刀具失效分析
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Class Outline
教学内容
主要和次生失效模式 后刀面磨损（磨蚀） 后刀面磨损形态 确立作业条件 后刀面崩刃 前刀面崩刃 前刀面积屑瘤 后刀面积屑瘤
刀具失效分析
(ISO) 250
Copyright © 2011 Tooling U, LLC. All Rights Reserved.
教学内容
主要和次生失效模式 后刀面磨损（磨蚀） 后刀面磨损形态 确立作业条件 后刀面崩刃 前刀面崩刃 前刀面积屑瘤 后刀面积屑瘤 热裂纹
月牙洼磨损（扩散） 热变形
切深处破损 断裂 小结
Lesson: 1/15
教学内容
Lesson: 2/15
主要和次生失效模式
标准的金属切削作业是一种损耗过程，其会产生明显的切削力并产生大量的热。
磨损、机械力量，以及过多的热量会导致切削刃受到磨蚀并最终造成刀具失效。
刀具很少因为单独某种机理而失效。
通常情况下，是多种失效机理同时在金属切削过程中起作用。
在金属切削应用中重要的一点是延长刀具寿命，这就需要对刀具失效进行准确的分析。
经验丰富的刀具技师会随时间推移的变化观察刀具失效，以确定正在发生哪些类型的失效。
有效的失效分析可以让使用者识别和控制各种失效机理，以最大限度地延长刀具寿命。
但是，错误的诊断或错误的控制措施的应用可能会使情况恶化，并进一步损坏刀具。
本课程涵盖了 10 种常见的刀具失效机理及其原因。
你还将学习如何正确地识别失效机理，以及如何采取相应的纠正措施以延长刀具寿命。
图 1. 此设备可让技工检查刀片磨损，并确定失效机理的类型。
十大常见的刀具失效起因可分为两大类。
八种主要失效模式有其可辨识的原因和纠正措施，而另两种次生失效模式是由一种或多种主要失效模式所造成的。
根据失效类型的不同，刀具磨损发生在切削刃、后刀面和或前刀面。
图1 列出了这十大失效机理： 1.后刀面磨损是指在切削刃下方并与其紧挨着的刀具后刀面的磨蚀损耗。
2.后刀面崩刃是指细小颗粒从切削刃处剥落。
3.前刀面崩刃是指细小颗粒从切削刃附近的刀具前刀面处剥落。
4.前刀面积屑瘤是指刀具前刀面上工件材料的压接和积聚。
5.后刀面积屑瘤是指切削刃下方刀具后刀面上工件材料的压接和积聚。
6.热疲劳是指由于温度急剧变化而导致的，在切削刃直角方向产生的细小裂纹。
7.月牙洼磨损是指由于侵蚀和与积屑瘤发生化学反应而导致的前刀面凹陷的形成。
8.热变形是指由于极端的温度和压力而导致的刀具形状发生的永久性改变。
9.切深处破损是指一种次生失效模式，表现为在切削深度线处出现一个 V 形缺口。
10.
