高速钢刀具的磨损机理1：概况金属切削在高强度、高接触压力、高温以及难切削工件材料的强烈化学侵蚀的条件下，对刀具材料提出了极高的要求。此外，刀具几何形状和切削条件（刃口的微崩、循环啮合和切削液的存在）也会增加严重性。大多数情况下，切削时刀具的使用已经接近极限，尤其是极限热应力和机械应力。尽管越来越多地使用高性能刀具材料（例如 CVD 和 PVD 涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石），但高速钢 (HSS) 仍然是＊常被用于金属切削刀具的材料。它具有相对较高的韧性以及经济地制造复杂几何形状刀具的可能性，证明高速钢在许多切削加工中的使用是合理的。粉末冶金材质的引入与电渣重熔（ESH）和物理气相沉积（PVD）涂层技术相结合，进一步提高了高速钢切削刀具的性能。2：切削过程为了了解金属切削中的磨损机理，有必要先简要了解切削刀具与工件材料表面处普遍存在的严酷接触条件。正交切削的模型，它适用于任何切削过程。包括车削、铣削、锯切、钻孔、攻丝、拉削等。刀具破损通过工件材料的塑性剪切以及工件材料相对于刀具后刀面和前刀面的相对滑动，建立温度曲线。主要热源位于成形切屑的主剪切区以及切屑与刀具之间的摩擦接触处（辅助剪切区），因此在距边缘一定距离的前刀面上达到＊高温度。在断续切削中，它们也可能在各个材料接合期间从入口到出口完全改变。一般来说，总切削力F与切削速度和进给量有关。这表明具有低摩擦系数的涂层可以降低切削力，从而降低刃口温度，进而提切削效率。大家从失效机制的类型中得知，高速钢切削刀具的使用接近其屈服应力和断裂应力极限。由于切削刃像翻地的犁一样强行穿过工件的内部，因此打开的“裂纹”的两个表面都代表具有高度化学反应性的金属。事实上，该区域无法接触到外部氧气或切削液，这意味着不会形成氧化膜或任何其他保护性夹层。因此，刀刃也暴露在极其恶劣的条件下。3：刀具材料特性3.1：高温强度金属切削刀具必须能够在高温下将高硬度（或高屈服强度）与高断裂强度结合起来。后者在断续切削中显得尤其重要。高导热率也是理想工具应该具有的特性，因为它会降低局部“热软化”的趋势。碳化物、氮化物和氧化物的高耐热性表明它们作为保护性薄 PVD 或 CVD 涂层的潜力，而且表明它们以小颗粒形式存在于刀具材料中时的强化能力。然而，它们在大多数加工材料中也很常见，作为强化元素，它们会导致磨粒磨损。3.2：断裂强度与硬度高硬度与脆性彼此相关，并且通过金属材料的马氏体硬化、硬质颗粒的分散等强化金属材料（例如HSS）＊常导致材料具有较低的断裂强度。4：高速钢切削刀具常用于的工件材料一般来说，使用高速钢刀具进行金属切削时，工件材料在宏观上比刀具软得多。然而，许多工件材料含有碳化物、氮化物或氧化物等成分，它们比 HSS 基体更硬 (HV 1500-3000) 且更耐高温，并且会导致刀具因磨损而退化。高韧性、大断裂伸长率（延展性）和加工硬化能力都会在切屑形成过程中产生高温。高温会降低高速钢刀具的强度，但也会促进化学反应以及在刀具和工件材料之间形成金属间相的可能性。这会增加这些材料之间的摩擦，从而进一步加剧情况。铣刀的月牙洼和后刀面磨损是主要磨损形式。箭头指向相对耐磨的高速钢材料的脊部。还有边缘断裂的证据。工件材料：C型钢。b) 切纸刀。刀具磨损主要是由硬质碳化物抵抗的极其细小的磨损在比较刀具材料与工件材料的机械性能时必须考虑的另一个事实是，切屑形成通常是在极高的剪切速率下发生的。考虑到高应变率，工作材料曲线被提升，使得碳钢相应的RT硬度可以很好地匹配切削刃在其工作温度下的硬度，如图中的两个椭圆所示。当热的刀具刃突然遇到冷的加工材料时，这种情况在断续切削中更加突出。

