1、第第6 6章章 刀具磨损与耐用度刀具磨损与耐用度 6.1 6.1 刀具磨损的形态刀具磨损的形态16.2 6.2 刀具磨损的原因刀具磨损的原因26.3 6.3 刀具磨损过程与磨钝标准刀具磨损过程与磨钝标准36.4 6.4 刀具耐用度刀具耐用度46.5 6.5 刀具的破损刀具的破损56.1 6.1 刀具磨损的形态刀具磨损的形态 切削时，刀具的前面切削时，刀具的前面和后面与切屑和工件接触，和后面与切屑和工件接触，产生剧烈摩擦，同时在接产生剧烈摩擦，同时在接触区内有很高的温度和压触区内有很高的温度和压力。因此，刀具的前面和力。因此，刀具的前面和后面都会发生磨损。此外，后面都会发生磨损。此外，刀具的边界
2、也会发生磨损。刀具的边界也会发生磨损。如图所示为刀具的磨损形如图所示为刀具的磨损形态。态。刀具的磨损形态刀具的磨损形态6.1.1 6.1.1 前刀面磨损前刀面磨损前刀面磨损也称为月牙洼磨损。前刀面磨损也称为月牙洼磨损。刀具前刀面的磨损刀具前刀面的磨损 6.1.2 6.1.2 后刀面磨损后刀面磨损 由于加工表面和刀具后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻由于加工表面和刀具后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，这就是后刀面磨损。切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，这就是后刀面磨损。刀具后刀面的磨损刀具后刀面的磨损 刀具的边界磨损刀具的边界磨损6.1.
3、3 6.1.3 边界磨损边界磨损 切削钢料时常在主切削刃与工件待切削钢料时常在主切削刃与工件待加工表面或副切削刃与工件已加工表面接加工表面或副切削刃与工件已加工表面接触处的后面上，磨出较深的沟纹，这种磨触处的后面上，磨出较深的沟纹，这种磨损沟纹称为边界磨损，如图所示。损沟纹称为边界磨损，如图所示。在以下情况下可能发生边界磨损：在以下情况下可能发生边界磨损：（1 1）上道工序的加工硬化可使副后面）上道工序的加工硬化可使副后面上发生边界磨损。上发生边界磨损。（2 2）加工铸件和锻件等有粗糙硬皮的）加工铸件和锻件等有粗糙硬皮的工件时，也容易发生边界磨损。工件时，也容易发生边界磨损。6.2 6.2 刀
4、具磨损的原因刀具磨损的原因 切削过程中刀具磨损与一般机械零件的磨损有显著的不同，它表切削过程中刀具磨损与一般机械零件的磨损有显著的不同，它表现在以下几个方面：现在以下几个方面：1 1（1 1）刀具与切屑、）刀具与切屑、刀具与工件接触面经刀具与工件接触面经常是活性很高的新鲜常是活性很高的新鲜表面，不存在氧化膜表面，不存在氧化膜等的污染。等的污染。2 2（2 2）刀具的前面和）刀具的前面和后面与工件表面的接后面与工件表面的接触压力非常大，有时触压力非常大，有时甚至超过被切材料的甚至超过被切材料的屈服强度。屈服强度。3 3（3 3）刀具与切屑、）刀具与切屑、刀具与工件接触面的刀具与工件接触面的温度很
5、高。硬质合金温度很高。硬质合金刀具加工钢料时其接刀具加工钢料时其接触面的温度可达触面的温度可达8008001 000 1 000；高；高速钢刀具加工钢料时速钢刀具加工钢料时其接触面的温度可达其接触面的温度可达300300600 600。6.2.1 6.2.1 硬质点磨损硬质点磨损 切削时，切屑、工件材料中含有的一些硬度极高的微小的硬质点切削时，切屑、工件材料中含有的一些硬度极高的微小的硬质点（如碳化物、氮化物和氧化物等）以及积屑瘤碎片等，可在刀具表面（如碳化物、氮化物和氧化物等）以及积屑瘤碎片等，可在刀具表面刻划出沟纹，这就是硬质点磨损，或称为磨料磨损。高速钢刀具的硬刻划出沟纹，这就是硬质点磨