断裂是一种次生失效模式，表现为由于大块剥落而导致的刀具损毁性失效。
后刀面磨损是唯一正常可接受的失效机理。
其他类型的刀具失效会导致刀具寿命难以预料地缩短和减少。
我们的目标是采取相应的控制措施，使刀具的寿命只受后刀面磨损的限制。
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教学内容
Lesson: 2/15
主要和次生失效模式
标准的金属切削作业是一种损耗过程，其会产生明显的切削力并产生大量的热。
磨损、机械力量，以及过多的热量会导致切削刃受到磨蚀并最终造成刀具失效。
刀具很少因为单独某种机理而失效。
通常情况下，是多种失效机理同时在金属切削过程中起作用。
在金属切削应用中重要的一点是延长刀具寿命，这就需要对刀具失效进行准确的分析。
经验丰富的刀具技师会随时间推移的变化观察刀具失效，以确定正在发生哪些类型的失效。
有效的失效分析可以让使用者识别和控制各种失效机理，以最大限度地延长刀具寿命。
但是，错误的诊断或错误的控制措施的应用可能会使情况恶化，并进一步损坏刀具。
本课程涵盖了 10 种常见的刀具失效机理及其原因。
你还将学习如何正确地识别失效机理，以及如何采取相应的纠正措施以延长刀具寿命。
图 1. 此设备可让技工检查刀片磨损，并确定失效机理的类型。
十大常见的刀具失效起因可分为两大类。
八种主要失效模式有其可辨识的原因和纠正措施，而另两种次生失效模式是由一种或多种主要失效模式所造成的。
根据失效类型的不同，刀具磨损发生在切削刃、后刀面和或前刀面。
图1 列出了这十大失效机理： 1.后刀面磨损是指在切削刃下方并与其紧挨着的刀具后刀面的磨蚀损耗。
2.后刀面崩刃是指细小颗粒从切削刃处剥落。
3.前刀面崩刃是指细小颗粒从切削刃附近的刀具前刀面处剥落。
4.前刀面积屑瘤是指刀具前刀面上工件材料的压接和积聚。
5.后刀面积屑瘤是指切削刃下方刀具后刀面上工件材料的压接和积聚。
6.热疲劳是指由于温度急剧变化而导致的，在切削刃直角方向产生的细小裂纹。
7.月牙洼磨损是指由于侵蚀和与积屑瘤发生化学反应而导致的前刀面凹陷的形成。
8.热变形是指由于极端的温度和压力而导致的刀具形状发生的永久性改变。
9.切深处破损是指一种次生失效模式，表现为在切削深度线处出现一个 V 形缺口。
10.
断裂是一种次生失效模式，表现为由于大块剥落而导致的刀具损毁性失效。
后刀面磨损是唯一正常可接受的失效机理。
其他类型的刀具失效会导致刀具寿命难以预料地缩短和减少。
我们的目标是采取相应的控制措施，使刀具的寿命只受后刀面磨损的限制。
图 1. 10 种常见失效机理，分为八个主要失效模式和两种次生失效模式。
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主要和次生失效模式
Lesson: 3/15
后刀面磨损（磨蚀）
十大常见的刀具失效起因可分为两大类。
八种主要失效模式有其可辨识的原因和纠正措施，而另两种次生失效模式是由一种或多种主要失效模式所造成的。
根据失效类型的不同，刀具磨损发生在切削刃、后刀面和或前刀面。
图1 列出了这十大失效机理： 1.后刀面磨损是指在切削刃下方并与其紧挨着的刀具后刀面的磨蚀损耗。
2.后刀面崩刃是指细小颗粒从切削刃处剥落。
3.前刀面崩刃是指细小颗粒从切削刃附近的刀具前刀面处剥落。
4.前刀面积屑瘤是指刀具前刀面上工件材料的压接和积聚。
5.后刀面积屑瘤是指切削刃下方刀具后刀面上工件材料的压接和积聚。
6.热疲劳是指由于温度急剧变化而导致的，在切削刃直角方向产生的细小裂纹。
7.月牙洼磨损是指由于侵蚀和与积屑瘤发生化学反应而导致的前刀面凹陷的形成。
8.热变形是指由于极端的温度和压力而导致的刀具形状发生的永久性改变。
9.切深处破损是指一种次生失效模式，表现为在切削深度线处出现一个 V 形缺口。
10.
