加工中心刀具磨损、崩刃的根本原因

对于加工中心来说，刀具是耗材，在加工过程中会有损伤、磨损和切屑。这些现象是不可避免的，但也有操作不科学不规范、维护不当等可控原因。找到根本原因才能更好的解决问题。

01

刀具破损性能

1)刃口轻微塌陷。

当工件的材料结构、硬度、余量不均匀，前角过大，导致切削刃强度低，工艺系统刚性不足，导致振动，或断续切削，磨削质量差时，切削刃容易发生微崩，即边缘区域出现微小的崩落、碎裂或剥落。这种情况发生后，刀具会失去部分切削能力，但可以继续工作。当切割继续时，刀片区域的损坏部分可能会迅速扩大，导致更大的损坏。

2)切割边缘或尖端断裂。

这种损伤往往发生在比切削刃微切屑更恶劣的切削条件下，或者是微切屑的进一步发展。碎屑的大小和范围大于微碎屑，使刀具完全失去切削能力，不得不停止工作。刀尖断裂的情况，通常被称为脱尖。

3)刀片或刀具损坏。

切削条件极其恶劣时，切削量过大，有冲击载荷，刀片或刀具材料有微裂纹。当由于焊接、打磨等原因导致刀片存在残余应力，以及操作不慎等因素可能导致刀片或刀具断裂时。这种损坏发生后，刀具无法继续使用，就报废了。

4)叶片表面剥落。

用于脆性材料，如高TiC含量的硬质合金、陶瓷、PCBN等。由于表面层中的缺陷或潜在裂纹，或由于焊接和刃磨而在表面层中产生残余应力，当切削过程不够稳定或工具表面受到交变接触应力时，表面层容易剥落。剥落可能发生在前刀面上，刀可能发生在后刀面上。脱落物呈片状，脱落面积大。刀具剥落的可能性很大。轻微剥皮后刀片还能工作，但严重剥皮后会失去切割能力。

5)切削部分的塑性变形

由于钢和高速钢的强度和硬度较低，它们的切削部分可能会发生塑性变形。硬质合金在高温和三维压应力作用下直线工作时，还会在表面产生塑性流动，甚至使切削刃或刀尖的塑性变形面塌陷。一般在切削量较大，加工较硬的材料时会发生崩刃。tic基硬质合金的弹性模量小于WC基硬质合金，因此前者的塑性变形抗力加快或很快失效。PCD和PCBN基本上没有塑性变形。

6)叶片热裂

当刀具受到交变的机械载荷和热载荷时，切削部分的表面必然会由于反复的热胀冷缩而产生交变的热应力，从而使刀片疲劳开裂。例如，硬质合金铣刀高速铣削时，刀齿不断受到周期性冲击和交变热应力，在前刀面上产生梳状裂纹。有些刀具虽然没有明显的交变载荷和应力，但表层和内层的温差也会导致热应力，刀具材料存在不可避免的缺陷，因此刀片也可能产生裂纹。裂纹形成后，刀具有时能继续工作一段时间，有时裂纹迅速扩大，导致刀片断裂或刀片表面严重剥落。

02

工具磨损的原因

1)磨料磨损

被加工材料中往往存在一些硬度极高的微小颗粒，可以在刀具表面划出沟槽，这就是磨粒磨损。磨粒磨损在四周都存在，前刀面最为明显。而且麻料磨损在各种切削速度下都会发生，但对于低速切削，由于切削温度低，其他原因引起的磨损不明显，所以磨粒磨损是主要原因。另外，刀具硬度越低，磨粒麻损越严重。

2)冷焊磨损

切削时，工件、切削和前刀面之间有很大的压力和很强的摩擦力，所以会发生冷焊。由于摩擦副之间的相对运动，冷焊会断裂，被一方带走，造成冷焊磨损。冷焊磨损一般在中等切削速度下比较严重。根据实验，脆性金属比塑性金属具有更强的抗冷焊能力。多相金属比单向金属小；金属化合物比单质具有更小的冷焊倾向；化学周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。与高速钢相比，低速切削时冷焊更严重。

3)扩散磨损

在高温切削和工件与刀具接触的过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了刀具的成分和结构，使刀具表层变脆，加剧了刀具的磨损。扩散总是保持深度梯度高的对象向深度梯度低的对象扩散。