6、损，或称为磨料磨损。高速钢刀具的硬质点磨损比较显著；硬质合金刀具的硬度高，发生硬质点磨损的机率质点磨损比较显著；硬质合金刀具的硬度高，发生硬质点磨损的机率较少。较少。硬质点磨损在各种切削速度下都存在，但它是低速刀具（如拉刀、硬质点磨损在各种切削速度下都存在，但它是低速刀具（如拉刀、板牙等）磨损的主要原因。因为此时切削温度较低，其他形式的磨损板牙等）磨损的主要原因。因为此时切削温度较低，其他形式的磨损还不显著。还不显著。6.2.2 6.2.2 黏结磨损黏结磨损 切削时，切屑、工件和刀具前刀面和后刀面之间存在着很大的压力切削时，切屑、工件和刀具前刀面和后刀面之间存在着很大的压力和强烈的摩擦，因此，
7、形成新鲜表面接触而发生冷焊黏结。由于摩擦面和强烈的摩擦，因此，形成新鲜表面接触而发生冷焊黏结。由于摩擦面之间的相对运动，冷焊黏结破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。一般之间的相对运动，冷焊黏结破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。一般来说，工件材料或切屑的硬度低，冷焊黏结破裂往往发生在工件或切屑来说，工件材料或切屑的硬度低，冷焊黏结破裂往往发生在工件或切屑这一方。但由于交变应力、疲劳、热应力以及刀具表层结构缺陷等原因，这一方。但由于交变应力、疲劳、热应力以及刀具表层结构缺陷等原因，冷焊黏结破裂也可能发生在刀具这一方，刀具表面上的微粒逐渐被切屑冷焊黏结破裂也可能发生在刀具这一方，刀具表面上的微粒逐渐被
8、切屑或工件黏走，从而造成刀具的黏结磨损。黏结磨损一般在中等偏低的切或工件黏走，从而造成刀具的黏结磨损。黏结磨损一般在中等偏低的切削速度下比较显著。削速度下比较显著。6.2.3 6.2.3 扩散磨损扩散磨损 在切削高温下，刀具表面与切出的工件、切屑新鲜表面接触，刀具在切削高温下，刀具表面与切出的工件、切屑新鲜表面接触，刀具与切屑、刀具和工件双方的化学元素互相扩散到对方去，改变了原来材与切屑、刀具和工件双方的化学元素互相扩散到对方去，改变了原来材料的成分与结构，削弱了刀具材料的性能，加速了磨损过程。料的成分与结构，削弱了刀具材料的性能，加速了磨损过程。扩散磨损主要发生在高速切削时，因为此时切削温度
9、很高，化学元扩散磨损主要发生在高速切削时，因为此时切削温度很高，化学元素扩散速率较高。同时随切削速度（温度）的提高，扩散磨损程度加剧。素扩散速率较高。同时随切削速度（温度）的提高，扩散磨损程度加剧。6.2.4 6.2.4 化学磨损化学磨损 在一定温度下，刀具材料与在一定温度下，刀具材料与某些周围介质（如空气中的氧，某些周围介质（如空气中的氧，切削液中的极压添加剂硫、氯等）切削液中的极压添加剂硫、氯等）起化学作用，在刀具表面形成一起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑或层硬度较低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨损，这种磨损工件擦掉而形成磨损，这种磨损称为化学磨损。称为化学磨损。
10、一般情况下空气不易进入刀一般情况下空气不易进入刀具与切屑的接触区，因此，化学具与切屑的接触区，因此，化学磨损中因氧化而引起的磨损最容磨损中因氧化而引起的磨损最容易在主切削刃和副切削刃的工作易在主切削刃和副切削刃的工作边界处形成，从而产生较深的磨边界处形成，从而产生较深的磨损沟纹。损沟纹。切削速度（切削温度）对刀具磨损强度的影响切削速度（切削温度）对刀具磨损强度的影响11硬质点磨损；硬质点磨损；22黏结磨损；黏结磨损；33扩散磨损；扩散磨损；44化学磨损化学磨损6.3 6.3 刀具磨损过程与磨钝标准刀具磨损过程与磨钝标准 6.3.1 6.3.1 刀具磨损过程刀具磨损过程 随着切削时间的延长，刀随