断裂是一种次生失效模式，表现为由于大块剥落而导致的刀具损毁性失效。
后刀面磨损是唯一正常可接受的失效机理。
其他类型的刀具失效会导致刀具寿命难以预料地缩短和减少。
我们的目标是采取相应的控制措施，使刀具的寿命只受后刀面磨损的限制。
图 1. 10 种常见失效机理，分为八个主要失效模式和两种次生失效模式。
图 2. 刀片的切削刃 (2)、后刀面 (3) 和前刀面 (1) 都会遇到各种失效形式。
我们更愿意遇到的刀具失效形式是后刀面磨损。
由于在切削作业期间，工件与切削刃后之间存在相互作用，所以会逐渐产生后刀面磨损。
这种相互作用渐渐地磨蚀掉刀具后刀面的缓冲区域。
后刀面缓冲区磨掉的地方被称磨损带。
后刀面磨损使刀具寿命相对最长并且是最能够得到预测的。
最终，磨损带会发展到刀具失效的状态。
工件材料、所需的工件公差以及表面光洁度、机床刚度和切削刃强度都决定了后刀面磨损到什么程度时是不再可接受的。
粗切削和精切削都有一个具体的允许的磨损带限度。
对于粗切削而言，切削刃强度和可用马力决定了磨损带发展到什么程度时就不再可接受。
在一些粗切削作业中，可以允许最多 10% 的切削刃厚度的磨损带。
与此相反，精切削因零件尺寸或表面光洁度而对磨损带进行限制。
刀具往往在达到较小的磨损带后就需要更换。
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后刀面磨损（磨蚀）
Lesson: 4/15
后刀面磨损形态
我们更愿意遇到的刀具失效形式是后刀面磨损。
由于在切削作业期间，工件与切削刃后之间存在相互作用，所以会逐渐产生后刀面磨损。
这种相互作用渐渐地磨蚀掉刀具后刀面的缓冲区域。
后刀面缓冲区磨掉的地方被称磨损带。
后刀面磨损使刀具寿命相对最长并且是最能够得到预测的。
最终，磨损带会发展到刀具失效的状态。
工件材料、所需的工件公差以及表面光洁度、机床刚度和切削刃强度都决定了后刀面磨损到什么程度时是不再可接受的。
粗切削和精切削都有一个具体的允许的磨损带限度。
对于粗切削而言，切削刃强度和可用马力决定了磨损带发展到什么程度时就不再可接受。
在一些粗切削作业中，可以允许最多 10% 的切削刃厚度的磨损带。
与此相反，精切削因零件尺寸或表面光洁度而对磨损带进行限制。
刀具往往在达到较小的磨损带后就需要更换。
图 1. 后刀面磨损 (1) 会导致一个扁平磨损带的发展形成。
图 2. 增大的磨损带 (1) 会减小后刀面缓冲区域 (2) 的大小。
后刀面磨损的优点是，它遵循一个可预测的磨损形态而发展。
正如你在图 1 中看到的，随着时间的推移后刀面磨损率曲线图呈现一条 S 形曲线。
这条 S 形曲线分为三个不同的区域，每个区域描述一个具体的后刀面磨损率。
刀具在切削中正常时属于 "A" 区，并且是一个快速磨损区。
切削之前的刃口预处理，会减少刀具在 A 区的时长。
但是刃口预处理过度会导致可用的刀具寿命的缩短。
"B" 区构成了切削中的主要时间段，并且产生一个直线上升的趋势。
将表面切削速度控制在工件材料的牌号范围内将会延长该区域。
"B" 区的均匀性和可预测性可以预知刀具寿命。
当后刀面磨损带宽度增至足以引发热量和压力的增加时，就会发生 "C" 区的情况，这反过来会引起导致断裂的机械失效或热失效。
可用的切削刃寿命横跨 "A" 区和 "B" 区。
在发展到 "C" 区之前，切削刃应当进行更换。
这种做法将降低断裂失效模式的发生率。
图 1. 三个区域的曲线图，反映出随切削时间推移 (2) 的后刀面磨损程度 (1)。
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后刀面磨损形态
Lesson: 5/15
确立作业条件
后刀面磨损的优点是，它遵循一个可预测的磨损形态而发展。
正如你在图 1 中看到的，随着时间的推移后刀面磨损率曲线图呈现一条 S 形曲线。
这条 S 形曲线分为三个不同的区域，每个区域描述一个具体的后刀面磨损率。
刀具在切削中正常时属于 "A" 区，并且是一个快速磨损区。