一、刀具破损1. 刀具破损的表现1） 切削刃微崩当工件材料组织、硬度、余量不均匀，前角偏大导致切削刃强度偏低，工艺系统刚性不足产生振动，或进行断续切削，刃磨质量欠佳时，切削刃容易发生微崩，即刃区出现微小的崩落、缺口或剥落。出现这种情况后，刀具将失去一部分切削能力，但还能继续工作。继续切削中，刃区损坏部分可能迅速扩大，导致更大的破损。2） 切削刃或刀尖崩碎这种破损方式常在比造成切削刃微崩更为恶劣的切削条件下产生，或者是微崩的进一步的发展。崩碎的尺寸和范围都比微崩大，使刀具完全丧失切削能力，而不得不终止工作。刀尖崩碎的情况常称为掉尖。3） 刀片或刀具折断当切削条件极为恶劣，切削用量过大，有冲击载荷，刀片或刀具材料中有微裂，由于焊接、刃磨在刀片中存在残余应力时，加上操作不慎等因素，可能造成刀片或刀具产生折断。发生这种破损形式后，刀具不能继续使用，以致报废。4） 刀片表层剥落对于脆性很大的材料，如TiC含量很高的硬质合金、陶瓷、PCBN等，由于表层组织中有缺陷或潜在裂纹，或由于焊接、刃磨而使表层存在着残余应力，在切削过程中不够稳定或刀具表面承受交变接触应力时极易产生表层剥落。剥落可能发生在前刀面，刀可能发生在后刀面，剥落物呈片状，剥落面积较大。涂层刀具剥落可能性较大。刀片轻微剥落后，尚能继续工作，严重剥落后将丧失切削能力。5） 切削部位塑性变型具钢和高速钢由于强度小硬度低，在其切削部位可能发生塑性变型。硬质合金在高温和三向压应力状态直工作时，也会产生表层塑性流动，甚至使切削刃或刀尖发生塑性变形面造成塌陷。塌陷一般发生在切削用量较大和加工硬材料的情况下。TiC基硬质合金的弹性模量小于WC基硬质合金，故前者抗塑性变形能力加快，或迅速失效。PCD、PCBN基本不会发生塑性变形现象。6） 刀片的热裂当刀具承受交变的机械载荷和热负荷时，切削部分表面因反复热胀冷缩，不可避免的产生交变的热应力，从而使刀片发生疲劳而开裂。例如，硬质合金铣刀进行高速铣削时，刀齿不断受到周期性地冲击和交变热应力，而在前刀面产生梳状裂纹。有些刀具虽然并没有明显的交变载荷与交变应力，但因表层、里层温度不一致，也将产生热应力，加上刀具材料内部不可避免地存在缺陷，，故刀片也可能产生裂纹。裂纹形成后刀具有时还能继续工作一段时间，有时裂纹迅速扩展导致刀片折断或刀面严重剥落。二、刀具磨损1. 按磨损原因可分为：1）磨料磨损被加工材料中常有一些硬度极高的微小颗粒，能在刀具表面划出沟纹，这就是磨料磨砂损。磨料磨损在各个面都存在，前刀面＊明显。而且各种切削速度下都能发生麻料磨损，但对于低速切削时，由于切削温度较低，其它原因产生的磨损都不明显，因而磨料磨损是其主要原因。另处刀具硬度越低磨料麻损越严重。2）冷焊磨损切削时，工件、切削与前后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，因而会发生冷焊。由于摩擦副之间有相对运动，冷焊将产生破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。冷焊磨损一般在中等切削速度下比较严重。根据实验表明，脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；多相金属比单向金属小；金属化合物比单质冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。高速钢与硬质合金低速切削时冷焊比较严重。3）扩散磨损在高温下切削、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变刀具的成分结构，使刀具表层变得脆弱，加剧了刀具的磨损。扩散现象总是保持着深度梯度高的物体向深度梯度低物体持续扩散。例如硬质合金在800℃时其中的钴便迅速地扩散到切屑、工件中去，WC分解为钨和碳扩散到钢中去；PCD刀具在切削钢、铁材料时当切削温度高于800℃时，PCD中的碳原子将以很大的扩散强度转移到工件表面形成新的合金，刀具表面石墨化。钴、钨扩散比较严重，钛、钽、铌的抗扩散能力较强。故YT类硬质合金耐磨性较好。陶瓷和PCBN切削时，当温度高达1000℃-1300℃时，扩散磨损尚不显著。工件、切屑与刀具由于材料的同，切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具的磨损。