車刀磨損的原因及改進(jìn)措施研究

（蚌埠士官學(xué)校機(jī)械系，安徽 蚌 埠 2 33012）

在車削加工中，車刀失效的原因很多，其中磨損是其主要原因。磨損主要發(fā)生在車刀的前刀面和后刀面。在前刀面一般出現(xiàn)月牙洼磨損，隨著月牙洼寬度的擴(kuò)大，切削刃的強(qiáng)度大為減弱，最終導(dǎo)致崩刃現(xiàn)象；在后刀面，由于車刀的后刀面與工件間存在著強(qiáng)烈摩擦，在切削刃的下方很快被磨出后角為零的小棱面，使切削力和切削熱增大和增加，甚至產(chǎn)生振動(dòng)，造成刀具失效和加工表面品質(zhì)惡化，嚴(yán)重影響加工品質(zhì)和生產(chǎn)效率。下面結(jié)合工作實(shí)踐，對(duì)車刀磨損的原因提出改進(jìn)措施。

1 磨料磨損

1.1 磨損成因

在工件材料中含有一些硬度極高的硬質(zhì)點(diǎn)，可在車刀的前、后刀面刻劃微細(xì)的溝紋，眾多的溝紋就形成了車刀的磨料磨損。工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)主要有Fe3C、TiC、和VC等碳化物，TiN、Si3N4等氮化物，SiO2、Al2O3等氧化物。這些化合物在高碳鋼和合金鋼中存在比較多，在切削加工過程中，它們?nèi)缤拜喣ハ髟硪粯硬粩嗄ハ鞯毒弑砻?，特別對(duì)于在低速車削高碳鋼和合金鋼時(shí)，磨料磨損常是磨損的主要原因。

1.2 改進(jìn)措施

避免磨料磨損不易實(shí)現(xiàn)，但可以通過不同方式減小磨料磨損程度。

（1）選擇高硬的車刀材料

硬度越高車刀越能承受磨料磨損，如硬質(zhì)合金車刀硬度達(dá)70~75 HRC，陶瓷車刀硬度可達(dá)91~95 HRC，它們比高速鋼車刀更能耐受磨料磨損。

（2）用油石研磨刀具

刀具表面光潔度越高，越能降低摩擦，可有效降低磨料磨損。如用高速鋼刀具加工鋼件時(shí)，常會(huì)見到工件表面出現(xiàn)亮點(diǎn)，或聽到切削聲音發(fā)悶、沉重或不正常尖叫，這說明車刀磨料磨損在加劇，車刀在“硬啃”，應(yīng)及時(shí)用油石背刀，恢復(fù)刀刃的光潔度。

（3）合理選用切削液

選用潤滑性好的切削液也可有助于減少磨料磨損。切削液的作用是在車刀的前后刀面上形成一層潤滑薄膜，以減少切屑和工件與前后刀面間的摩擦系數(shù)，從而減少磨擦，減少磨料磨損。為了充分發(fā)揮切削液的潤滑作用，形成牢固的吸附潤滑膜，即使在高溫、高壓及劇烈摩擦條件下也不至于被破壞，可在切削液中加入油性添加劑（如皂類、脂肪酸等）或極壓添劑（如硫化油、氯化石蠟等）。一般含油性添加劑的切削液僅適用于低速輕負(fù)荷的場合；含硫的切削液可耐1 000℃左右的高溫；含氯的切削液可耐600℃左右的高溫。

2 冷焊磨損

2.1 磨損成因

在車削時(shí)，切屑、工件與前、后刀面之間，會(huì)產(chǎn)生很大的壓力和劇烈的摩擦，在接觸面間會(huì)產(chǎn)生冷焊，也就是積屑瘤形成的原因。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，冷焊結(jié)破裂后被帶走，在車刀表面形成凹坑，這就是冷焊磨損。

2.2 改進(jìn)措施

（1）控制好切削速度

實(shí)踐表明，冷焊磨損一般在中等偏下的切削速度時(shí)比較嚴(yán)重。在高速鋼車刀正常工作的切削速度和硬質(zhì)合金車刀偏低的切削速度下，冷焊最易發(fā)生，這時(shí)冷焊磨損是車刀磨損的主因。在精車時(shí)，為了提高刀具的使用壽命，硬質(zhì)合金精車刀的切削速度提高到νc>150 m/min，高速鋼刀具要到νc<10 m/min，車刀的冷焊磨損就會(huì)減輕。

（2）對(duì)工件進(jìn)行適當(dāng)熱處理，提高工件的硬度

脆性金屬比塑性金屬的抗冷焊能力強(qiáng)，像中、低碳鋼等鋼料更易產(chǎn)生冷焊。所以，車削加工前應(yīng)對(duì)中、低碳鋼等鋼料提前進(jìn)行正火、調(diào)質(zhì)等熱處理，適當(dāng)提高中、低碳鋼等鋼料的硬度，降低其塑性，可大大抑制冷焊的發(fā)生，降低刀具冷焊磨損的程度。