切削之前的刃口预处理，会减少刀具在 A 区的时长。
但是刃口预处理过度会导致可用的刀具寿命的缩短。
"B" 区构成了切削中的主要时间段，并且产生一个直线上升的趋势。
将表面切削速度控制在工件材料的牌号范围内将会延长该区域。
"B" 区的均匀性和可预测性可以预知刀具寿命。
当后刀面磨损带宽度增至足以引发热量和压力的增加时，就会发生 "C" 区的情况，这反过来会引起导致断裂的机械失效或热失效。
可用的切削刃寿命横跨 "A" 区和 "B" 区。
在发展到 "C" 区之前，切削刃应当进行更换。
这种做法将降低断裂失效模式的发生率。
图 1. 三个区域的曲线图，反映出随切削时间推移 (2) 的后刀面磨损程度 (1)。
图 2. 在 B 区，刀片上的磨损带 (1) 以可预测的速度形成。
图 3. 如果磨损率进入 C 区域，那么会有刀具突然断裂的风险。
为了延长刀具寿命，你可以通过调整作业条件，例如表面切削速度、进给速度和切削深度，来控制刀具在 B 区维持时间的长短。
在正常的后刀面磨损中，如果加重作业条件负担，其结果是增加热量和摩擦并缩短刀具寿命。
减轻作业条件负担会延迟刀具寿命。
但是，正如你在图 1 中看到的，每一种作业条件会在不同程度上影响刀具的寿命：
l
切削深度对刀具寿命的影响最小，应始终在作业限制中最大化。
l 进给速度按 1:1 的比率影响刀具寿命，由于进给的变化会导致刀具寿命的变化（增加进给10% 会降低刀具寿命10%）。
建议在作业限制范围内最大化进给速度。
l 表面切削速度对刀具寿命影响最大。
速度以 1:2 的比率影响刀具寿命，切削速度的变化会引起刀具寿命的变化（切削速度增加 10% 会降低刀具寿命20%）。
切削速度应在最大化调整进给速度和切削深度后，用于调
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确立作业条件
Lesson: 6/15
后刀面崩刃
Lesson: 7/15
前刀面崩刃
为了延长刀具寿命，你可以通过调整作业条件，例如表面切削速度、进给速度和切削深度，来控制刀具在 B 区维持时间的长短。
在正常的后刀面磨损中，如果加重作业条件负担，其结果是增加热量和摩擦并缩短刀具寿命。
减轻作业条件负担会延迟刀具寿命。
但是，正如你在图 1 中看到的，每一种作业条件会在不同程度上影响刀具的寿命：
l 切削深度对刀具寿命的影响最小，应始终在作业限制中最大化。
l
进给速度按 1:1 的比率影响刀具寿命，由于进给的变化会导致刀具寿命的变化（增加进给10% 会降低刀具寿命10%）。
建议在作业限制范围内最大化进给速度。
l
表面切削速度对刀具寿命影响最大。
速度以 1:2 的比率影响刀具寿命，切削速度的变化会引起刀具寿命的变化（切削速度增加 10% 会降低刀具寿命20%）。
切削速度应在最大化调整进给速度和切削深度后，用于调整刀具寿命。
刀具材料的每种牌号都有一个针对每种特定工件材料的切削速度的限制范围。
比推荐范围更高的切削速度将引发后刀面磨损以外的其他失效机理。
在确立作业条件时，你应该遵循三个基本步骤：
1.选择尽可能最深的切削深度。
2.选择尽可能最高的进给速度。
3.选择表面切削速度的标准是需要综合考虑生产效率，生产成本与刀具寿命之间的关系。
图 1. 每种作业条件
对刀具磨损具有特定的影响，并且有各种选择的参考依据。
图 1. 每种作业条件对刀具磨损具有特定的影响，并且
有各种选择的参考依据。
后刀面崩刃是指，在切削刃小颗粒剥落而非被后刀面磨损磨蚀时，发生的一种机械失效。
在后刀面剥落中，切削刃前刀面上的机械力超出了切削刃的横向断裂强度。
这些力渗透到垂直于前刀面的切削刃，并且产生相对于后刀面更大的切屑。
你可以通过观察前刀面和后刀面的切屑大小，来分辨前后刀面剥落。
图 1 是刀具后刀面剥落大小的情况。
后刀面剥落发生在有冲击负载变化的作业中，例如断续切削。
这种切屑在开始时可能是细微剥落，但由于切削刃效率的损失，这一进程会变快。
这会导致刀具寿命的大幅缩短。