11、着切削时间的延长，刀具的后面磨损量（或前面月牙具的后面磨损量（或前面月牙洼磨损深度）随之增加。如图洼磨损深度）随之增加。如图所示为典型的刀具磨损曲线，所示为典型的刀具磨损曲线，其磨损过程分为初期磨损阶段、其磨损过程分为初期磨损阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段。正常磨损阶段和急剧磨损阶段。典型的刀具磨损曲线典型的刀具磨损曲线正常磨损阶段正常磨损阶段初期磨损阶段初期磨损阶段急剧磨损阶段急剧磨损阶段 因为新刃磨的刀具切削刃较锋利，其后刀面与加工表因为新刃磨的刀具切削刃较锋利，其后刀面与加工表面接触面很小，压应力较大，加之新刃磨的刀具的后面存面接触面很小，压应力较大，加之新刃磨的刀具的后面存在着微观不
12、平等缺陷，所以，这一阶段的磨损很快。在着微观不平等缺陷，所以，这一阶段的磨损很快。经过初期磨损后。刀具的粗糙不平表面已经被经过初期磨损后。刀具的粗糙不平表面已经被磨平，刀具进入正常磨损阶段。磨平，刀具进入正常磨损阶段。刀具经过正常磨损阶段后，切削刃变钝，切削力、刀具经过正常磨损阶段后，切削刃变钝，切削力、切削温度迅速升高，磨损速度急剧增加，以致刀具损切削温度迅速升高，磨损速度急剧增加，以致刀具损坏而失去切削能力。坏而失去切削能力。6.3.2 6.3.2 刀具磨钝标准刀具磨钝标准 刀具磨损到刀具磨损到定限度就不能继续使用，否则将降低工件的尺寸精度定限度就不能继续使用，否则将降低工件的尺寸精度和表
13、面质量。这个磨损限度称为磨钝标准。一般刀具的后面上都有磨损，和表面质量。这个磨损限度称为磨钝标准。一般刀具的后面上都有磨损，它对加工质量、切削力和切削温度的影响比前面磨损显著，同时后面磨它对加工质量、切削力和切削温度的影响比前面磨损显著，同时后面磨损易于测量，因此，在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度来损易于测量，因此，在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度来制定磨钝标准。国际标准制定磨钝标准。国际标准ISO 3685ISO 3685：19931993规定以规定以1/21/2切削深度处后面上切削深度处后面上测定的磨损带宽度作为刀具磨钝标准的衡量标志。测定的磨损带宽度作为刀具磨钝标准的
14、衡量标志。6.4 6.4 刀具耐用度刀具耐用度 6.4.1 6.4.1 刀具耐用度的定义刀具耐用度的定义 一把新刀从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止总的切削时间，一把新刀从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止总的切削时间，或者说是刀具两次刃磨之间总的切削时间称为刀具耐用度，用符号表或者说是刀具两次刃磨之间总的切削时间称为刀具耐用度，用符号表示，单位为示，单位为minmin。刀具耐用度是一个表征刀具材料切削性能优劣的综合指标。在相刀具耐用度是一个表征刀具材料切削性能优劣的综合指标。在相同的切削条件下，刀具耐用度越高，表明刀具材料的耐磨性越好。在同的切削条件下，刀具耐用度越高，表明刀具材料的耐磨性
15、越好。在比较不同的工件材料的切削加工性时，刀具耐用度也是一个重要的指比较不同的工件材料的切削加工性时，刀具耐用度也是一个重要的指标，即刀具耐用度越高，表明工件材料的切削加工性越好。标，即刀具耐用度越高，表明工件材料的切削加工性越好。6.4.2 6.4.2 切削用量与刀具耐用度的关系切削用量与刀具耐用度的关系 切削用量与刀具耐用度有着密切关系，刀具耐用度直接影响机械加切削用量与刀具耐用度有着密切关系，刀具耐用度直接影响机械加工中的生产效率和加工成本。切削用量三要素对切削温度有不同影响，工中的生产效率和加工成本。切削用量三要素对切削温度有不同影响，因此，在此也分别讨论这三要素与刀具耐用度的关系。因
