過(guò)研磨以提高表面質(zhì)量，并檢查有無(wú)裂紋；

　　4）合理選擇切削用量，避免過(guò)大的切削力和過(guò)高的切削溫度，以防止刀具破損；

　　5）盡可能保證工藝系統具有較好的剛性，減小振動(dòng)；

　　6）采取正確的操作方法，盡量使刀具不承受或少承受突變性的負荷。

　　03刀具崩刃的原因及對策

　　1）刀片牌號、規格選擇不當，如刀片的厚度太薄或粗加工時(shí)選用了太硬太脆的牌號。

　　對策：增大刀片厚度或將刀片立裝，選用抗彎強度及韌性較高的牌號。

　　2） 刀具幾何參數選擇不當（如前后角過(guò)大等）。

　　對策：可從以下幾方面著(zhù)手重新設計刀具。① 適當減小前、后角。② 采用較大的負刃傾角。③ 減小主偏角。④ 采用較大的負倒棱或刃口圓弧。⑤ 修磨過(guò)渡切削刃，增強刀尖。

　　3）刀片的焊接工藝不正確，造成焊接應力過(guò)大或焊接裂縫。

　　對策：①避免采用三面封閉的刀片槽結構。②正確選用焊料。③避免采用氧炔焰加熱焊接，并且在焊接后應保溫，以消除內應力。④盡可能改用機械夾固的結構

　　4）刃磨方法不當，造成磨削應力及磨削裂紋；對PCBN銑刀刃磨后刀齒的振擺過(guò)大，使個(gè)別刀齒負荷過(guò)重，也會(huì )造成打刀。

　　對策：①采用間斷磨削或金剛石砂輪磨削。②選用較軟的砂輪，并經(jīng)常修整保持砂輪鋒利。③注意刃磨質(zhì)量，嚴格控制銑刀刀齒的振擺量。

　　5） 切削用量選擇不合理，如用量過(guò)大，便機床悶車(chē)；斷續切削時(shí)，切削速度過(guò)高，進(jìn)給量過(guò)大，毛坯余量不均勻時(shí)，切削深度過(guò)??；切削高錳鋼等加工硬化傾向大的材料時(shí)，進(jìn)給量過(guò)小等。

　　對策：重新選擇切削用量。

　　6） 機械夾固式刀具的刀槽底面不平整或刀片伸出過(guò)長(cháng)等結構上的原因。

　　對策：①修整刀槽底面。②合理布置切削液噴嘴的位置。③淬硬刀桿在刀片下面增加硬質(zhì)合金墊片。

　　7） 刀具磨損過(guò)度。

　　對策：及時(shí)換刀或更換切削刃。

　　8） 切削液流量不足或加注方法不正確，造成刀片驟熱而裂損。

　　對策：① 加大切削液的流量。② 合理布置切削液噴嘴的位置。③ 采用有效的冷卻方法如噴霧冷卻等提高冷卻效果。④ 采用*切削減小對刀片的沖擊。

　　9） 刀具安裝不正確，如：切斷車(chē)刀安裝過(guò)高或過(guò)低；端面銑刀采用了不對稱(chēng)順銑等。

　　對策：重新安裝刀具。

　　10） 工藝系統剛性太差，造成切削振動(dòng)過(guò)大。

　　對策：① 增加工件的輔助支承，提高工件裝夾剛性。② 減小刀具的懸伸長(cháng)度。③ 適當減小刀具的后角。④ 采用其它的消振措施。

　　11） 操作不慎，如：刀具由工件中間切入時(shí)，動(dòng)作過(guò)猛；尚未退刀，即行停車(chē)。

　　對策：注意操作方法。

　　04積屑瘤

　　1） 形成原因

　　在靠近切削刃的一部分，刀-屑接觸區內，由于下壓力很大，使切屑底層金屬嵌入前刀面上的微觀(guān)不平的峰谷內，形成無(wú)間隙的真正的金屬間接觸而產(chǎn)生粘結現象，這部分刀-屑接觸區被稱(chēng)為粘結區。在粘結區內，切屑底層將有一薄層金屬材料層積滯留在前刀面上，這部分切屑的金屬材料經(jīng)過(guò)了劇烈的變形，在適當的切削溫度下發(fā)生強化。隨著(zhù)切屑的連續流出，在后繼切削的流動(dòng)所作推擠下，這層滯積材料便與切屑上層發(fā)生相對滑移而離開(kāi)來(lái)，成為積屑瘤的基礎。隨后，在它的上面又會(huì )形成第二層滯積切削材料，這樣不斷地層積，就形成了積屑瘤。

　　2） 特點(diǎn)及對切削加工的影響

　?、?硬度比工件材料高1.5~2.0倍，可代替前刀面進(jìn)行切削，有保護切削刃、減小前刀面磨損的作用，但積屑瘤脫落時(shí)的碎片流經(jīng)刀具-工件接觸區會(huì )造成刀具后刀面磨損。

　?、?在積屑瘤形成后刀具的工作前角明顯增大，對減小切屑變形及降低切削力起了積極作用。

　?、?由于積屑瘤突出于切削刃之外，使實(shí)際切削深度增大，影響工件的尺寸精度。

　?、?積屑瘤會(huì )在工件表面造成“犁溝”現象，影響工件表面粗糙度。⑤積屑瘤的碎片會(huì )粘結或嵌入工件表面造成硬質(zhì)點(diǎn)，影響工件已加工表面的質(zhì)量。

　　由上述分析可知，積屑瘤對切削加工，特別對精加工是不利的。

　　3） 控制措施

　　不使切屑底層材料與前刀面發(fā)生粘結或變形強化，即可避免積屑瘤的產(chǎn)生為此日的可采取如下措施。

　?、?減小前刀面的粗糙度。

　?、?增大刀具的前角。

　?、?減小切削厚度。

　?、?采用低速切削或高速切削，避開(kāi)容易形成積屑瘤的切削速度。

　?、?對工件材料進(jìn)行適當的熱處理提高其硬度，減小塑性。

　?、?采用抗粘結發(fā)性能好的切削液（如含硫、氯的極壓切削液）。

　　End