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(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力對于刀具破損的影響，認(rèn)為刀具在發(fā)生早期破損時(shí)，主要是因?yàn)闄C(jī)械沖擊的原因，同時(shí)提出了相應(yīng)的措施來防止或減少刀具破損。

【關(guān)鍵詞】刀具破損；機(jī)械應(yīng)力；熱應(yīng)力；斷續(xù)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(jìn)行斷續(xù)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(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，硬質(zhì)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(yīng)的措施來防止或減少刀具破損。刀具破損是典型的隨機(jī)現(xiàn)象。因此對于刀具破損，如果單純從理論上由數(shù)學(xué)和力學(xué)方法加以簡化，推導(dǎo)出發(fā)生破損的條件，與實(shí)際有較大的出入。但可以對機(jī)械和熱沖擊在刀片（刀具的切削部分）內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)做一定的分析計(jì)算，以說明刀具發(fā)生破損的原因。

一、機(jī)械應(yīng)力

切削時(shí)，在機(jī)械載荷作用下，刀片內(nèi)引起很大的應(yīng)力。應(yīng)力的大小可用彈性力學(xué)的應(yīng)力函數(shù)法、有限元法來求解。我們發(fā)現(xiàn)正前角時(shí)有拉、壓兩個應(yīng)力區(qū)。在前刀面一定區(qū)域內(nèi)受拉應(yīng)力，而在后刀面受壓應(yīng)力。在前刀面上離刀刃2～2.5倍的刀—屑接觸長度附近，拉應(yīng)力最大。如果拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度，就會在拉應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的刀具材料最薄弱的地方首先發(fā)生裂紋或者立即破損。如果減小前角甚至采用負(fù)前角，則拉應(yīng)力區(qū)縮小或者全部成為壓應(yīng)力區(qū)。因此較小的前角或負(fù)前角（后角一定時(shí)即大的楔角）能提高刀具的抗破損能力。當(dāng)然如果壓應(yīng)力過大，超過刀具材料的抗壓強(qiáng)度，也會發(fā)生破損。在切削用量中，切削速度和切削厚度對刀片內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)都有影響，其中切削厚度的影響比切削速度大。小時(shí)，沖擊載荷小，同時(shí)集中作用在切削刃附近，刀—屑接觸長度短，主要是壓應(yīng)力。隨著增加，沖擊載荷加大，刀—屑接觸長度大，拉應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力值加大。同時(shí)因大，進(jìn)給速度加快，單位時(shí)間的沖擊能量增加，所以容易發(fā)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(zhì)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(yīng)該注意，刀具材料的沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度都是靜態(tài)測試條件下獲得的強(qiáng)度指標(biāo)，其測試條件與切削過程中的實(shí)際載荷性質(zhì)有很大的不同。所以刀具材料的靜態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)往往與實(shí)際的抗破損能力不能完全相符。刀具的破損與斷續(xù)切削時(shí)的切入切出條件有關(guān)。例如端銑淬硬鋼時(shí)，以對稱銑削最好，偏距不大的逆銑也較好，而順銑最容易發(fā)生破損，陶瓷刀具更加嚴(yán)重。因?yàn)檫@種工件材料硬度高，切入時(shí)的沖擊力大，產(chǎn)生很大的應(yīng)力。但逆銑普通材料時(shí)，切出時(shí)以極大的速度釋放沖擊能，致使產(chǎn)生相反的力將刀刃拉斷，因此對于普通材料順銑較好。斷續(xù)切削時(shí)，刀具由于受到交變載荷的作用，降低了刀具材料的疲勞強(qiáng)度，因此刀具在較長時(shí)間的斷續(xù)切削之后，會很容易引起機(jī)械疲勞裂紋。

二、熱應(yīng)力

斷續(xù)切削時(shí)，由于切削與空切的交替變化，使得刀具表面上的溫度發(fā)生周期性變化。空切時(shí)，前刀面上受冷卻而使溫度降低，進(jìn)而冷縮形成受拉應(yīng)力；切削時(shí)，前刀面受熱而使溫度上升，進(jìn)而熱脹形成受壓應(yīng)力。拉、壓應(yīng)力交替作用，致使刀具產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象。冷、熱溫度差越大，導(dǎo)熱系數(shù)越低，越容易形成裂紋。圖1所示為陶瓷刀具端銑淬硬鋼時(shí)的切削溫度和熱應(yīng)力的分布情況?？涨袝r(shí)，前刀面的拉應(yīng)力最大，從前刀面到刀片內(nèi)部逐漸減小。如果前刀面交替發(fā)生熱脹和冷縮現(xiàn)象引起的應(yīng)力，超過刀具材料強(qiáng)度，就容易產(chǎn)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(kuò)展，橫過刀刃，一直發(fā)展到后刀面上。硬質(zhì)合金銑刀就常發(fā)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(yīng)力集中，在機(jī)械沖擊作用下，使刀片斷裂。

計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，刀具在發(fā)生早期破損時(shí)，主要是因?yàn)闄C(jī)械沖擊的原因，與熱應(yīng)力的影響關(guān)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(qiáng)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(xiàn)

[1]劉力田．面銑刀刀片破損原因的探討[J]．汽輪機(jī)技術(shù)．2007（8）

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