这种在热电势的作用下的扩散磨损，称为“热电磨损”。4）氧化磨损当温度升高时刀具表面氧化产生较软的氧化物被切屑摩擦而形成的磨损称为氧化磨损。如：在700℃~800℃时空气中的氧与硬质合金中的钴及碳化物、碳化钛等发生氧化反应，形成较软的氧化物;在1000℃时PCBN与水蒸气发生化学反应。2. 按磨损形式可分为：1）前刀面损在以较大的速度切削塑性材料时，前刀面上靠近切削力的部位，在切屑的作用下，会磨损成月牙凹状，因此也称为月牙洼磨损。在磨损初期，刀具前角加大，使切削条件有所改善，并有利于切屑的卷曲折断，但当月牙洼进一步加大时，切削刃强度大大削弱，＊终可能会造成切削刃的崩碎毁损的情况。在切削脆性材料，或以较低的切削速度及较薄的切削厚度切削塑性材料时，一般不会产生月牙洼磨损。2）刀尖磨损刀尖磨损为刀尖圆弧的后刀面及邻近的副后刀面上的磨损，它是刀具上后刀面的磨损的延续。由于此处的散热条件差，应力集中，故磨损速度要比后刀面快，有时在副后刀面上还会形成一系列间距等于进给量的小沟，称为沟纹磨损。它们主要由于已加工表面的硬化层及切削纹路造成的。在切削加工硬化倾向大的难切削材料时，＊易引起沟纹磨损。刀尖磨损对工件表面粗糙度及加工精度影响＊大。3）后刀面磨损在很大切削厚度切削塑性材料时，由于积屑瘤的存在，刀具的后刀面可能不与工件接触。除此之外，通常后刀面都会与工件发生接触，而在后刀面上形成一道后角为0的磨损带。一般在切削刃工作长度的中部，后刀面磨损比较均匀，因此后刀面的磨损程度可用该段切削刃的后刀面磨损带宽度VB来衡量。由于各种类型的刀具在不同的切削情况下几乎都会了发生后刀面磨损，特别是切削脆性材料或以较小的切削厚度切削塑性材料时刀具的磨损主要是后刀面磨损，而且磨损带的宽度VB的测量比较简便，因此通常都用VB来表示刀具的磨损程度。VB愈大，不但会使切削力增大，引起切削振动，而且会影响刀尖圆弧处的磨损，从而影响加工精度及加工表面质量。2. 刀具防止破损的方法1）针对被加工材料和零件的特点，合理选择刀具材料的各类和牌号。在具备一定硬度和耐磨性的前提下，必须保证刀具材料具有必要的韧性；2）合理选择刀具几何参数。通过调整前后角，主副偏角，刃倾角等角度；保证切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱，是防止崩刀的有效措施；3）保证焊接和刃磨的质量，避免因焊接、刃磨不善而带来的各种疵病。关键工序所用的刀具，其刀而应经过研磨以提高表面质量，并检查有无裂纹；4）合理选择切削用量，避免过大的切削力和过高的切削温度，以防止刀具破损；5）尽可能保证工艺系统具有较好的刚性，减小振动；6）采取正确的操作方法，尽量使刀具不承受或少承受突变性的负荷。

一、概述  随着时代的发展，科技的进步，企业对生产的优化，自动加工设备的广泛运用使得自动批量加工模式越来越普及。但在切削加工过程中由于刀具磨损状态的不可控性，便容易引起不良或是批量废品的异常现象。因此客户往往采用固定加工次数换刀来避免此类状况，却任需在加工过程中定时多次检查刀具状态以及工件各尺寸的要求。刀具磨损监控系统能够实时记录刀具或者砂轮加工过程中的信号变化，据此确定＊优化的换刀时间，提醒操作人员进行换刀，同时也可用于评价刀具性能。二，工作原理通过加工过程中的功率，振动和声音三种模式来进行实时检测磨损情况：1，功率：通过安装功率传感器在加工过程中实时测量功率信号，利用功率信号处理算法对功率进行分析和识别，判断刀具磨损情况。2，振动：通过安装震动传感器在加工过程中实时检测振动信号，利用振动信号处理算法对振动进行分析和识别，判断刀具磨损情况。3，声音：利用高灵敏度声学传感器实时检测刀具磨损时产生的声音信号，刀具监控利用声学信号处理算法对声学进行分析和识别，判断刀具磨损情况。特点：1，提供三种特征进行刀具磨损监控。2，学习一把新刀和磨损刀具的功率曲线，即可生成监控边界。3，可长期记录刀具磨损的特征曲线，可用于刀具性能的评估，为客户提供成本决策。 