CNC加工中心刀具磨損、崩刃原因分析

刀具對于數(shù)控加工中心來說每天都大規(guī)模使用，屬于一種勞損工具。刀具在加工中心作業(yè)過程中會產生磨損,破損,崩刃等現(xiàn)象。雖然不可避免，但是過于頻繁的發(fā)生不加重了生產成本，也降低了生產效率。這當然也有人為原因如：維護保養(yǎng)知識不當、操作不科學不規(guī)范等。找到根本原因解決才能更好解決問題。

一、刀具磨損，刀具磨損按磨損原因可分為：

（1）磨料磨損

被加工材料中常有一些硬度極高的微小顆粒，能在刀具表面劃出溝紋，這就是磨料磨砂損。磨料磨損在各個面都存在，前刀面最明顯。而且各種切削速度下都能發(fā)生麻料磨損，但對于低速切削時，由于切削溫度較低，其它原因產生的磨損都不明顯，因而磨料磨損是其主要原因。成海數(shù)控機床的日常研發(fā)生產就是致力減少磨料磨損，另處刀具硬度越低磨料麻損越嚴重。

（2）冷焊磨損

切削時，工件、切削與前后刀面之間，存在很大的壓力和強烈的摩擦，因而會發(fā)生冷焊。由于摩擦副之間有相對運動，冷焊將產生破裂被一方帶走，從而造成冷焊磨損。冷焊磨損一般在中等切削速度下比較嚴重。根據(jù)實驗表明，脆性金屬比塑性金屬的抗冷焊能力強；多相金屬比單向金屬小；金屬化合物比單質冷焊傾向小；化學元素周期表中B族元素與鐵的冷焊傾向小。高速鋼與硬質合金低速切削時冷焊比較嚴重。

（3）擴散磨損

在高溫下切削、工件與刀具接觸過程中，雙方的化學元素在固態(tài)下相互擴散，改變刀具的成分結構，使刀具表層變得脆弱，加劇了刀具的磨損。擴散現(xiàn)象總是保持著深度梯度高的物體向深度梯度低物體持續(xù)擴散。例如硬質合金在800℃時其中的鈷便迅速地擴散到切屑、工件中去，WC分解為鎢和碳擴散到鋼中去；PCD刀具在切削鋼、鐵材料時當切削溫度高于800℃時，PCD中的碳原子將以很大的擴散強度轉移到工件表面形成新的合金，刀具表面石墨化。鈷、鎢擴散比較嚴重，鈦、鉭、鈮的抗擴散能力較強。故YT類硬質合金耐磨性較好。陶瓷和PCBN切削時，當溫度高達1000℃-1300℃時，擴散磨損尚不顯著。

工件、切屑與刀具由于材料的同，切削時在接觸區(qū)將產生熱電勢，這種熱電勢有促進擴散的作用而加速刀具的磨損。這種在熱電勢的作用下的擴散磨損，稱為“熱電磨損”。

（4）氧化磨損

當溫度升高時刀具表面氧化產生較軟的氧化物被切屑摩擦而形成的磨損稱為氧化磨損。如：在700℃~800℃時空氣中的氧與硬質合金中的鈷及碳化物、碳化鈦等發(fā)生氧化反應，形成較軟的氧化物;在1000℃時PCBN與水蒸氣發(fā)生化學反應。

刀具按磨損形式可分為面磨損、尖磨損和后刀面磨損，具體來看

（1）前刀面損

在以較大的速度切削塑性材料時，前刀面上靠近切削力的部位，在切屑的作用下，會磨損成月牙凹狀，因此也稱為月牙洼磨損。在磨損初期，刀具前角加大，使切削條件有所改善，并有利于切屑的卷曲折斷，但當月牙洼進一步加大時，切削刃強度大大削弱，最終可能會造成切削刃的崩碎毀損的情況。在切削脆性材料，或以較低的切削速度及較薄的切削厚度切削塑性材料時，一般不會產生月牙洼磨損。

（2）刀尖磨損

刀尖磨損為刀尖圓弧的后刀面及鄰近的副后刀面上的磨損，它是刀具上后刀面的磨損的延續(xù)。由于此處的散熱條件差，應力集中，故磨損速度要比后刀面快，有時在副后刀面上還會形成一系列間距等于進給量的小溝，稱為溝紋磨損。它們主要由于已加工表面的硬化層及切削紋路造成的。在切削加工硬化傾向大的難切削材料時，最易引起溝紋磨損。刀尖磨損對工件表面粗糙度及加工精度影響最大。

（3）后刀面磨損

在很大切削厚度切削塑性材料時，由于積屑瘤的存在，刀具的后刀面可能不與工件接觸。除此之外，通常后刀面都會與工件發(fā)生接觸，而在后刀面上形成一道后角為0的磨損帶。一般在切削刃工作長度的中部，后刀面磨損比較均勻，因此后刀面的磨損程度可用該段切削刃的后刀面磨損帶寬度VB來衡量。

