使用新購(gòu)買(mǎi)的刀具或重磨的刀具一段時(shí)間后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)已加工表面粗糙度增大，切屑的顏色、形狀和初始切削時(shí)不同，切削溫度升高，切削力增大，切削加工系統(tǒng)甚至出現(xiàn)振動(dòng)或不正常的聲響。上述現(xiàn)象表明刀具已發(fā)生嚴(yán)重磨損，必須更換新刀或重新進(jìn)行刃磨。
刀具磨損是切削加工過(guò)程中不可避免的現(xiàn)象，但刀具磨損過(guò)快或發(fā)生非正常磨損(也稱(chēng)破損)，必然會(huì)影響加工質(zhì)量，增加刀具消耗，使生產(chǎn)效率降低，加工成本提高。因此，通過(guò)研究刀具磨損，可制訂合理的切削加工方案，提高生產(chǎn)效率和零件加工質(zhì)量，并有利于降低加工成本。
為了能使刀具經(jīng)久耐用，盡量減少磨損，需要了解各種切削因素對(duì)刀具磨損的影響。影響刀具切削性能的主要因素有：刀具幾何參數(shù)(后角、前角、主偏角、刀尖圓弧半徑等)、刀具材料、切削用量、工件材料及其機(jī)械性能等。這些因素中工件材料屬于不可控因素，改變其它因素的屬性可控制刀具的磨損形式及磨損率，如通過(guò)改變工件材料的熱處理狀態(tài)可改變工件材料的機(jī)械性能，從而影響刀具的磨損；選擇合理的刀具材料和刀具幾何參數(shù)也可改善刀具磨損；生產(chǎn)上一般還可通過(guò)合理選擇切削用量來(lái)減少刀具磨損，提高刀具的使用壽命。
要知道如何合理選擇上述可控因素，還需要分析刀具失效的形式及其產(chǎn)生機(jī)理。刀具失效的形式(圖1)可分為正常磨損和非正常磨損兩大類(lèi)：正常磨損是在切削過(guò)程中，刀具切削刃、前刀面、后刀面分別與加工表面、切屑和已加工表面接觸，在接觸區(qū)里受切削力和切削熱的耦合作用，并發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦產(chǎn)生的，切削刃、前刀面和后刀面都會(huì)產(chǎn)生磨損。正常磨損時(shí)，刀具的磨損量隨切削時(shí)間增長(zhǎng)而均勻地增加。刀具的先期破壞或使用過(guò)程中的剝落、突然崩刃、卷刃或刀片的整個(gè)破裂都稱(chēng)之為非正常磨損。
圖1 刀具失效形式
刀具正常磨損主要是由以下幾種原因造成的：
1) 磨料 磨損是切屑或工件表面存在硬質(zhì)點(diǎn)(如碳化物顆粒以及積屑瘤碎片等)在刀具表面(前刀面和后刀面)上劃出溝紋而造成的磨損。低速切削時(shí)，其它原因產(chǎn)生的磨損不明顯，因此對(duì)低速切削的刀具而言， 磨料 磨損是刀具磨損的主要原因:
2) 黏結(jié)磨損是切削時(shí)切屑和工件材料沿刀具前、后刀面移動(dòng)，破壞了刀具表面的氧化層和其它吸附膜，特別是剛從工件材料內(nèi)部切削出的新鮮表面間形成強(qiáng)烈黏結(jié)造成的磨損。切削速度與黏結(jié)磨損之間存在著非常復(fù)雜的關(guān)系，一般黏結(jié)磨損主要發(fā)生在中等切削速度范圍內(nèi)，刀具材料與工件材料之間的親和力、刀具材料和工件材料之間的硬度比以及刀具材料組分、晶粒粗細(xì)、刀具表面狀態(tài)和切削液類(lèi)型等都影響刀具黏結(jié)磨損速度；
