刀具磨损的基本原因

切削加工时，刀具一方面切下切屑，但刀具本身也会产生磨损。刀具磨损后，就会使切削力加大、切削温度上升、切屑颜色改变、加工表面粗糙度值增大、加工精度下降，甚至使工艺系统产生振动和异常声响。因此，刀具磨损到一定程度后，必须进行重磨或更换新刀。

（1）刀具磨损的形式

1）后刀面磨损。由于刀具切削刃不是绝对锋利的，而是有一定的钝圆半径，因此，在切削脆性材料或以较小的切削厚度切削塑性材料时，刀具后刀面与工件表面摩擦作用强烈，故磨损主要发生在后刀面。铣削加工时，每个刀齿的切削厚度都比较小，特别是用周铣法进行逆铣时，刀齿要经过一段滑擦才能切下切屑，故磨损为后刀面磨损（见图2-24a）。

2）前刀面磨损。在不使用切削液的条件下切削塑性金属时，如果切削厚度大、切削速度较高时，则刀具前刀面与切屑底部压强很大、接触面积大、润滑条件差，从而产生强烈摩擦，会在刀具前刀面上形成月牙洼磨损。

3）前、后刀面同时磨损。以中等切削厚度和切削速度切削塑性金属时，将发生前、后刀面同时磨损。如用硬质合金面铣刀加工强度较高的合金钢，每齿进给量较大时，前刀面上会出现月牙洼磨损（见图2-24b）。

（2）刀具磨损的原因 切削过程中，刀具的磨损与一般机械零件的磨损有显著的不同，主要是刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面，摩擦系数大；刀具的前、后刀面上的接触压力很大；接触面的温度也很高，如硬质合金刀具切削钢料时可达800～1000℃。因此，刀具磨损是机械、热和化学等三种作用综合的结果。

1）磨粒磨损。切削过程中，切屑底层、工件表面上存在的一些碳化物、氮化物和氧化物等微小硬质点以及积屑瘤碎片等，都可在刀具表面上刻划出沟痕而造成磨损。这种磨损称为磨粒磨损，是一种机械擦伤所造成的磨损。使用各种刀具材料在各种切削速度的条件下，都可能发生磨粒磨损。用高速钢制作的低速切削刀具（如拉刀），磨粒磨损是刀具磨损的主要原因，因为低速切削时的切削温度低，其他形式的磨损还不显著。而高速钢的耐磨性较差也是造成磨粒磨损的基本原因，硬质合金刀具硬度高，发生磨粒磨损则较少。

图2-24 铣刀的磨损形式

a）后刀面磨损 b）前、后刀面同时磨损

2）粘结磨损。切削时，切屑与前刀面、工件与后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。由于摩擦面之间的相对运动，冷焊结点破裂被一方带走，从而造成粘结磨损。一般情况下，冷焊结点的破裂发生在较软的工件或切屑这一方，但由于刀具表层结构缺陷等原因，冷焊结点的破裂也会发生在刀具这一方，使刀具材料的颗粒被切屑或工件粘走，从而造成刀具的粘结磨损。各种材料的刀具都可能因粘结而发生磨损。高速钢刀具有较高的抗拉强度，抗粘结磨损的能力强，粘结磨损较慢，硬质合金刀具虽有较高的硬度，但在中等偏低的切削速度下，切削塑性金属时，粘结磨损比较严重。(www.xing528.com)

3）扩散磨损。在高温、高压的作用下，刀具表面与切出的工件、切屑新鲜表面接触，刀具和切屑、工件双方的化学元素互相扩散，改变了刀具材料及工件材料的化学成分，削弱了刀具材料的切削性能，使刀具磨损加剧，这种磨损称为扩散磨损。用硬质合金刀具切削钢料时，从800℃开始，硬质合金中的钴便迅速扩散到切屑、工件中去，钴的扩散降低了碳化钨、碳化钛的粘结强度，加速了刀具的磨损。此外，随着切削速度（温度）的提高，化学元素扩散的速率增加，扩散磨损的程度加剧。扩散磨损的快慢与程度还与刀具材料中化学元素的扩散速率关系密切，如硬质合金中钛元素的扩散速率远低于钨与钴，故YT类硬质合金的抗扩散磨损能力优于YG类硬质合金；YN类硬质合金和TiC、TiN涂层刀片的抗扩散磨损能力则更佳；在硬质合金中添加钽、铌后形成的固溶体则更不容易扩散，具有良好的抗扩散磨损能力。高速高温下切削时，扩散磨损是硬质合金刀具急剧磨损的主要原因。

4）化学磨损。当切削温度达到700～800℃时，空气中的氧和硬质合金中的TiC、WC、Co等发生化学作用，在刀具表面形成一层松脆的氧化物，如四氧化三钴（Co₃O₄）、三氧化钨（WO₃）、一氧化钴（CoO）和二氧化钛（TiO₂）等，容易被切屑、工件带走而形成化学磨损。

5）相变磨损。工具钢具有一定的相变温度，当切削温度超过相变温度时，其金相组织就会发生变化，硬度显著下降。例如高速钢（W18Cr4V）刀具的切削温度达到650～700℃时，高速钢发生相变，刀具表面硬度降低，从而使刀具迅速磨损。相变磨损是工具钢刀具急剧磨损的主要原因。

此外，用硬质合金铣刀进行切削时，由于刀齿周期性的切入、切出，刀齿骤冷骤热，产生相当大的热应力。不断反复的热应力会使刀齿表面出现裂纹，甚至使刀齿崩碎而损坏。

（3）刀具磨损的过程随着切削时间的延长，刀具的磨损量在不断地增加。但在不同的时间段，刀具的磨损速度及实际的磨损量是不同的。图2-25所示为刀具磨损和切削时间的关系。刀具磨损过程可分为初期磨损（曲线AB）、正常磨损（曲线BC）和急剧磨损（曲线CD）三个阶段。

图2-25 刀具磨损和切削时间的关系

1）初期磨损阶段。在刀具开始切削的较短时间内，后刀面上即产生一个磨损量为0.05～0.1mm的窄小磨损带，这一阶段称为初期磨损阶段，其主要特点是磨损速率大。这是由于新刃磨的刀具后刀面上存在微观的凹凸不平、氧化或脱碳等缺陷，刀具切削刃锋利，后刀面与工件表面接触面积小，接触压力大，单位面积上的摩擦力大所致。初期磨损量的大小与刀面刃磨的质量关系密切，经仔细研磨的刀具，其初期磨损量较小。

2）正常磨损阶段。经过初期磨损阶段后，刀具表面粗糙度值减小，刀面上的接触压应力减小，刀具的磨损速率明显降低。磨损量随时间均匀缓慢地增加，这一阶段称为正常磨损阶段。这一阶段的时间较长，是刀具发挥正常切削作用的阶段。

3）急剧磨损阶段。刀具经过正常磨损阶段后，当磨损量达到一定数值后，切削刃钝化，切削力、切削温度迅速上升，刀具磨损速率急剧增大，使刀具失去切削能力，这个阶段称为急剧磨损阶段。为保证加工质量，合理使用刀具，加工中应在急剧磨损阶段到来之前及时更换刀具。