由于各種類型的刀具在不同的切削情況下幾乎都會了發(fā)生后刀面磨損，特別是切削脆性材料或以較小的切削厚度切削塑性材料時刀具的磨損主要是后刀面磨損，而且磨損帶的寬度VB的測量比較簡便，因此通常都用VB來表示刀具的磨損程度。VB愈大，不但會使切削力增大，引起切削振動，而且會影響刀尖圓弧處的磨損，從而影響加工精度及加工表面質量。

二、刀具破損

刀具破損的表現(xiàn)

（1） 切削刃微崩。

當工件材料組織、硬度、余量不均勻，前角偏大導致切削刃強度偏低，工藝系統(tǒng)剛性不足產生振動，或進行斷續(xù)切削，刃磨質量欠佳時，切削刃容易發(fā)生微崩，即刃區(qū)出現(xiàn)微小的崩落、缺口或剝落。出現(xiàn)這種情況后，刀具將失去一部分切削能力，但還能繼續(xù)工作。繼續(xù)切削中，刃區(qū)損壞部分可能迅速擴大，導致更大的破損。

（2） 切削刃或刀尖崩碎。

這種破損方式常在比造成切削刃微崩更為惡劣的切削條件下產生，或者是微崩的進一步的發(fā)展。崩碎的尺寸和范圍都比微崩大，使刀具完全喪失切削能力，而不得不終止工作。刀尖崩碎的情況常稱為掉尖。

（3） 刀片或刀具折斷。

當切削條件極為惡劣，切削用量過大，有沖擊載荷，刀片或刀具材料中有微裂，由于焊接、刃磨在刀片中存在殘余應力時，加上操作不慎等因素，可能造成刀片或刀具產生折斷。發(fā)生這種破損形式后，刀具不能繼續(xù)使用，以致報廢。

（4） 刀片表層剝落。

對于脆性很大的材料，如TiC含量很高的硬質合金、陶瓷、PCBN等，由于表層組織中有缺陷或潛在裂紋，或由于焊接、刃磨而使表層存在著殘余應力，在切削過程中不夠穩(wěn)定或刀具表面承受交變接觸應力時極易產生表層剝落。剝落可能發(fā)生在前刀面，刀可能發(fā)生在后刀面，剝落物呈片狀，剝落面積較大。涂層刀具剝落可能性較大。刀片輕微剝落后，尚能繼續(xù)工作，嚴重剝落后將喪失切削能力。

（5） 切削部位塑性變型。

具鋼和高速鋼由于強度小硬度低，在其切削部位可能發(fā)生塑性變型。硬質合金在高溫和三向壓應力狀態(tài)直工作時，也會產生表層塑性流動，甚至使切削刃或刀尖發(fā)生塑性變形面造成塌陷。塌陷一般發(fā)生在切削用量較大和加工硬材料的情況下。TiC基硬質合金的彈性模量小于WC基硬質合金，故前者抗塑性變形能力加快，或迅速失效。PCD、PCBN基本不會發(fā)生塑性變形現(xiàn)象。

（6） 刀片的熱裂。

當?shù)毒叱惺芙蛔兊臋C械載荷和熱負荷時，切削部分表面因反復熱脹冷縮，不可避免的產生交變的熱應力，從而使刀片發(fā)生疲勞而開裂。例如，硬質合金銑刀進行高速銑削時，刀齒不斷受到周期性地沖擊和交變熱應力，而在前刀面產生梳狀裂紋。有些刀具雖然并沒有明顯的交變載荷與交變應力，但因表層、里層溫度不一致，也將產生熱應力，加上刀具材料內部不可避免地存在缺陷，，故刀片也可能產生裂紋。裂紋形成后刀具有時還能繼續(xù)工作一段時間，有時裂紋迅速擴展導致刀片折斷或刀面嚴重剝落。

