车刀磨损的原因及改进措施研究

（蚌埠士官学校机械系，安徽 蚌 埠 2 33012）

在车削加工中，车刀失效的原因很多，其中磨损是其主要原因。磨损主要发生在车刀的前刀面和后刀面。在前刀面一般出现月牙洼磨损，随着月牙洼宽度的扩大，切削刃的强度大为减弱，最终导致崩刃现象；在后刀面，由于车刀的后刀面与工件间存在着强烈摩擦，在切削刃的下方很快被磨出后角为零的小棱面，使切削力和切削热增大和增加，甚至产生振动，造成刀具失效和加工表面品质恶化，严重影响加工品质和生产效率。下面结合工作实践，对车刀磨损的原因提出改进措施。

1 磨料磨损

1.1 磨损成因

在工件材料中含有一些硬度极高的硬质点，可在车刀的前、后刀面刻划微细的沟纹，众多的沟纹就形成了车刀的磨料磨损。工件材料中的硬质点主要有Fe3C、TiC、和VC等碳化物，TiN、Si3N4等氮化物，SiO2、Al2O3等氧化物。这些化合物在高碳钢和合金钢中存在比较多，在切削加工过程中，它们如同砂轮磨削原理一样不断磨削刀具表面，特别对于在低速车削高碳钢和合金钢时，磨料磨损常是磨损的主要原因。

1.2 改进措施

避免磨料磨损不易实现，但可以通过不同方式减小磨料磨损程度。

（1）选择高硬的车刀材料

硬度越高车刀越能承受磨料磨损，如硬质合金车刀硬度达70~75 HRC，陶瓷车刀硬度可达91~95 HRC，它们比高速钢车刀更能耐受磨料磨损。

（2）用油石研磨刀具

刀具表面光洁度越高，越能降低摩擦，可有效降低磨料磨损。如用高速钢刀具加工钢件时，常会见到工件表面出现亮点，或听到切削声音发闷、沉重或不正常尖叫，这说明车刀磨料磨损在加剧，车刀在“硬啃”，应及时用油石背刀，恢复刀刃的光洁度。

（3）合理选用切削液

选用润滑性好的切削液也可有助于减少磨料磨损。切削液的作用是在车刀的前后刀面上形成一层润滑薄膜，以减少切屑和工件与前后刀面间的摩擦系数，从而减少磨擦，减少磨料磨损。为了充分发挥切削液的润滑作用，形成牢固的吸附润滑膜，即使在高温、高压及剧烈摩擦条件下也不至于被破坏，可在切削液中加入油性添加剂（如皂类、脂肪酸等）或极压添剂（如硫化油、氯化石蜡等）。一般含油性添加剂的切削液仅适用于低速轻负荷的场合；含硫的切削液可耐1 000℃左右的高温；含氯的切削液可耐600℃左右的高温。

2 冷焊磨损

2.1 磨损成因

在车削时，切屑、工件与前、后刀面之间，会产生很大的压力和剧烈的摩擦，在接触面间会产生冷焊，也就是积屑瘤形成的原因。在相对运动中，冷焊结破裂后被带走，在车刀表面形成凹坑，这就是冷焊磨损。

2.2 改进措施

（1）控制好切削速度

实践表明，冷焊磨损一般在中等偏下的切削速度时比较严重。在高速钢车刀正常工作的切削速度和硬质合金车刀偏低的切削速度下，冷焊最易发生，这时冷焊磨损是车刀磨损的主因。在精车时，为了提高刀具的使用寿命，硬质合金精车刀的切削速度提高到νc>150 m/min，高速钢刀具要到νc<10 m/min，车刀的冷焊磨损就会减轻。

（2）对工件进行适当热处理，提高工件的硬度

脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强，像中、低碳钢等钢料更易产生冷焊。所以，车削加工前应对中、低碳钢等钢料提前进行正火、调质等热处理，适当提高中、低碳钢等钢料的硬度，降低其塑性，可大大抑制冷焊的发生，降低刀具冷焊磨损的程度。

另外，选用大前角车刀，用油石精研车刀的前刀面，减少进给量，选用润滑作用较好并有冷却作用的切削液，采用振动切削等，这些措施都可以减少冷焊的发生机率，对刀具的使用寿命有很大的提高。

3 扩散磨损

3.1 磨损成因

在车削金属时，车刀与切屑、工件在高温、高压的接触中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了车刀表层的材料成分和结构，使车刀表层丧失了原有车刀材料的硬度和强度，变得更加脆弱，从而加剧车刀磨损。有时车刀材料中的碳化物溶解到切屑或工件中，也会形成扩散磨损。

3.2 改进措施

根据加工材料的不同，选用合适的刀具。例如用硬质合金车刀车削钢料，在车削温度达到800℃后，硬质合金中的钴会迅速地扩散到刀屑、工件中，WC会分解为碳和钨后工件中，工件中的铁和碳则向硬质合金中扩散，形成新的低硬度、高脆性的复合碳化物，从而加剧车刀的磨损。硬质合金车刀中，钛元素的扩散比钴、钨慢，TiC又不易分解，因此，在车削钢质工件时，YT类硬质合金车刀的抗扩散磨损能力高于YG类硬质合金车刀，当然TiC、TiN涂层的硬质合金会更好，所以这类刀具的耐磨性也更好。又如用金刚石车刀车削钢铁等铁族材料时，当车削温度达700℃时，金刚石中的碳原子将会快速扩散到工件中形成新的铁碳合金，而金刚石车刀表面碳原子的结构排列发生变化，即形成石墨化，造成金刚石车刀严重磨损而丧失车削能力，但金刚石车刀与钛合金之间的扩散作用小，所以，钛合金切削加工可选用金刚石车刀。新推广使用的刀具如氧化铝陶瓷和立方氮化硼车刀车削钢类工件时，即使车削温度达1 300℃，扩散作用也不明显，所以这类刀具抗扩散磨损能力更高，当然，其价格也更昂贵。

4 氧化磨损

4.1 磨损成因

氧化磨损就是当切削温度在700~800℃之间时，空气中的氧会与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化反应，生成较软的氧化物膜，这层薄膜会被切屑或工件擦掉而形成磨损。

4.2 改进措施

如果在切削区大量加注切削液冷却，可有效降低氧化反应速度，同时切削液能将刀具、工件和空气隔离开来，可减少氧气与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等的接触机会，从而可减少氧化磨损。

5 结束语

总之，在不同材料工件、不同材料车刀和和不同切削条件下，磨损原因和强度是不同的，在刀具磨损中，扩散磨损往往与冷焊磨损、磨料磨损同时发生，造成快速磨损。但切削温度对车刀的磨损起着决定性作用：高温时扩散磨损和氧化磨损强度高；中低温时冷焊磨损占主导作用，磨料磨损则在不同切削温度下都存在。因此，在实际车削加工中应综合考虑各种工况，采取相应的有效措施来减少车刀磨损，以提高加工品质和生产效率。

[1]上海市金属切削学会.金属切削手册（第3版）[M].上海：上海科学技术出版社，2006.

[2]《金属切削理论与实践》编委会.金属切削理论与实践（第2版）[M].北京：北京出版社，1985.

[3]肖诗纲.刀具材料及其合理选择（第2版）[M].北京：机械工业出版社，1990.

[4]周泽华.金属切削原理[M].上海：上海科学技术出版社，2002.