淺析金屬切削過程中的刀具磨損及其影響因素

摘 要：刀具磨損對切削加工的效率、質(zhì)量和成本有著直接的影響。本文從刀具磨損的形式、刀具磨損的過程及影響刀具磨損的因素三個(gè)方面對切削加工中的刀具磨損做了分析和闡述。

關(guān)鍵詞：金屬切削；刀具磨損；影響因素

在切削過程中，刀具在高溫、高壓的條件下工作，刀具與切屑、工件之間產(chǎn)生了劇烈的擠壓與摩擦，切削刃由鋒利逐漸變鈍以致于失去了正常的切削能力，這就是刀具的磨損。刀具的磨損對切削加工的效率、質(zhì)量和成本有直接的影響。刀具磨損程度超過允許值后，必須及時(shí)刃磨或更換，以免引起振動并使加工質(zhì)量下降。

一、刀具磨損的形式

刀具磨損分為正常磨損和非正常磨損。正常磨損是指刀具在正常的切削過程中逐漸產(chǎn)生的磨損。非正常磨損是指切削過程中突然或過早產(chǎn)生的損壞現(xiàn)象，如脆性破損（崩刃、剝落、碎裂）、卷刃等。正常磨損主要有以下幾種形式：

1.后面磨損

切削脆性金屬材料時(shí)，或以較低的切削速度、較小的進(jìn)給量切削塑性金屬材料時(shí)，常會發(fā)生這種磨損。此條件下前面上的壓力和摩擦力不大，溫度較低，這時(shí)磨損主要發(fā)生在后面。磨損使切削刃附近的后面上磨出后角為零的小棱面，或形成一些不均勻的溝痕。后面磨損是切削中最常見的磨損形式。

2.前面磨損

以較高的切削速度和較大的進(jìn)給量切削塑性金屬材料時(shí)，常會發(fā)生這種磨損。此條件下切屑對前面的壓力大，摩擦劇烈，溫度高，使前刀面上近切削刃處磨出一月牙洼，此區(qū)域是切削溫度最高的地方，磨損最嚴(yán)重。月牙洼擴(kuò)大到一定程度，刀具就會崩刃。

3.前、后面同時(shí)磨損

以中等切削速度和中等進(jìn)給量切削塑性金屬材料時(shí)，常會發(fā)生這種磨損。刀具上同時(shí)出現(xiàn)前面磨損和后面磨損。

二、刀具的磨損過程

在正常的切削中，刀具的磨損量隨切削時(shí)間的增加而逐漸擴(kuò)大，由于刀具磨損中總會帶有后面磨損，因此，可以用后面的磨損過程來反映刀具的磨損過程。如圖1所示，后面的磨損過程可分為三個(gè)階段：

1.初期磨損階段（Ⅰ段）

由于新刃磨后的切削刃和刀面上微觀不平，峰頂棱角突出，因此后面與加工表面和切屑的實(shí)際接觸面小，壓強(qiáng)很大，所以磨損較快。刀具的前面、后面刃磨越光滑，初期磨損越小。

2.正常磨損階段（Ⅱ段）

經(jīng)過Ⅰ段后，刀具上的微觀不平已被磨掉，表面變得平整光潔，摩擦力小，接觸面增大，壓強(qiáng)減小，故本階段的磨損均勻緩慢。此階段是刀具的有效工作期。

3.急劇磨損階段（Ⅲ段）

經(jīng)過Ⅱ段，磨損量已經(jīng)達(dá)到一定數(shù)值，磨損已算嚴(yán)重，刀具的強(qiáng)度、硬度都有所降低，摩擦力、切削力與切削溫度都劇烈上升，導(dǎo)致磨損急劇加速，繼而刀具損壞、破壞工件。切削時(shí)要盡量避免出現(xiàn)急劇磨損。

三、影響刀具磨損快慢的因素

切削溫度直接決定著刀具磨損的快慢，所以影響切削溫度的因素都會對刀具磨損的速度有影響。在這其中，刀具材料及工件材料的性能（切削加工性）對刀具磨損速度的影響最大，其次是切削用量的選擇，再次是刀具角度。

1.刀具材料

刀具材料是影響刀具磨損快慢的主要因素。其硬度及耐熱性越高，則刀具越耐磨，耐用度也就越高。改善刀具材料的切削性能，或使用新型刀具材料，能使刀具的耐用度成倍提高。

2.工件材料

工件材料的強(qiáng)度、硬度越高，則切削時(shí)的切削溫度就越高，因此刀具磨損就會加快，刀具耐用度就會降低。工件材料的導(dǎo)熱性差，則切削溫度升高，也會導(dǎo)致刀具磨損加快。

3.切削用量

切削用量的增大，會使切削溫度升高，刀具磨損加快，因此刀具耐用度下降，但由于切削速度v_c、進(jìn)給量f及背吃刀量a_p三者對切削溫度的影響程度不同，因此3者對刀具耐用度的影響程度也不同。在切削用量中，切削速度v_c對刀具磨損的影響最大，進(jìn)給量f次之，背吃刀量a_p最小。

所以，在實(shí)際的粗加工中，當(dāng)確定了刀具耐用度的合理值后，應(yīng)首先選擇大的背吃刀量a_p，然后再根據(jù)加工條件選取較大的進(jìn)給量f，最后才在刀具耐用度等條件允許的情況下選取較大的切削速度v_c，這樣既提高了切削效率，又能保證刀具的耐用度。

4.刀具角度

前角：前角增大，切削變形和切削力減小，切削溫度降低，因此刀具的耐用度提高，刀具磨損速度降低。但前角增大到一定角度后若進(jìn)一步增大，則會因刀頭的散熱體積減小，散熱變差，切削溫度反而升高，另外刀刃強(qiáng)度降低，易于破損，因此耐用度反而下降了。前角對刀具耐用度的影響如同它對切削溫度的影響一樣，呈“駝谷型”，它的谷底前角（一般為15°左右）是耐用度最高的前角。

主偏角：主偏角減小，可增加主切削刃的工作長度，改善了散熱條件，同時(shí)，主偏角減小，會使刀尖角增大，刀尖強(qiáng)度得到提高，刀尖處的散熱面積增大，因而可提高刀具耐用度。

刀尖圓弧半徑：刀尖圓弧半徑增大，提高了刀尖處的刀具強(qiáng)度，也增加了刀尖處的散熱面積，因此使刀具的耐用度提高。

5.切削液

使用切削液能有效降低切削溫度并減少刀具與工件、切屑間的摩擦，因此能提高刀具的耐用度，降低刀具磨損速度。

四、結(jié)語

刀具在切削過程中總是會磨損的，當(dāng)?shù)毒吣p到一定限度，刀具就會失效（刀具喪失切削能力或無法保障加工質(zhì)量）。若導(dǎo)致失效的磨損是在刀具耐用度臨近終了時(shí)出現(xiàn)，則是正常的；若導(dǎo)致失效的磨損提前出現(xiàn)，則說明給定的切削條件是不匹配的。我們要根據(jù)磨損情況找出可能的原因，并采取有效的對策。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙長明，劉萬菊.數(shù)控加工工藝及設(shè)備[M].高等教育出版社.2008：6.

[2]李建華.刀具磨損原因分析及改善措施[J].機(jī)械制造與自動化，2009，38（3）：39-39.

作者簡介：王謙（1982-9），男，碩士，助教，研究方向：數(shù)控技術(shù)。