例如，当硬质合金的温度为800℃时，硬质合金中的钴迅速扩散到切屑和工件中，WC分解成钨和碳并扩散到钢中。切割钢铁材料时，当PCD的切割温度高于800℃时，PCD中的碳原子会以很大的扩散强度转移到工件表面形成新的合金，PCD刀具表面会石墨化。钴、钨扩散严重，钛、钽、铌反扩散能力强。因此，YT硬质合金具有更好的耐磨性。切削陶瓷和PCBN时，温度高达1000℃-1300℃时，扩散磨损不明显。由于工件、切屑和刀具的材质相同，切削时接触区域会产生热电势，有促进扩散的作用，加速刀具的磨损。这种在热电势作用下的扩散磨损称为“热电磨损”。

4)氧化磨损

当温度升高时，刀具表面氧化生成软氧化物，切屑摩擦引起的磨损称为氧化磨损。如在700℃~800℃时，空气中的氧与硬质合金中的钴、碳化物、碳化钛反应生成软氧化物；在1000℃时，PCBN与水蒸气发生反应。

03

叶片磨损形式

1)前刀面损坏

高速切削塑性材料时，前刀面上靠近切削力的位置会在切屑的作用下被磨损成月牙形凹状，所以也叫月牙形凹状磨损。在磨损初期，刀具前角增大，改善了切削条件，有利于切屑的卷曲和折断。然而，当月牙洼进一步增大时，切削刃强度大大减弱，最终可能导致切削刃的压溃和损坏。切割脆性材料，或切割速度较低、切割厚度较薄的塑性材料时，一般不会出现月牙状磨损。

2)刀尖磨损

刀尖磨损是指刀尖圆弧的后刀面和相邻的副后刀面上的磨损，是刀具后刀面磨损的延续。由于这里散热条件差，应力集中，磨损速度比后刀面快，有时会在后刀面上形成一系列间距等于进给量的小沟槽，称为沟槽磨损。它们主要是由加工表面上的硬化层和切割线造成的。切削淬硬倾向高的难切削材料时，最容易造成沟槽磨损。刀尖磨损对工件表面粗糙度和加工精度影响最大。

3)侧面磨损

切削厚度较大的塑料材料时，由于切屑堆积的存在，刀具后刀面可能不与工件接触。另外，通常情况下，后刀面会与工件接触，后刀面上会形成一个后角为0°的磨损带。一般在切削刃工作长度的中间，后刀面磨损是均匀的，所以后刀面磨损程度可以用这个切削刃的后刀面磨损带宽VB来衡量。

由于各种刀具的后刀面磨损几乎都发生在不同的切削条件下，特别是切削脆性材料或切削厚度较小的塑性材料时，以刀具的后刀面磨损为主，磨损带宽度VB的测量也相对简单，所以通常用VB来表示刀具磨损的程度。VB越大，不仅会增加切削力，引起切削振动，还会影响刀尖圆弧处的磨损，从而影响加工精度和加工表面质量。

04

防止工具损坏的方法

1)根据加工材料和零件的特点，合理选择各种牌号的刀具材料。在具有一定硬度和耐磨性的前提下，需要保证刀具材料具有必要的韧性。

2)刀具几何参数的合理选择。通过调整前后角度、主副偏角、叶片倾角等角度；确保刀刃和齿尖具有良好的强度。刃口磨负倒角是防止崩刀的有效措施。

3)保证焊接和打磨的质量，避免因焊接和打磨不良造成的各种缺陷。关键工序中使用的工具应打磨以提高表面质量，并检查是否有裂纹。

4)合理选择切削参数，避免切削力过大，切削温度过高，防止刀具损坏。

5)尽可能保证工艺系统具有良好的刚性，减少振动。

6)采取正确的操作方法，尽量使刀具不承受或少承受突加载荷。

05

刀具崩刃的原因及对策

1.刀片品牌和规格选择不当，如刀片厚度太薄或粗加工时选择了太硬太脆的品牌。

对策:增加叶片厚度或垂直安装叶片，选择抗弯强度和韧性较高的品牌。

2.刀具几何参数选择不当(如前后角过大等。).