另外，選用大前角車刀，用油石精研車刀的前刀面，減少進(jìn)給量，選用潤滑作用較好并有冷卻作用的切削液，采用振動(dòng)切削等，這些措施都可以減少冷焊的發(fā)生機(jī)率，對(duì)刀具的使用壽命有很大的提高。

3 擴(kuò)散磨損

3.1 磨損成因

在車削金屬時(shí)，車刀與切屑、工件在高溫、高壓的接觸中，雙方的化學(xué)元素在固態(tài)下相互擴(kuò)散，改變了車刀表層的材料成分和結(jié)構(gòu)，使車刀表層喪失了原有車刀材料的硬度和強(qiáng)度，變得更加脆弱，從而加劇車刀磨損。有時(shí)車刀材料中的碳化物溶解到切屑或工件中，也會(huì)形成擴(kuò)散磨損。

3.2 改進(jìn)措施

根據(jù)加工材料的不同，選用合適的刀具。例如用硬質(zhì)合金車刀車削鋼料，在車削溫度達(dá)到800℃后，硬質(zhì)合金中的鈷會(huì)迅速地?cái)U(kuò)散到刀屑、工件中，WC會(huì)分解為碳和鎢后工件中，工件中的鐵和碳則向硬質(zhì)合金中擴(kuò)散，形成新的低硬度、高脆性的復(fù)合碳化物，從而加劇車刀的磨損。硬質(zhì)合金車刀中，鈦元素的擴(kuò)散比鈷、鎢慢，TiC又不易分解，因此，在車削鋼質(zhì)工件時(shí)，YT類硬質(zhì)合金車刀的抗擴(kuò)散磨損能力高于YG類硬質(zhì)合金車刀，當(dāng)然TiC、TiN涂層的硬質(zhì)合金會(huì)更好，所以這類刀具的耐磨性也更好。又如用金剛石車刀車削鋼鐵等鐵族材料時(shí)，當(dāng)車削溫度達(dá)700℃時(shí)，金剛石中的碳原子將會(huì)快速擴(kuò)散到工件中形成新的鐵碳合金，而金剛石車刀表面碳原子的結(jié)構(gòu)排列發(fā)生變化，即形成石墨化，造成金剛石車刀嚴(yán)重磨損而喪失車削能力，但金剛石車刀與鈦合金之間的擴(kuò)散作用小，所以，鈦合金切削加工可選用金剛石車刀。新推廣使用的刀具如氧化鋁陶瓷和立方氮化硼車刀車削鋼類工件時(shí)，即使車削溫度達(dá)1 300℃，擴(kuò)散作用也不明顯，所以這類刀具抗擴(kuò)散磨損能力更高，當(dāng)然，其價(jià)格也更昂貴。

4 氧化磨損

4.1 磨損成因

氧化磨損就是當(dāng)切削溫度在700~800℃之間時(shí)，空氣中的氧會(huì)與硬質(zhì)合金中的鈷及碳化鎢、碳化鈦等發(fā)生氧化反應(yīng)，生成較軟的氧化物膜，這層薄膜會(huì)被切屑或工件擦掉而形成磨損。

4.2 改進(jìn)措施

如果在切削區(qū)大量加注切削液冷卻，可有效降低氧化反應(yīng)速度，同時(shí)切削液能將刀具、工件和空氣隔離開來，可減少氧氣與硬質(zhì)合金中的鈷及碳化鎢、碳化鈦等的接觸機(jī)會(huì)，從而可減少氧化磨損。

5 結(jié)束語

總之，在不同材料工件、不同材料車刀和和不同切削條件下，磨損原因和強(qiáng)度是不同的，在刀具磨損中，擴(kuò)散磨損往往與冷焊磨損、磨料磨損同時(shí)發(fā)生，造成快速磨損。但切削溫度對(duì)車刀的磨損起著決定性作用：高溫時(shí)擴(kuò)散磨損和氧化磨損強(qiáng)度高；中低溫時(shí)冷焊磨損占主導(dǎo)作用，磨料磨損則在不同切削溫度下都存在。因此，在實(shí)際車削加工中應(yīng)綜合考慮各種工況，采取相應(yīng)的有效措施來減少車刀磨損，以提高加工品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

[1]上海市金屬切削學(xué)會(huì).金屬切削手冊(cè)（第3版）[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[2]《金屬切削理論與實(shí)踐》編委會(huì).金屬切削理論與實(shí)踐（第2版）[M].北京：北京出版社，1985.

[3]肖詩綱.刀具材料及其合理選擇（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[4]周澤華.金屬切削原理[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2002.