刀具磨损形式技术报告

刀具磨损形式技术报告

作者：庄益指导老师：潘晓彬

宁波大学科学技术学院

摘要：刀具在切削过程中将逐渐产生磨损，形成的各种磨损形式及其保护方法。

关键词：刀具磨损分类

Abstract:：Tool in cutting process will gradually wear, the formation of various wear forms and protection method. Key word: Tool wear classification

刀具在切削过程中将逐渐产生磨损，当刀具磨损达到一定程度时，可以明显地发现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，甚至产生振动。同时，工件尺寸也可能超出公差范围，已加工表面质量也明显恶化。刀具的磨损和耐用度关系到切削加工的效率、质量和成本，因此它是切削加工中极为重要的问题之一。

在切削过程中，前刀面、后刀面经常与切屑、工件接触，在接触区里发生着强烈的摩擦，同时，在接触区里又有很高的温度和压力。因此，前刀面和后刀面随着切削的进行都会逐渐产生磨损。切削过程中的刀具磨损具有下列特点：刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面;接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度;接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达800～1000℃，对于高速刀具可达300～600℃。在上述条件下工作，刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种形式的综合作用结果，可以产生以下几种磨损形式。

一、磨料磨损

切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但它们当中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点，可在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。硬质点有碳化物(如Fe3C、TiC、VC)、氮化物(如TiN、Si3N4)、氧化物(如SiO2、Al2O3)和金属间化合物等。切削中的Ti(N、C)颗粒在刀具上起了耕犁作用。除了前刀面会有磨料磨损的现象，在后刀面上，同样可以发现有由于磨料磨损而产生的的沟纹。磨料磨损在各种切削速度下都存在，但对低速切削的刀具(如拉刀、扳牙等)，磨料是磨损的主要原因。这是由于低速切削时，切削温度比较低，其他原因产生的磨损并不显著，因而不是主要的。高速钢刀具的硬度和耐磨度低于硬质合金、陶瓷等，故其磨料磨损所占的比重较大。

二、冷焊磨损

切削时，切屑、工件与前、后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，因而它们之间会发生冷焊。由于摩擦面之间有相对的运动，冷焊结将产生破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。

一般来说，工件材料或切屑的硬度较刀具材料的硬度低，冷焊结的破裂往往发生在工件或切屑这方。但由于交变能力、接触疲劳、热应力以及刀具表层结构缺陷等原因，冷焊结的破裂也可能发生在刀具这一方，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而造成刀具磨损。

冷焊磨损一般在中等偏低的切削速度下比较严重。研究表明：脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强;相同的金属或晶格类型、晶格间距、电子密度、电化学性质相近的金属冷焊倾向小;金属化合物比单相固熔体冷焊倾向小;化学元素周期表中B族元素比铁的冷焊倾向小。

在高速钢刀具的正常工作速度和硬质合金刀具偏低的工作速度下，正能满足产生冷焊的条件，故此时冷焊磨损所占的比重较大。提高切削速度后，硬质合金刀具冷焊磨损减轻。

三、扩散磨损

扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了原来材料的成分与结构，使刀具材料变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。例如硬质合金切钢时，从800℃开始，硬质合金中的化学元素迅速地扩散到切屑、工件中去，WC分解为W和C后扩散到钢中。因切屑、工件都在高速运动，刀具表面和它们的表面在接触区保持着扩散元素的浓度梯度，从而使扩散现象持续进行。于是，硬质合金表

面发生贫碳、贫钨现象。粘结相CO减少，又使硬质合金中硬质相(WC，TiC)的粘结强度降低。切屑、工件中的Fe则向硬质合金中扩散，扩散到硬质合金中的Fe，将形成新的硬度、高脆性的复合碳化物。所有这些，都使刀具磨损加剧。除刀具、工件材料自身的性质以外，温度是影响扩散磨损的最主要因素。扩散磨损往往与冷焊磨损、磨料磨损同时产生，此时磨损率很高。高速钢刀具的工作温度较低，与切屑、工件之间的扩散作用进行得比较缓慢，故其扩散磨损所占的比重远小于硬质合金刀具。

四、氧化磨损

当刀削温度达700～800℃时，空气中的氧便与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物(如Co3O4、CoO、WO3、TiO2等)被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。氧化磨损与氧化膜的粘附强度有关，粘附强度越低，则磨损越快;反之则可减轻这种磨损。一般，空气不易进入刀屑接触区，氧化磨损最容易在主副刀削刃的工作边界处形成。

五、热电磨损

工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。这种在热电势的作用下产生的扩散磨损，称为“热电磨损”。试验证明，若在工件、刀具接触处通以与热电势相反的电动势，可减少热电磨损。

总之，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损原因和磨损强度是不同的。对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。切削温度的高低取决于热的产生和传出情况，它受切削用量、工件材料、刀具材料及几何开头等影响。因此，通过合理选择切削用量、刀具材料及角度，可以减少切削热的产生和增加热的传出。有效地降低切削区温度是减少刀具磨损的重要途径。

由于刀具磨损到一定程度，将降低工件的尺寸精度和加工表面质量，同时也将增加加工成本和刀具的消耗，因此，减少刀具磨损具有十分重要的现实意义。

参考文献：

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致谢：潘晓彬老师，海星公司领导，陈剑师傅，陈日师傅