后刀面剥落往往是工件状况不稳定的结果，例如刀柄或镗杆过长或者工件支撑不足的结果。
铸件或锻件的加工也能导致切削深度线处崩刃，这会引发切削深度线缺口的次生失效模式。
你可以采取一定的控制措施，以消除后刀面剥落并回到后刀面磨损上来。
控制后刀面崩刃的措施： l 将刀柄和镗刀伸出长度降低至其最小值。
l 选择具有较大的负面前角的刀具。
l 使用刃口倒圆或者是倒棱的刀具。
l 为刀具选择更坚韧的切削刃材料。
l
降低进给速度。
图 1. 产生的崩刃在后刀面面积大于其在前刀面的面积。
崩刃还可以出现于刀具的前刀面。
当工件和切削刃之间的空隙不足时，会发生前刀面崩刃。
当对加工硬化材料进行切削或精加工时尤为如此。
前刀面剥落最明显的特征是后刀面发生细小剥落而前刀面上发生较大的分层剥落。
图1 和图 2 是其在各个位置出现的情况。
各种工件材料都需要在切削刃下方留有特定的间隙量。
钛和镍基合金等某些材料在切削后会产生材料回弹。
这种回弹可能会超出刀具的后角并在刀具的后刀面和工件之间产生摩擦。
这种摩擦会造成磨光效果，可能会导致工件的加工硬化。
间隙不足会增大刀具和工件之间的接触，这使得热量会传导至刀具切削刃下方的后刀面上。
后刀面接触所产生的径向力和多余热量的共同作用下，会导致热膨胀，因而直接导致前刀面膨胀高于接触点，产生前刀面崩刃。
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后刀面崩刃
Lesson: 7/15
前刀面崩刃
后刀面崩刃是指，在切削刃小颗粒剥落而非被后刀面磨损磨蚀时，发生的一种机械失效。
在后刀面剥落中，切削刃前刀面上的机械力超出了切削刃的横向断裂强度。
这些力渗透到垂直于前刀面的切削刃，并且产生相对于后刀面更大的切屑。
你可以通过观察前刀面和后刀面的切屑大小，来分辨前后刀面剥落。
图 1 是刀具后刀面剥落大小的情况。
后刀面剥落发生在有冲击负载变化的作业中，例如断续切削。
这种切屑在开始时可能是细微剥落，但由于切削刃效率的损失，这一进程会变快。
这会导致刀具寿命的大幅缩短。
后刀面剥落往往是工件状况不稳定的结果，例如刀柄或镗杆过长或者工件支撑不足的结果。
铸件或锻件的加工也能导致切削深度线处崩刃，这会引发切削深度线缺口的次生失效模式。
你可以采取一定的控制措施，以消除后刀面剥落并回到后刀面磨损上来。
控制后刀面崩刃的措施： l 将刀柄和镗刀伸出长度降低至其最小值。
l 选择具有较大的负面前角的刀具。
l 使用刃口倒圆或者是倒棱的刀具。
l 为刀具选择更坚韧的切削刃材料。
l
降低进给速度。
图 1. 产生的崩刃在后刀面面积大于其在前刀面的面积。
崩刃还可以出现于刀具的前刀面。
当工件和切削刃之间的空隙不足时，会发生前刀面崩刃。
当对加工硬化材料进行切削或精加工时尤为如此。
前刀面剥落最明显的特征是后刀面发生细小剥落而前刀面上发生较大的分层剥落。
图1 和图 2 是其在各个位置出现的情况。
各种工件材料都需要在切削刃下方留有特定的间隙量。
钛和镍基合金等某些材料在切削后会产生材料回弹。
这种回弹可能会超出刀具的后角并在刀具的后刀面和工件之间产生摩擦。
这种摩擦会造成磨光效果，可能会导致工件的加工硬化。
间隙不足会增大刀具和工件之间的接触，这使得热量会传导至刀具切削刃下方的后刀面上。
后刀面接触所产生的径向力和多余热量的共同作用下，会导致热膨胀，因而直接导致前刀面膨胀高于接触点，产生前刀面崩刃。
前刀面剥落也可能因超出切屑负载的刃口预处理所导致。
切屑负载应始终等于或大于刃口预处理。
例如，带 0.08 mm 倒圆的切削刃刃口倒圆 0.05 mm/Rev 的进给速度，会使进给显得不足。
进给速度不足会减小间隙并产生磨光或摩擦影响。
这会产生下面的负面影响：热量增加，前刀面热膨胀，前刀面崩刃。
前刀面崩刃的控制措施：
l 增加刀具和工件之间的间隙。
l 减小刃口倒圆尺寸。
l
提高进给速度。
图 1. 前刀面崩刃在刀具前刀面上产生最大尺寸的崩刃 (1)。
图 2. 前刀面崩刃也会导致刀具后刀面细小的崩刃。
图 3.
