刀具磨损及应对措施

刀具磨损是切削加工中最基本的命题之一。定义和了解刀具磨损，可以帮助刀具制造商和用户延长刀具寿命。此外，当今的刀具涂层技术(包括采用新的合金元素)提供了进一步延长刀具寿命的有效手段，同时可以显著提高生产率。 
刀具磨损机理 
在金属切削加工中，产生的热量和摩擦是能量的表现形式。由很高的表面负荷以及切屑沿刀具前刀面高速滑移而产生的热量和摩擦，使刀具处于一种极具挑战性的加工环境中。 
切削力的大小往往会上下波动，主要取决于不同的加工条件(如工件材料中存在硬质成份，或进行断续切削)。因此，为了在切削高温下保持其强度，要求刀具具有一些基本特性，包括极好的韧性、耐磨性和高硬度。 
尽管刀具/工件界面处的切削温度是决定几乎所有刀具材料磨损率的关键要素，但要确定计算切削温度所需的参数值却十分困难。不过，切削试验的测量结果可以为一些经验性的方法奠定基础。 
通常可以假定，在切削中产生的能量被转化为热量，而通常这些热量的80%都被切屑带走(这一比例的变化取决于几个要素——尤其是切削速度)。其余大约20%的热量则传入刀具之中。即使在切削硬度不太高的钢件时，刀具温度也可能会超过550℃，这是高速钢在硬度不降低的前提下能够承受的最高温度。用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬钢时，刀具和切屑的温度通常将超过1000℃。 
刀具磨损与刀具寿命 
刀具磨损通常包括以下几种类型：①后刀面磨损;②刻划磨损;③月牙洼磨损;④切削刃磨钝;⑤切削刃崩刃;⑥切削刃裂纹;⑦灾难性失效。 
对于刀具寿命，并没有被普遍接受的统一定义，通常取决于不同的工件和刀具材料，以及不同的切削工艺。定量分析刀具寿命终止点的一种方式是设定一个可以接受的最大后刀面磨损极限值(用VB或VBmax表示)。刀具寿命可用预期刀具寿命的泰勒公式表示，即 
VcTn=C 
该公式的一种更常用的形式为 
VcTn×Dxfy=C 
式中，Vc为切削速度;T为刀具寿命;D为切削深度;f为进给率;x和y由实验确定;n和C是根据实验或已发表的技术资料确定的常数，它们表示刀具材料、工件和进给率的特性。 
不断发展的最佳刀具基体、涂层和切削刃制备技术对于限制刀具磨损和抵抗切削高温至关重要。这些要素，加上在可转位刀片上采用的断屑槽和转角圆弧半径，决定了每种刀具对于不同的工件和切削加工的适用性。所有这些要素的最佳组合能够延长刀具寿命，使切削加工更经济、更可靠。 
改变刀具基体 
通过在1-5μm范围内改变碳化钨的粒度，刀具制造商可以改变硬质合金刀具的基体性能。基体材料的粒度对于切削性能和刀具寿命起着重要作用。粒度越小，刀具的耐磨性越好。反之，粒度越大，刀具的强韧性越好。细颗粒基体主要用于加工航空牌号材料(如钛合金、Inconel合金和其他高温合金)的刀片。 
此外，将硬质合金刀具材料的钴含量提高6%-12%，可以获得更好的韧性。因此，可以通过调整钴含量来满足特定切削加工的要求，无论这种要求是韧性还是耐磨性。 
刀具基体的性能还可以通过在接近外表面处形成富钴层，或者通过在硬质合金材料中有选择性地添加其他合金元素(如钛、钽、钒、铌等)而获得增强。富钴层可以显著提高切削刃强度，从而提高粗加工和断续切削刀具的性能。 
此外，在选择与工件材料和加工方式相匹配的刀具基体时，还表现考虑另外5种基体特性——断裂韧性、横向断裂强度、抗压强度、硬度和耐热冲击性能。例如，如果硬质合金刀具出现沿切削刃崩刃的现象，就应该选用具有较高断裂韧性的基体材料。而在刀具出现切削刃直接失效或破损的情况下，可能采用的解决方案是选用具有较高横向断裂强度或较高抗压强度的基体材料。对于切削温度较高的加工场合(如干式切削)，通常应该首选硬度较高的刀具材料。在可以观察到刀具产生热裂纹的加工场合(在铣削加工中最常见)，建议选用耐热冲击性能较好的刀具材料。