三，产品效果和价值1，生产过程中为保证加工工件质量，通常选择保守使用刀具，无法＊大化的利用刀具。刀具磨损监控系统通过刀具加工工件所产生的信号变化，来判断当前刀具状态，提高刀具寿命、节省成本。2，通过设置刀具的磨损极限，实时监测刀具的磨损状态，当刀具的磨损到达极限时，及时给出换刀信号，避免因为刀具提前失效而导致的零件批量性缺陷。3，通过刀具磨损监控系统采集到的实时加工数据进行对比分析，可以评价刀具的性能。通过实时检测判断刀具磨损的情况，及时更换磨损的刀具，避免加工材料的损耗，时间的流失以及设备的损坏等，因刀具磨损产生的加工质量下降的问题。

刀具破损切削刃微崩当工件材料组织、硬度、余量不均匀，前角偏大导致切削刃强度偏低，工艺系统刚性不足产生振动，或进行断续切削，刃磨质量欠佳时，切削刃容易发生微崩，即刃区出现微小的崩落、缺口或剥落。出现这种情况后，刀具将失去一部分切削能力，但还能继续工作。继续切削中，刃区损坏部分可能迅速扩大，导致更大的破损。切削刃或刀尖崩碎这种破损方式常在比造成切削刃微崩更为恶劣的切削条件下产生，或者是微崩的进一步的发展。崩碎的尺寸和范围都比微崩大，使刀具完全丧失切削能力，而不得不终止工作。刀尖崩碎的情况常称为掉尖。刀片或刀具折断当切削条件极为恶劣，切削用量过大，有冲击载荷，刀片或刀具材料中有微裂，由于焊接、刃磨在刀片中存在残余应力时，加上操作不慎等因素，可能造成刀片或刀具产生折断。发生这种破损形式后，刀具不能继续使用，以致报废。刀片表层剥落对于脆性很大的材料，如TiC含量很高的硬质合金、陶瓷、PCBN等，由于表层组织中有缺陷或潜在裂纹，或由于焊接、刃磨而使表层存在着残余应力，在切削过程中不够稳定或刀具表面承受交变接触应力时极易产生表层剥落。剥落可能发生在前刀面，刀可能发生在后刀面，剥落物呈片状，剥落面积较大。涂层刀具剥落可能性较大。刀片轻微剥落后，尚能继续工作，严重剥落后将丧失切削能力。切削部位塑性变型具钢和高速钢由于强度小硬度低，在其切削部位可能发生塑性变型。硬质合金在高温和三向压应力状态直工作时，也会产生表层塑性流动，甚至使切削刃或刀尖发生塑性变形面造成塌陷。塌陷一般发生在切削用量较大和加工硬材料的情况下。TiC基硬质合金的弹性模量小于WC基硬质合金，故前者抗塑性变形能力加快，或迅速失效。PCD、PCBN基本不会发生塑性变形现象。刀片的热裂当刀具承受交变的机械载荷和热负荷时，切削部分表面因反复热胀冷缩，不可避免的产生交变的热应力，从而使刀片发生疲劳而开裂。例如，硬质合金铣刀进行高速铣削时，刀齿不断受到周期性地冲击和交变热应力，而在前刀面产生梳状裂纹。有些刀具虽然并没有明显的交变载荷与交变应力，但因表层、里层温度不一致，也将产生热应力，加上刀具材料内部不可避免地存在缺陷，，故刀片也可能产生裂纹。裂纹形成后刀具有时还能继续工作一段时间，有时裂纹迅速扩展导致刀片折断或刀面严重剥落。刀具磨损按磨损原因可分为1）磨料磨损被加工材料中常有一些硬度极高的微小颗粒，能在刀具表面划出沟纹，这就是磨料磨砂损。磨料磨损在各个面都存在，前刀面＊明显。而且各种切削速度下都能发生麻料磨损，但对于低速切削时，由于切削温度较低，其它原因产生的磨损都不明显，因而磨料磨损是其主要原因。另处刀具硬度越低磨料麻损越严重。2）冷焊磨损切削时，工件、切削与前后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，因而会发生冷焊。由于摩擦副之间有相对运动，冷焊将产生破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。冷焊磨损一般在中等切削速度下比较严重。根据实验表明，脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；多相金属比单向金属小；金属化合物比单质冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。高速钢与硬质合金低速切削时冷焊比较严重。