刀具防止破損的方法

（1）團隊針對被加工材料和零件的特點給出的建議是，合理選擇刀具材料的各類和牌號。在具備一定硬度和耐磨性的前提下，必須保證刀具材料具有必要的韌性。

（2）合理選擇刀具幾何參數(shù)。通過調整前后角，主副偏角，刃傾角等角度， 保證切削刃和刀尖有較好的強度。在切削刃上磨出負倒棱，是防止崩刀的有效措施。

（3）保證焊接和刃磨的質量，避免因焊接、刃磨不善而帶來的各種疵病。關鍵工序所用的刀具，其刀而應經過研磨以提高表面質量，并檢查有無裂紋。

（4）合理選擇切削用量，避免過大的切削力和過高的切削溫度，以防止刀具破損。

（5）盡可能保證工藝系統(tǒng)具有較好的剛性，減小振動。

（6）采取正確的操作方法，盡量使刀具不承受或少承受突變性的負荷。

三、刀具崩刃

刀具崩刃的原因及對策

（1）刀片牌號、規(guī)格選擇不當，如刀片的厚度太薄或粗加工時選用了太硬太脆的牌號。

對策：增大刀片厚度或將刀片立裝，選用抗彎強度及韌性較高的牌號。

（2） 刀具幾何參數(shù)選擇不當（如前后角過大等）。

對策：可從以下幾方面著手重新設計刀具。① 適當減小前、后角。② 采用較大的負刃傾角。③減小主偏角。④采用較大的負倒棱或刃口圓弧。⑤ 修磨過渡切削刃，增強刀尖。

（3）刀片的焊接工藝不正確，造成焊接應力過大或焊接裂縫。

對策：①避免采用三面封閉的刀片槽結構。②正確選用焊料，不得不提成海數(shù)控的焊接技術過硬。③避免采用氧炔焰加熱焊接，并且在焊接后應保溫，以消除內應力。④盡可能改用機械夾固的結構

（4）刃磨方法不當，造成磨削應力及磨削裂紋；對PCBN銑刀刃磨后刀齒的振擺過大，使個別刀齒負荷過重，也會造成打刀。

對策：①采用間斷磨削或金剛石砂輪磨削。②選用較軟的砂輪，并經常修整保持砂輪鋒利。③注意刃磨質量，嚴格控制銑刀刀齒的振擺量。

（5）切削用量選擇不合理，如用量過大，便機床悶車；斷續(xù)切削時，切削速度過高，進給量過大，毛坯余量不均勻時，切削深度過小；切削高錳鋼等加工硬化傾向大的材料時，進給量過小等。

對策：重新選擇切削用量。

（6） 機械夾固式刀具的刀槽底面不平整或刀片伸出過長等結構上的原因。

對策：①修整刀槽底面。②合理布置切削液噴嘴的位置。③淬硬刀桿在刀片下面增加硬質合金墊片。

（7） 刀具磨損過度。

對策：及時換刀或更換切削刃。

（8） 切削液流量不足或加注方法不正確，造成刀片驟熱而裂損。

對策：① 加大切削液的流量。② 合理布置切削液噴嘴的位置。③ 采用有效的冷卻方法如噴霧冷卻等提高冷卻效果。④ 采用切削減小對刀片的沖擊。

（9） 刀具安裝不正確，如：切斷車刀安裝過高或過低；端面銑刀采用了不對稱順銑等。

對策：重新安裝刀具。

（10） 工藝系統(tǒng)剛性太差，造成切削振動過大。

對策：① 增加工件的輔助支承，提高工件裝夾剛性。② 減小刀具的懸伸長度。③ 適當減小刀具的后角。④ 采用其它的消振措施。

（11） 操作不慎，如：刀具由工件中間切入時，動作過猛；尚未退刀，即行停車。

對策：注意操作方法。

四、積屑瘤

（1） 形成原因

在靠近切削刃的一部分，刀-屑接觸區(qū)內，由于下壓力很大，使切屑底層金屬嵌入前刀面上的微觀不平的峰谷內，形成無間隙的真正的金屬間接觸而產生粘結現(xiàn)象，這部分刀-屑接觸區(qū)被稱為粘結區(qū)。在粘結區(qū)內，切屑底層將有一薄層金屬材料層積滯留在前刀面上，這部分切屑的金屬材料經過了劇烈的變形，在適當?shù)那邢鳒囟认掳l(fā)生強化。隨著切屑的連續(xù)流出，在后繼切削的流動所作推擠下，這層滯積材料便與切屑上層發(fā)生相對滑移而離開來，成為積屑瘤的基礎。隨后，在它的上面又會形成第二層滯積切削材料，這樣不斷地層積，就形成了積屑瘤。

（2） 特點及對切削加工的影響

①硬度比工件材料高1.5~2.0倍，可代替前刀面進行切削，有保護切削刃、減小前刀面磨損的作用，但積屑瘤脫落時的碎片流經刀具-工件接觸區(qū)會造成刀具后刀面磨損。

②在積屑瘤形成后刀具的工作前角明顯增大，對減小切屑變形及降低切削力起了積極作用。

③由于積屑瘤突出于切削刃之外，使實際切削深度增大，影響工件的尺寸精度。

④積屑瘤會在工件表面造成“犁溝”現(xiàn)象，影響工件表面粗糙度。⑤積屑瘤的碎片會粘結或嵌入工件表面造成硬質點，影響工件已加工表面的質量。

由上述分析可知，積屑瘤對切削加工，特別對精加工是不利的。

（3）控制措施

不使切屑底層材料與前刀面發(fā)生粘結或變形強化，即可避免積屑瘤的產生為此日的可采取如下措施。

① 減小前刀面的粗糙度。

② 增大刀具的前角。

③ 減小切削厚度。

④ 采用低速切削或高速切削，避開容易形成積屑瘤的切削速度。

⑤ 對工件材料進行適當?shù)臒崽幚硖岣咂溆捕龋瑴p小塑性。

⑥ 采用抗粘結發(fā)性能好的切削液（如含硫、氯的極壓切削液）。