刀具的失效模式

刀具的失效模式及应对措施

刀具的失效方式各不相同。相同的切削刃应用于两种不同的工艺过程时，可能会出现两种完全不同的失效类型。虽然刀具供应商对各种刀具失效模式进行了大量研究，但有关刀具失效模式的知识应该真正与实际生产联系起来。对于刀具的使用者来说，最感兴趣的是想知道刀具将在什么时候失效，以及正确判断刀具是如何失效的。Ingersoll Cutting Tools公司的刀具专家认为，了解某种加工工艺中某一特定刀具的失效模式是非常有用的。其中一个好处是通过诊断刀具的某些磨损类型，可以揭示出某些加工问题，指导如何对刀具或工艺进行改进，以延长刀具寿命，提高切削性能。另外一个好处与一致性有关。刀具的失效有其不同的基本作用机理，包括磨损、热冲击、机械冲击和化学作用。这些作用机理导致了不同的刀具失效模式。但是，有一种作用机理及其相关的刀具失效模式优于其它所有的模式，这种失效模式就是磨粒磨损。这种磨损类型表明加工过程稳定而可靠。磨粒磨损的渐次性和可预测性常常能够对提高加工效率起到杠杆作用。

确定刀具的失效模式并不十分困难——只需取下刀具（特别是在刀具目前预测寿命的约30％和70％时取下刀具），检测该加工阶段的切削刃状况，并与本文给出的刀具磨损照片以及对失效模式的描述进行对比。

（1）刀具的磨粒磨损

磨粒磨损是一种理想的失效模式。磨粒磨损是因为工件材料磨擦划过刀具的主后刀面而造成的，在给定的加工中，对于某一特定刀具制造商提供的一定数量的刀片，其磨粒磨损趋向于具有重复性，因此也就具有可预测性。

磨粒磨损成为首选失效模式的另一个原因是其可以显示磨损的发展进程。通常，切削中出现的某些现象可以表明磨粒磨损正在加大。这些现象有的能观察到（如工件上出现毛刺、被加工表面光洁度发生变化等），有的能听到（如切削噪声逐渐变化等）。通过这些加工现象，可以很容易地确定何时需要更换刀片。

由于磨粒磨损是一种理想的磨损形式，因此当加工中刀具出现磨粒磨损时，通常无需改变加工工艺。当然，某些刀具牌号和涂层确实能够提供更高的耐磨性（尤其在高速切削时），如果刀具出现磨粒磨损，改用这些刀具牌号或涂层则可以延长刀具寿命。

（2）刀具的月牙洼磨损

一般来说，月牙洼的产生可能同工件材料与刀片前刀面相互作用引起的任何磨损形式有关。最常见的月牙洼磨损是由钢制工件与硬质合金刀具之间的化学作用（即刀具前刀面渗出的碳溶入切屑中）引起的。不过，月牙洼磨损也有可能是由高速切削铸铁时切屑划过刀具前刀面的磨蚀作用所引起。

月牙洼磨损的危险性在于切削刃通常仍然完好无损，刀具也能保持相对正常的切削状态，直至刀具出人意料地突然失效。为保护刀具前刀面避免月牙洼磨损，可采取的应对措施包括：①减小切削速度以降低切削刃温度；②减小进给率以减小刀片承受的应力；③选用涂层刀具牌号以加强对前刀面的保护；④改进刀具几何形状以减小直接作用于前刀面上的切削力。

（3）刀具的沟槽磨损

刀具产生沟槽磨损的原因通常是在全切深情况下被加工工件表面某处的切削条件与其余部分相比发生恶化造成的。导致工件表面切削条件出现差异的原因可能与工件表面剥落有关；也可能由冷作应力或加工硬化所引起；还有可能与某些似乎无关紧要的因素——例如油漆——有关，工件表面的油漆有可能对切入工件不太深的切削刃起到一种淬火作用。