3）扩散磨损在高温下切削、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变刀具的成分结构，使刀具表层变得脆弱，加剧了刀具的磨损。扩散现象总是保持着深度梯度高的物体向深度梯度低物体持续扩散。例如硬质合金在800℃时其中的钴便迅速地扩散到切屑、工件中去，WC分解为钨和碳扩散到钢中去；PCD刀具在切削钢、铁材料时当切削温度高于800℃时，PCD中的碳原子将以很大的扩散强度转移到工件表面形成新的合金，刀具表面石墨化。钴、钨扩散比较严重，钛、钽、铌的抗扩散能力较强。故YT类硬质合金耐磨性较好。陶瓷和PCBN切削时，当温度高达1000℃-1300℃时，扩散磨损尚不显著。 工件、切屑与刀具由于材料的同，切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具的磨损。这种在热电势的作用下的扩散磨损，称为“热电磨损”。4）氧化磨损当温度升高时刀具表面氧化产生较软的氧化物被切屑摩擦而形成的磨损称为氧化磨损。如：在700℃~800℃时空气中的氧与硬质合金中的钴及碳化物、碳化钛等发生氧化反应，形成较软的氧化物;在1000℃时PCBN与水蒸气发生化学反应。

1、后刀面磨损产生原因：＊常见的磨损形式，是刀具与工件材料中的硬粒子摩擦形成的。失效分析：① 刀具材质耐磨性不足；② 切削速度高/进给量低。加工影响：已加工面的表面粗糙度和尺寸精度变差。改善方法：① 选择硬度高，更耐磨性的材质；② 降低切削速度/增加进给量。2、月牙洼磨损产生原因：发生在刀片的前刀面，是由工件材料和切削刀具之间的化学反应造成的。失效分析：① 刀具材质耐月牙洼磨损性不足；② 切削速度过高/进给量和切深过大。加工影响：切屑处理恶化，已加工表面质量恶化 (起毛刺) ；过大的月牙洼磨损会削弱切削刃并可能导致断裂改善方法：① 采用耐磨性封号的材质；② 降低切削速度/减小进给量和切深3、积屑瘤产生原因：切屑冷焊到刀片上引起的。在加工粘性材料如低碳钢、不锈钢和铝时，经常发生这种磨损。刀具破损失效分析：①刀具材质不合适，被加工材料易与刀具材料发生反应；②切削刃锋利性不足；③ 切削速度/进给量过低加工影响：已加工表面质量恶化；切削阻力增大改善方法：①选择韧性更好，与被加工材料亲和性低的材质；② 提高刀尖锋利度（增大前角，减小倒圆）；③ 提高切削速度/进给量4、沟槽磨损产生原因;在刀片前刀面和后刀面的切削深度处有大量局部损坏。这种磨损由粘结磨损（切屑冷焊）和硬化表面引起。经常出现在不锈钢和耐热优质合金的加工中。失效分析:①刀具材质耐磨性不足；②切削刃强度不足，前角过小；③切削速度高；④被加工工件表面硬化加工影响：已加工表面粗糙度恶化；切削阻力增大改善方法：①变更为耐磨性更好的材质；②增大切削前角；③降低切削速度5、塑性变形产生原因：切削加工过程中，如果切削温度太高，在刀具材料软化时会发生塑性变形。失效分析：①刀具材料的耐热性不足，材质匹配错误；②切削温度过高；③切削速度过高/切深进给过大；④切削液供给不足加工影响：加工精度降低，工件尺寸变化；前端崩刀改善方法：①采用耐热性和强度硬度更高的材质；②降低切削速度/进给量；③充分供给切削液6、热裂产生原因：切削刃上的温度从热到冷快速变化时，可能会出现垂直于切削刃的多重裂纹。热裂与间断切削有关，在铣削工序中经常出现，而且使用冷却液不当会加重这种情况。失效分析：①切削温度引起的热胀冷缩；②刀片材质不合适；③切削速度和进给量过高加工影响：热循环易引起崩刀改善方法：①采用干式切削或充分使用冷却液；②选择韧性更好的材质；③降低进给量和切削速度7、切削刃崩刃/破损产生原因：崩刃是机械应力过大所导致的。失效分析① 材质韧性不足② 切屑黏附或冲击导致切削刃脱落③ 切削刃强度不足④ 进给过高⑤ 刀杆强度不足，振动加工影响：突发性崩刀；切削阻力增大；已加工表面粗糙度恶化改善方法：①采用韧性更高的材质；②减小进给量；③减小前角，增大切削刃的倒圆量；④选择刀柄尺寸大的刀杆