对策:

该工具可以从以下几个方面进行重新设计。

1)适当减小前后角。

2)采用较大的负叶片倾角。

3)减小主偏角。

4)采用较大的负倒角或切削刃圆弧。

5)研磨过渡切削刃以增强尖端。

3)叶片焊接工艺不正确造成焊接应力过大或焊接裂纹。

对策:

1)避免三面封闭的叶片槽结构。

2)焊料的正确选择。

3)避免用氧乙炔焰加热焊接，焊后保温消除内应力。

4)尽可能使用机械夹紧结构。

4.磨削方法不当造成磨削应力和磨削裂纹；PCBN铣刀磨削后，刀齿振动过大，使个别刀齿负荷过重，也会造成切削。

对策:

1)采用间歇磨削或金刚石砂轮磨削。

2)选择较软的砂轮，经常修整，保持锋利。

3)注意磨削质量，严格控制铣刀齿的摆动。

5.切削用量选择不合理，用量过大会闷机床；断续切削时，切削速度过高，进给量过大，且毛坯余量不均匀，切削深度过小；切割高锰钢和其他加工硬化倾向高的材料时，进给速度太小。

对策:重新选择切割参数。

6.结构原因，如机械夹刀的刀槽底面不平或刀片伸出过多。

对策:

1)修整刀具槽的底部。

2)合理布置切削液喷嘴的位置。

3)硬化刀杆，并在刀片下方添加硬质合金垫圈。

7.工具过度磨损。

对策:及时更换刀具或刃口。

8.切削液流量不足或加注方法不正确，导致刀片突然发热开裂。

对策:

1)增加切削液的流量。

2)合理布置切削液喷嘴的位置。

3)采用喷雾冷却等有效的冷却方式，提高冷却效果。

4)使用*切割减少对刀片的冲击。

9.刀具安装不正确，如:刀具安装过高或过低；端面铣刀采用不对称铣削等。

对策:重装刀具。

10.工艺系统刚性太差，导致切削振动过大。

对策:

1)增加工件的辅助支撑，提高工件的夹紧刚性。

2)减少刀具的伸出长度。

3)适当减小刀具后角。

4)采取其他减振措施。

11.操作不慎，比如刀具切过工件中间时，用力过猛；当刀没有退回时，停车。

对策:注意操作方法。

06

泥石流堆积的原因、特点及防治措施

1.形成原因

在靠近切削刃的部分，在刀具-切屑接触区域，切屑的底部金属由于高压力而嵌入前刀面上的微观不均匀的峰和谷中，形成真正的金属与金属的无间隙接触，导致结合。工具-芯片接触区域的这一部分被称为粘合区域。在键合区域，芯片底部的前刀面上会有一层薄薄的金属材料堆积。这种用于切屑切割的金属材料在适当的切割温度下经历了剧烈的变形和强化。随着切屑的不断流出，在后续切削的流动推动下，这层停滞的物质从上层切屑上滑开，成为切屑堆积的基础。然后，在其上形成第二层停滞的切削材料，从而形成堆积的碎屑。

2.特征及其对切削加工的影响

1)硬度比工件材料高1.5~2.0倍，可以代替前刀面进行切削，这样可以保护切削刃，减少前刀面的磨损。但当切屑块的碎屑脱落时，会流过刀具与工件的接触区域，造成刀具前刀面的磨损。

2)切屑瘤形成后刀具前角明显增大，对减小切屑变形和切削力有积极作用。

3)实际切削深度增加，并且工件的尺寸精度受到影响，因为碎屑块突出超过切削刃。

4)切屑堆积会在工件表面造成“犁沟”现象，影响工件表面粗糙度。

5)积屑瘤的碎屑会粘结或嵌入工件表面，产生硬斑，影响工件的加工表面质量。

从以上分析可以看出，切屑堆积对切削，尤其是精加工是不利的。

3.管理措施

在切屑底部材料和前刀面之间没有结合或变形强化的情况下，可以避免切屑堆积的产生。为此，可以采取以下措施。

1)降低前刀面的粗糙度。

2)增加刀具的前角。

3)减少切割厚度。

4)采用低速切削或高速切削，避免易形成屑块的切削速度。

5)对工件材料进行适当的热处理，以提高其硬度，降低其塑性。

6)使用防粘性能好的切削液(如含硫、氯的极压切削液)。