3) 擴(kuò)散磨損是由于切屑、工件與刀具前、后刀面在高溫、高壓下接觸且有較大的化學(xué)活性，接觸面上的化學(xué)元素互相擴(kuò)散到對(duì)方去，改變了兩者的化學(xué)成分和材料結(jié)構(gòu)而形成的磨損。擴(kuò)散磨損一般與黏結(jié)磨損同時(shí)發(fā)生。由于每種元素的擴(kuò)散速度是不同的，因此擴(kuò)散磨損的程度與刀具材料的組分有很大關(guān)系，另外擴(kuò)散的速度與溫度也有很大關(guān)系，溫度越高，則擴(kuò)散越快，因此擴(kuò)散磨損主要發(fā)生在高速切削速度范圍內(nèi)。
4) 其它磨損如溶解磨損、氧化磨損等。
可見(jiàn)刀具磨損產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，牽涉到機(jī)械、熱、化學(xué)、物理等各種因素，在不同的工件材料、刀具材料和切削條件下，磨損的原因和磨損程度是不同的，對(duì)于一定的工件材料與刀具材料組合，切削溫度對(duì)刀具磨損具有決定性的影響。
刀具發(fā)生非正常磨損的原因也很多，主要有：
1) 刀具材料的韌性或硬度太低；
2) 刀具的結(jié)構(gòu)或幾何角度不合理，使得切削刃過(guò)于脆弱或切削力過(guò)大；
3) 切削用量選擇不合理，使切削力太大或切削溫度太高；
4) 刀具由于驟熱驟冷(如斷續(xù)切削、冷卻液等)產(chǎn)生太大的熱應(yīng)力以致出現(xiàn)裂紋；
5) 操作不當(dāng)?shù)仁骨邢魅惺艿酵蝗粰C(jī)械或熱沖擊，以致崩刃、熱裂等。
圖2 刀具后刀面磨損
由于后刀面磨損(如圖2所示)可以較準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)報(bào)，刀具壽命較易控制，因此也是期望發(fā)生的失效形式。切削力增加或切削速度升高引起的切削溫度增加均會(huì)使后刀面磨損加劇。刀具使用壽命通常用其后刀面磨損帶的寬度VB來(lái)表示，如圖3所示。
圖3 刀具后刀面磨損的典型曲線
機(jī)械磨損引起的剝落既發(fā)生在前刀面，也發(fā)生在后刀面。發(fā)生在前刀面上的剝落區(qū)域一般比發(fā)生在后刀面上的剝落區(qū)域小，如圖4所示。
熱擴(kuò)散也會(huì)導(dǎo)致前、后刀面的剝落，如圖5所示。
前刀面剝落 后刀面剝落
圖5 熱擴(kuò)散引起的剝落
刀具的非正常磨損即剝落破損或刀刃的斷裂通常發(fā)生在斷續(xù)切削過(guò)程中，加工系統(tǒng)剛性差時(shí)也會(huì)發(fā)生刀具破損。增加刀具材料的韌性(增加硬質(zhì)合金刀具材料中黏結(jié)相鈷的含量，或增加TiC及TaC等的含量)可有效避免刀具破損的發(fā)生。另外，增加刀具結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，增大加工系統(tǒng)的剛性都會(huì)減少刀具發(fā)生破損的概率。
圖6 邊界磨損邊界磨損
(圖6)一般發(fā)生在切削深度方向與工件表層相接觸的切削位置，是局部的剝落及前刀面月牙洼磨損，在加工不銹鋼、高溫合金、淬硬材料、表層較硬或很軟的鋼時(shí)，容易發(fā)生邊界磨損。為了減小這類(lèi)刀具磨損，可采用CVD涂層刀具；增加硬質(zhì)合金刀具材料中黏結(jié)相鈷的含量(如富鈷類(lèi)硬質(zhì)合金)，也可減小這類(lèi)刀具磨損。
圖7 刀具失效分析
總之，刀具失效的影響因素、失效形式及產(chǎn)生機(jī)理都是非常復(fù)雜的。生產(chǎn)上，可從觀察刀具失效形式入手，分析其失效機(jī)理，找出影響因素，提出相應(yīng)的減少刀具失效的措施(如圖7)。
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