数控铣刀的磨损失效成因及刀具寿命影响分析

程良

【摘要】本文讨论了磨损发生的种各种典型情况。并通过划分了铣刀磨损的四个阶段，并给出了数控铣刀具磨钝标准，最后建立新刀、轻微、稳定、急剧磨损阶段的铣刀磨损量对应范围。研究了切削三要素对刀具寿命的影响，两种典型刀具寿命的经验分析法，并指出最大生产率使用寿命法和经济使用寿命法确定刀具寿命的局限性与不足。

【关键词】数控铣刀 磨损 成因

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）50-0253-02

一、刀具的磨损发生部位

1.铣刀的前刃及刀尖磨损。在高速铣削塑性材料时，形成在塑性材料的高热会使得铣刀前刃面上形成月牙洼磨损现象。以接触磨损面产生的高热区最易发生，并进行四周扩散。当铣刀上的月牙洼发展到刀具棱边时，刀刃强硬度性显著下降，从而出现破损现象。目前对于前刃部发生的月牙洼磨损现象KT表示最大深度。

2.后刃面磨损。数控铣削工件时，工件的过渡表面与刀具后面接触，接触应力产生突变，由较大的切削应力突变为极小的切削过渡带，在后刀面产生的应变较大，形成刀具的后刀刃磨损。后刀刃上的磨损棱带均匀性较差，出现较大的变化趋势及波动。

3.铣刀前后刃面同时磨损或边界磨损。铣刀前后刃面同时磨损形态主要是发生在切削塑性毛坯时，当其hD=0.1～0.5mm会形成该现象；所谓的磨损或边界磨损是指在切削硬度较高的铸钢件、毛坯锻件等表面粗糙度差的工件时，在主、副切削刀刃处，常会磨出较深的沟。有两种原因会产生边界磨损：

（1）数控铣削时，主切削刃与工件接触切削刃应力不等，应力波动较大，从而使刀具产生极大的应变。同时前刃处积聚较高切削温度，而其它切削部位受到良好的冷却，造成温度梯度较高，切应力过大，从而在主后刀面上产生边界磨损。

（2）在加工硬化作用下，副切削刃处变薄为零导致前刀刃产生打滑现象，边界磨损反映在副后刀面上。

二、铣刀磨损的典型成因

1.机械接触磨损效应——硬质点磨损。毛坯表层中形成的碳化物、氮化物、氧化物及加工硬化、积屑瘤等形成的硬化物或硬化现象等将铣刀切削部分表面上擦伤，形成一道道磨损沟纹称之为硬质点磨损，为低速铣刀具磨损的主要成因。

2.物理磨损效应——黏结磨损。在高压高温下，毛坯等硬度较低的材料其原子及晶料附着于铣刀上，且当铣刀材料内部存在空隙、局部软点等缺陷时，最终导致黏结点处刀具材料被撕裂，刀具与毛坯材料的亲和力、切削温度、硬度比、刀具表面形状等因素是决定黏结磨损的主要因素。

3.扩散磨损。由于数控铣削的切削速度高，常伴随着较高的温度，而较高的温度会导致各种材料的化学不稳定，如铣刀内部的不同材料间的化学反应、毛坯与铣刀接触处不同材料之间的化学反应。

4.化学磨损。所谓的化学磨损主要成因是在铣削高温条件下，氧气、切削液等易于刀具材料发生化学反应而导致刀具硬度降低、刀具的磨损加快的现象称为化学磨损。

三、铣刀的突然性破损

1.塑性破损

（1）卷刃。卷刃是高硬刀具如高速工具钢在精加工时易发生的突然性破损形式。（2）刀面隆起。工具钢、高速工具钢等材料的铣刀在加工硬材料的情况下或者切削用量过大时，会产生前、后切削部之间发生突然性隆起现象。

2.脆性破损

（1）崩刃。硬质合金铣刀由于本身制造缺陷如內部微裂纹，在数控铣削断续切削条件下，碰掉刀刃的一小块，并不影响加工继续进行的现象，称之为崩刃，这种现象虽然短期内不会使加工中断，但会导致加工表面质量急剧变差。（2）碎断。碎断现象是数控铣刀在刀尖处或主切削刃处，发生的突然性断裂现象，铣刀发生这种情况后不能再重磨使用。

四、刀具磨损阶段及磨钝标准

1.刀具的磨损阶段

（1）初期磨损阶段。主要由于新刀内部缺陷引起，并且刃部较锋利，与毛坯接触面小且应力较为集中于刀尖部位，导致刀尖磨损较快。

（2）正常磨损阶段。在此阶段内，由于刀具经过了磨合期，刀尖已磨平，刀具与毛坯接触较为均匀，单位面积上的受力较小，故磨损较慢，是刀具有效加工的主要寿命期。

（3）急剧磨损阶段。刀具磨损量随着时间累积伴随切削力、切削温度快速升高，刀具磨损量突然增加且并伴有噪声等现象。

2.刀具的磨钝标准

刀具磨损后必将影响加工效果如工件报废、表面粗糙度下降及尺寸、形位精度下降，因此必须根据铣削加工情况规定铣刀一个最大允许的磨损量，即为磨钝标准。磨钝标准可根据不同加工场合如粗精加工进行调整。

五、结论

当前，采用上述刀具寿命的两种方法仅能从经济角度或者从生产率角度并结合经验描述刀具使用寿命，但并未从实际发生的刀具磨损状况对刀具寿命进行正确的监测，因此，在当前最大化节约刀具成本并保证生产率的前提下，开发出一种能依据刀具实际磨损量来正确判断刀具的使用寿命的方法成为一种必然。

参考文献：

[1]张宝金，宋书善.基于刀具状态的切削力模型研究[J].工具技术，2016.

[2]邱炎儿.浅谈数控机床刀具磨损的监测方法[J].长春理工大学学报，2010.