16、此，在此也分别讨论这三要素与刀具耐用度的关系。1.1.切削速度与刀具耐用度的关系切削速度与刀具耐用度的关系 工件材料、刀具材料和刀具几何参数选定后，切削速度是影响刀具工件材料、刀具材料和刀具几何参数选定后，切削速度是影响刀具耐用度的最主要因素。提高切削速度，刀具耐用度就降低，其关系可通耐用度的最主要因素。提高切削速度，刀具耐用度就降低，其关系可通过刀具磨损实验求得。与切削力一样，刀具磨损实验采用单因素法，其过刀具磨损实验求得。与切削力一样，刀具磨损实验采用单因素法，其数据处理采用图解法。数据处理采用图解法。刀具磨损实验前先选定刀刀具磨损实验前先选定刀具后刀面的磨钝标准。按照具后刀面的磨钝标准。
17、按照ISO ISO 36853685：19931993对车刀耐用度实验对车刀耐用度实验的规定：若切削刃磨损均匀，的规定：若切削刃磨损均匀，则取则取VBVB0.3 mm0.3 mm；若切削刃磨；若切削刃磨损不均匀，则取损不均匀，则取VBVBmaxmax0.6 mm0.6 mm。选定好刀具后刀面的磨钝标准选定好刀具后刀面的磨钝标准后，固定其他切削条件，在常后，固定其他切削条件，在常用的切削速度范围内，取不同用的切削速度范围内，取不同的切削速度的切削速度v v1 1、v v2 2、v v3 3、v v4 4，进，进行刀具磨损实验，得出在各种行刀具磨损实验，得出在各种速度下的刀具磨损曲线，如图速度下的
18、刀具磨损曲线，如图所示。所示。各种速度下的刀具磨损曲线各种速度下的刀具磨损曲线根据规定的刀具后刀面的磨钝根据规定的刀具后刀面的磨钝标准标准VBVB求出在各切削速度下所求出在各切削速度下所对应的刀具耐用度对应的刀具耐用度T T1 1、T T2 2、T T3 3、T T4 4，在双对数坐标纸上标出，在双对数坐标纸上标出（T T1 1，v v1 1），（），（T T2 2，v v2 2），），（T T3 3，v v3 3），（），（T T4 4，v v4 4）各点。）各点。在一定的切削速度范围内，可在一定的切削速度范围内，可发现这些点基本上在一条直线发现这些点基本上在一条直线上，如图所示。上，如图所
19、示。刀具耐用度和切削速度的关系曲线刀具耐用度和切削速度的关系曲线mccvmmin1tanmmlg-mlglgvTAATAAT式也可写成：耐用度和切削速度关系均可求出。因此，刀具和标上的截距。时该直线坐为当；为该直线的斜率，即式中，该直线的方程为：2.2.进给量、背吃刀量与刀具耐用度的关系进给量、背吃刀量与刀具耐用度的关系 按照求刀具耐用度和切削速度关系式的方法，同样可以求得刀具按照求刀具耐用度和切削速度关系式的方法，同样可以求得刀具耐用度和进给量，以及刀具耐用度和背吃刀量的关系式，即耐用度和进给量，以及刀具耐用度和背吃刀量的关系式，即 式中，式中，B B、C C为常数；为常数；n n、p p分
20、别表示进给量和背吃刀量对刀具分别表示进给量和背吃刀量对刀具耐用度的影响指数。耐用度的影响指数。切削用量三要素与刀具耐用度的关系式，即切削用量三要素与刀具耐用度的关系式，即式中，式中，C Cv v为刀具耐用度系数，与工件材料、刀具材料和切削条件有关。为刀具耐用度系数，与工件材料、刀具材料和切削条件有关。pTCTBpna fp1pn1m1cvafvCT 可得出以下结论：可得出以下结论：（1 1）如果其他切削条件不变，当切削速度提高一倍时，刀具耐用度）如果其他切削条件不变，当切削速度提高一倍时，刀具耐用度将降低到原来的将降低到原来的3 3。（2 2）如果其他切削条件不变，当进给量提高一倍时，刀具耐用
21、度将）如果其他切削条件不变，当进给量提高一倍时，刀具耐用度将降低到原来的降低到原来的2121。（3 3）如果其他切削条件不变，当背吃刀量提高一倍时，刀具耐用度）如果其他切削条件不变，当背吃刀量提高一倍时，刀具耐用度将降低到原来的将降低到原来的5959。6.4.3 6.4.3 刀具耐用度的合理选择刀具耐用度的合理选择 刀具磨损到达磨钝标准后即需换刀。根据生产实际情况的需要，凡刀具磨损到达磨钝标准后即需换刀。根据生产实际情况的需要，凡能满足以下三个要求，可称为合理耐用度。能满足以下三个要求，可称为合理耐用度。（1 1）使该工序的加工生产率最高，即零件的加工时间最短。）使该工序的加工生产率最高，即零