相对于刃口倒圆尺寸，切屑负载不足会在整个切
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前刀面崩刃
Lesson: 8/15
前刀面积屑瘤
崩刃还可以出现于刀具的前刀面。
当工件和切削刃之间的空隙不足时，会发生前刀面崩刃。
当对加工硬化材料进行切削或精加工时尤为如此。
前刀面剥落最明显的特征是后刀面发生细小剥落而前刀面上发生较大的分层剥落。
图1 和图 2 是其在各个位置出现的情况。
各种工件材料都需要在切削刃下方留有特定的间隙量。
钛和镍基合金等某些材料在切削后会产生材料回弹。
这种回弹可能会超出刀具的后角并在刀具的后刀面和工件之间产生摩擦。
这种摩擦会造成磨光效果，可能会导致工件的加工硬化。
间隙不足会增大刀具和工件之间的接触，这使得热量会传导至刀具切削刃下方的后刀面上。
后刀面接触所产生的径向力和多余热量的共同作用下，会导致热膨胀，因而直接导致前刀面膨胀高于接触点，产生前刀面崩刃。
前刀面剥落也可能因超出切屑负载的刃口预处理所导致。
切屑负载应始终等于或大于刃口预处理。
例如，带 0.08 mm 倒圆的切削刃刃口倒圆 0.05 mm/Rev 的进给速度，会使进给显得不足。
进给速度不足会减小间隙并产生磨光或摩擦影响。
这会产生下面的负面影响：热量增加，前刀面热膨胀，前刀面崩刃。
前刀面崩刃的控制措施：
l 增加刀具和工件之间的间隙。
l 减小刃口倒圆尺寸。
l
提高进给速度。
图 1. 前刀面崩刃在刀具前刀面上产生最大尺寸的崩刃 (1)。
图 2. 前刀面崩刃也会导致刀具后刀面细小的崩刃。
图 3. 相对于刃口倒圆尺寸，切屑负载不足会在整个切削刃产生径向力 (1)，这会在刀刃积聚热量并导致切削刃热膨胀。
某些工件材料可能会在切屑和切削刃之间产生前刀面积屑瘤。
正如你在图 1 中看到的，当工件材料的连续层压接
到切削刃上时会发生积屑瘤。
积屑瘤是一个动态的结构。
换句话说，切削过程中积屑瘤的切面不断剥落并重新附着。
积屑瘤是由刀具材料、工件材料、切削力和温度共同作用的结果。
某些工件材料，例如非常有韧性的钢材，比其他材料更容易被压接。
前刀面积屑瘤也往往在低加工温度和切削速度相对缓慢的情况下有所发生。
发生前刀面积屑瘤的实际速度取决于被加工的材料。
如果你是对加工硬化材料进行加工，例如奥氏体不锈钢，那么前刀面积屑瘤可导致在切深处迅速积聚，从而造成切深处破损这种次生失效模式。
消除前刀面积屑瘤的关键在于达到更高的切削温度或增加润滑性。
前刀面积屑瘤的控制措施：
l 增加表面切削速度。
l 确保冷却液的正确应用。
l
选择带有物理气相沉积 (PVD) 涂层的刀具。
图 1. 前刀面积屑瘤由工件材料的连续层构成。
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