刀具破損原因探析

【摘要】刀具破損是刀具損壞的常見形式。本文主要研究了刀具破損可能的原因，并著重分析了機械應力和熱應力對于刀具破損的影響，認為刀具在發生早期破損時，主要是因為機械沖擊的原因，同時提出了相應的措施來防止或減少刀具破損。

【關鍵詞】刀具破損；機械應力；熱應力；斷續切削

刀具破損是刀具主要損壞的形式之一，特別是在用脆性大的刀具材料制成的刀具進行斷續切削，或者加工高硬度材料等的情況下，刀具的脆性破損就更加嚴重。據統計，硬質合金刀具約有50%～60%的損壞是脆性破損，陶瓷刀具的破損比例更高。因此我們要對刀具破損引起足夠的重視，分析刀具破損的原因，從而采取相應的措施來防止或減少刀具破損。刀具破損是典型的隨機現象。因此對于刀具破損，如果單純從理論上由數學和力學方法加以簡化，推導出發生破損的條件，與實際有較大的出入。但可以對機械和熱沖擊在刀片（刀具的切削部分）內產生的應力狀態做一定的分析計算，以說明刀具發生破損的原因。

一、機械應力

切削時，在機械載荷作用下，刀片內引起很大的應力。應力的大小可用彈性力學的應力函數法、有限元法來求解。我們發現正前角時有拉、壓兩個應力區。在前刀面一定區域內受拉應力，而在后刀面受壓應力。在前刀面上離刀刃2～2.5倍的刀—屑接觸長度附近，拉應力最大。如果拉應力超過材料的抗拉強度，就會在拉應力區域內的刀具材料最薄弱的地方首先發生裂紋或者立即破損。如果減小前角甚至采用負前角，則拉應力區縮小或者全部成為壓應力區。因此較小的前角或負前角（后角一定時即大的楔角）能提高刀具的抗破損能力。當然如果壓應力過大，超過刀具材料的抗壓強度，也會發生破損。在切削用量中，切削速度和切削厚度對刀片內應力狀態都有影響，其中切削厚度的影響比切削速度大。小時，沖擊載荷小，同時集中作用在切削刃附近，刀—屑接觸長度短，主要是壓應力。隨著增加，沖擊載荷加大，刀—屑接觸長度大，拉應力區和拉應力值加大。同時因大，進給速度加快，單位時間的沖擊能量增加，所以容易發生破損。對一定的刀具和工件材料，都有一個破損的臨界切削厚度值，一般高速鋼刀具最大，硬質合金刀具次之，陶瓷刀具再次，金剛石刀具抗破損能力最差。但應該注意，刀具材料的沖擊韌性和抗彎強度都是靜態測試條件下獲得的強度指標，其測試條件與切削過程中的實際載荷性質有很大的不同。所以刀具材料的靜態強度指標往往與實際的抗破損能力不能完全相符。刀具的破損與斷續切削時的切入切出條件有關。例如端銑淬硬鋼時，以對稱銑削最好，偏距不大的逆銑也較好，而順銑最容易發生破損，陶瓷刀具更加嚴重。因為這種工件材料硬度高，切入時的沖擊力大，產生很大的應力。但逆銑普通材料時，切出時以極大的速度釋放沖擊能，致使產生相反的力將刀刃拉斷，因此對于普通材料順銑較好。斷續切削時，刀具由于受到交變載荷的作用，降低了刀具材料的疲勞強度，因此刀具在較長時間的斷續切削之后，會很容易引起機械疲勞裂紋。

二、熱應力

斷續切削時，由于切削與空切的交替變化，使得刀具表面上的溫度發生周期性變化。空切時，前刀面上受冷卻而使溫度降低，進而冷縮形成受拉應力；切削時，前刀面受熱而使溫度上升，進而熱脹形成受壓應力。拉、壓應力交替作用，致使刀具產生熱裂現象。冷、熱溫度差越大，導熱系數越低，越容易形成裂紋。圖1所示為陶瓷刀具端銑淬硬鋼時的切削溫度和熱應力的分布情況。空切時，前刀面的拉應力最大，從前刀面到刀片內部逐漸減小。如果前刀面交替發生熱脹和冷縮現象引起的應力，超過刀具材料強度，就容易產生裂紋。裂紋通常都是在前刀面上離刀刃有一定距離的最熱位置上開始的，然后擴展，橫過刀刃，一直發展到后刀面上。硬質合金銑刀就常發生很多這樣的裂紋。如果裂紋非常多，可能連接起來，使刀刃破損；也可能引起應力集中，在機械沖擊作用下，使刀片斷裂。

計算和實驗數據結果顯示，刀具在發生早期破損時，主要是因為機械沖擊的原因，與熱應力的影響關系較小。由文章的分析我們可以得出，為了防止或減小刀具的破損，首先是要提高刀具材料的強度和抗熱震性能，但對于一定刀具材料而言，我們最主要的是選用抗破損能力大的刀具合理幾何形狀和切削條件。

參 考 文 獻

[1]劉力田．面銑刀刀片破損原因的探討[J]．汽輪機技術．2007（8）

[2]趙云振，黨慶波，李廣慧．硬質合金刀具斷續切削破損原因的探討[J]．煤炭技術．1998（1）