刀具磨损与破损的原因及监控

一、刀具磨损的形态及其原因

在切削过程中，刀具切除工件上的金属层，同时工件与切削对刀具作用，使刀具磨损。刀具严重磨损，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。

刀具损坏形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属于正常磨损；后者包括脆性破损(如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等)和塑性破损两种，一般是随机的突发破坏，属于非正常磨损。

刀具磨损和刀具破损的本质区别在于刀具磨损是不可避免的，而且磨损是刀具缓慢失效的过程，而刀具破损在生产中是可以避免的，而且破损会使刀具迅速失效。

刀具磨损的形式有以下几种：

（1）前刀面磨损：前刀面磨损会削弱刀刃强度，降低加工质量。

（2）后刀面磨损：后刀面磨损在切削力增大时，切削温度升高，产生振动，降低加工质量。

（3）边界磨损：边界磨损主要是由于工件在边界处的加工硬化层、硬质点和刀具在边界处的较大应力梯度和温度梯度所造成的。

从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的，热、化学磨损则是由粘结(刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象)、扩散(刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方、腐蚀等)引起的。

二、刀具磨损过程

随着切削时间的延长，刀具磨损增加。根据切削实验，可得图示的刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。该图分别以切削时间和后刀面磨损量VB为横坐标与纵坐标。从图可知，刀具磨损过程可分为三个阶段，刀具磨损过程曲线如下图所示：

    (1)初期磨损阶段。刀具刃磨后在开始切削的短时间内，由于后刀面表面粗糙不平或表层组织不耐磨，所以磨损较快。

    (2)正常磨损阶段。刀具经过初期磨损以后，后刀面上很快被磨出一条窄的磨损带，接触面增大，压强减小，磨损量VB随切削时间增长缓慢而均匀的增大。这个阶段是刀具工作的有效期。

    (3)急剧磨损阶段。正常磨损后，如刀具不及时重磨，磨损急剧加速而使刀具很快变钝，继而刀具损坏。刀具使用时，应避免使刀具磨损进入这一阶段，否则刀具材料消耗大，很不经济。

三、刀具破损的形式

刀具破损和刀具磨损一样，也是刀具失效的一种形式。刀具在一定的切削条件下使用时，如果它经受不住强大的应力(切削力或热应力)，就可能发生突然损坏，使刀具提前失去切削能力，这种情况就称为刀具破损。

破损是相对于磨损而言的。刀具的破损有早期和后期(加工到一定的时间后的破损)两种。刀具破损的形式分脆性破损和塑性破损两种。硬质合金和陶瓷刀具在切削时，在机械和热冲击作用下，经常发生脆性破损。脆性破损又分为：

（1）崩刀：有“微崩”和“崩碎”两种情况。

（2）碎断：当切削用量过大，有严重冲击载荷，或操作不当或刀片、刀体材料有严重缺陷，都可能使刀具产生碎断。

（3）剥落：如果刀具表层组织存在缺陷或有潜在裂纹，或由于刃磨不当而产生较大的残余应力，则在切削过程中刀具易产生“表层剥落”。

（4）裂纹破损：刀片承受交变载荷或交变热负荷时，由于切削部分表面反复热胀冷缩，产生交变热应力，严重时会导致刀片疲劳开裂。

四、刀具状态的监控

如前所述，刀具损坏的形式主要是磨损和破损。在现代化的生产系统(如FMS、CIMS等)中，当刀具发生非正常的磨损或破损时，如不能及时发现并采取措施，将导致工件报废，甚至机床损坏，造成很大的损失。因此，对刀具状态进行监控非常重要。

刀具破损或者刀具磨损的检测一般采用离线方式，用专门的检测装置检查刀具切削后是否有破损或者磨损发生，以及破损或者磨损的程度，如切削功率检测方法，两者检测原理如下：

（1）刀具磨损检测的原理：锋利的刀具切削功率小，刀具磨损后切削功率增大，在正常切削时，传感器检测切削功率的变化幅度，可以判断刀具的磨损程度。

（2）刀具破损检测的原理：当传感器检测切削功率突然增大或者突然下降很大幅度时，则表示刀具发生了破损。