对于刀具的沟槽磨损，采取何种应对措施与沟槽磨损是否由崩刃或磨粒磨损引起有关。根据磨损的类型，可以更换一种具有更高抗机械冲击性或更高耐磨性的刀片牌号。另一种可供选择的解决方案是增大刀具的余偏角，以增大剪切作用和减薄切屑；或者增大切削刃的钝化尺寸，以增加切削刃的强度。还有一种解决办法不需要改变刀具，而是在各次走刀时采用不同的切深，从而使磨损作用于切削刃的不同部分。

（4）刀具的热裂纹

大多数机床用户都将热裂纹与冷却液联系起来。当倾注到切削刃上的冷却液不均匀时，切削刃的温度就会发生波动，引起刀片膨胀和收缩，从而导致切削刃出现裂纹。但是，在不使用冷却液时同样可能产生热裂纹。例如，在干式铣削中，切削刃在切入和切出工件材料时也可能引起足以产生疲劳裂纹的温度波动。对于这种非冷却液引起的热裂纹，刀片上的裂纹是直而平行的；与此相反，由冷却液引起的热裂纹，由于温度的波动随机性较大，所产生的非平行裂纹更容易导致崩刃。对于热裂纹可采取的应对措施包括：①减小切削速度以降低切削刃温度；②停止使用冷却液，以减小温度高低波动幅度；③选用抗热冲击性能较好的刀片牌号；④选用涂层刀片牌号，特别是PVD涂层能够有效阻止裂纹的生成，因为用于抗裂纹的涂层可对刀片表面施加压缩应力。

（5）刀具的崩刃和碎裂

与热裂纹一样，崩刃或碎裂在本质上并不属于“磨损”，这种失效模式是因为切削刃的脆性过大，难以承受切削冲击而发生碎片崩裂。需要说明，它既与切削冲击有关，也与切削刃有关。应对崩刃和碎裂可采取的措施包括：①选用抗机械冲击性能（即刚性）较好的刀片牌号；②增大刀具余偏角以减薄切屑和增大剪切作用；③改进工艺系统的刚性，包括提高机构的稳定性或改善机床的维护水平；④增大切削刃的钝化尺寸以增加切削刃强度。

（6）刀具的切削刃熔焊

在某种程度上，切削刃熔焊是一个可以圆满解决的问题，方法是提高切削速度，这样还可以提高生产率。切削刃熔焊是因工件材料被熔焊到刀具上而产生的。加工时切屑温度升高到足以使其软化发粘，然后又快速冷却，就会黏附在刀片上。解决方法是防止切屑变得过热，或者增加切屑温度使其在离开刀具之前不会马上冷却。

为了防止切屑加热到足以发生熔焊的温度，可尝试使用冷却液。其它可能采用的方法还包括采用较大的径向或轴向正前角，以减小切削力。此外还可以选用涂层刀片牌号。涂层可以减小刀具与工件之间的摩擦和相互发生反应的可能性。

与此相反的方法是使切屑温度进一步升高。通过提高切削速度和（或）进给率，可起到对切屑额外加热的作用，从而防止切屑因软化发粘而发生熔焊现象。

（7）刀具的变形

刀具的变形是指刀片在切削热和切削压力的作用下发生软化和扭曲变形。硬质合金这种坚硬的刀具材料也会发生变形听起来似乎有些不可思议，但实际上如今刀具变形的情况正日益增多。曾经有一段时期，硬质合金的耐热性能远远超过当时的机床性能，以致机床在适用的加工条件下实际上并不会造成刀具变形的危险。但随着机床性能的不断进步，如今的高性能机床能够在足以使硬质合金刀具变形的高切削参数下进行加工，而机床的高稳定性又足以使硬质合金刀具不会发生碎裂失效。

当存在刀具变形危险时，可采取的应对措施如下：①降低切削速度以减少切削热；②降低进给率以减小刀具承受的切削压力；③选用具有高耐热性或高耐磨性的刀具牌号；④减小切削刃钝化尺寸或采用更大的正几何刃形，以减小作用于切削刃上的应力和切削热。⑤选用涂层刀具牌号，尤其可选用氮铝钛涂层或氧化铝涂层，这两种涂层中的任一种均可有效隔绝切削热，保护刀片不发

生变形。