22、件的加工时间最短。（2 2）使该工序的生产成本最低，即所消耗的生产费用最低。）使该工序的生产成本最低，即所消耗的生产费用最低。（3 3）使该工序所获利润最高。）使该工序所获利润最高。1.1.最高生产率耐用度最高生产率耐用度最高生产率耐用度的计算公式为最高生产率耐用度的计算公式为：mpdm1LmTtmLe完成一个工序所需要的工时与刀具耐用度之间的关系完成一个工序所需要的工时与刀具耐用度之间的关系2.2.最低成本耐用度最低成本耐用度 最低成本耐用度是从工序成本最低最低成本耐用度是从工序成本最低的观点出发而制定的。一个零件在一道的观点出发而制定的。一个零件在一道工序中的加工费用由与机动工时有关的工序
23、中的加工费用由与机动工时有关的费用、与换刀工时有关的费用、与其他费用、与换刀工时有关的费用、与其他辅助工时有关的费用及与刀具消耗有关辅助工时有关的费用及与刀具消耗有关的费用四部分组成。刀具耐用度与生产的费用四部分组成。刀具耐用度与生产率、工序成本的关系曲线如图所示，当率、工序成本的关系曲线如图所示，当每个工件的工序费用每个工件的工序费用C C最小时，可得最最小时，可得最低成本耐用度低成本耐用度TcTc的计算公式为：的计算公式为：）（MCLLTtdmmctemm-1刀具耐用度与生产率、工序成本的关系曲线刀具耐用度与生产率、工序成本的关系曲线模具加工方法一般刀具耐用度的制订订可遵循以下原则则1.根
24、据刀具的复杂程根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本度、制造和磨刀成本的高低来选择。的高低来选择。2.多刀机床上的车刀、多刀机床上的车刀、组合机床上的钻头、组合机床上的钻头、丝锥、铣刀以及数控丝锥、铣刀以及数控加工中心上的刀具，加工中心上的刀具，它们的刀具耐用度应它们的刀具耐用度应选得高些。选得高些。3.精加工大型工件时精加工大型工件时为避免切削同一表面时为避免切削同一表面时中途换刀，耐用度应规中途换刀，耐用度应规定得至少能完成一次走定得至少能完成一次走刀所需的时间。刀所需的时间。4.当车间内某一工序的生当车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产产率限制了整个车间的生产率提高时，该工序的刀具耐率
25、提高时，该工序的刀具耐用度要选得低些；当某工序用度要选得低些；当某工序单位时间内所分担的全厂开单位时间内所分担的全厂开支较大时，该工序的刀具耐支较大时，该工序的刀具耐用度也应选得低些。用度也应选得低些。6.5 6.5 刀具的破损刀具的破损 6.5.1 6.5.1 刀具的脆性破损刀具的脆性破损刀具的脆性破损刀具的脆性破损崩刃崩刃碎断碎断剥落剥落裂纹破损裂纹破损 6.5.2 6.5.2 刀具的塑性破损刀具的塑性破损 刀具的塑性破损是指切削时，由于高温和高压的作用，有时在刀具的塑性破损是指切削时，由于高温和高压的作用，有时在前、后刀面和切屑、工件的接触层上，刀具表层材料发生塑性流动前、后刀面和切屑、工件的接触层上，刀具表层材料发生塑性流动而丧失切削能力。而丧失切削能力。刀具的塑性破损直接与刀具材料和工件材料的硬度比有关。其硬刀具的塑性破损直接与刀具材料和工件材料的硬度比有关。其硬度比越高，越不容易发生塑性破损。硬质合金、陶瓷刀具的高温硬度比越高，越不容易发生塑性破损。硬质合金、陶瓷刀具的高温硬度高，一般不容易发生塑性破损，高速钢刀具因其耐热性较差，所度高，一般不容易发生塑性破损，高速钢刀具因其耐热性较差，所以常发生塑性破损。以常发生塑性破损。
