机械制造技术基础B第三章 第4节 刀具磨损和耐用度

1、 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 切削加工中，如果刀具发生磨损，则会切削加工中，如果刀具发生磨损，则会出现切削力加大，切出现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，工艺系统产生振动，加工表面粗削温度上升，切屑颜色改变，工艺系统产生振动，加工表面粗糙度增大糙度增大等现象。等现象。 由于由于刀具磨损刀具磨损主要决定于刀具材料及工件材料的物理机械性主要决定于刀具材料及工件材料的物理机械性能和切削条件。能和切削条件。 本节主要内容本节主要内容 刀具磨损的形态，刀具磨损原因，刀具磨损过刀具磨损的形态，刀具磨损原因，刀具磨损过程及磨钝标准，刀具耐

2、用度及经验公式，刀具耐用度的选择。程及磨钝标准，刀具耐用度及经验公式，刀具耐用度的选择。 本节主要掌握本节主要掌握 不同条件下刀具磨损的不同特点；不同条件下刀具磨损的不同特点；合理选合理选择刀具及切削条件；择刀具及切削条件；提高切削效率和保证加工质量的方法。提高切削效率和保证加工质量的方法。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 一、刀具磨损的形态一、刀具磨损的形态 1. 1. 前刀面磨损（月牙洼磨损）前刀面磨损（月牙洼磨损） 当切削塑性金属时，若切削速度和切削厚度较大，在刀具前当切削塑性金属时，若切削速度和切削厚度较大，在刀具前刀面上切削

3、温度最高处，会磨出一个月牙洼状磨损，如图。刀面上切削温度最高处，会磨出一个月牙洼状磨损，如图。 在月牙洼与刀刃之间有一条棱边。当月牙洼的宽度扩展到使在月牙洼与刀刃之间有一条棱边。当月牙洼的宽度扩展到使棱边很窄时，会消弱切削刃的强度，导致崩刀。棱边很窄时，会消弱切削刃的强度，导致崩刀。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 2. 2. 后刀面磨损后刀面磨损 切削中，由于存在切削中，由于存在“加工表面加工表面- -后刀面后刀面”的强烈摩擦，在后的强烈摩擦，在后刀面毗邻切削刃的地方，很快被磨出后角为零的小棱面。刀面毗邻切削刃的地方，很快被磨出后角

4、为零的小棱面。 一般加工脆性金属或低速、小厚度切削塑性金属时，主要发一般加工脆性金属或低速、小厚度切削塑性金属时，主要发生后刀面磨损。生后刀面磨损。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 在后刀面磨损带上，刀尖部在后刀面磨损带上，刀尖部分和主切削刃靠近工件外表面处，分和主切削刃靠近工件外表面处，磨损较严重。中间部分，磨损比磨损较严重。中间部分，磨损比较均匀。较均匀。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 3. 3. 边界磨损边界磨损 切削钢料工件，或切削铸造、锻造等外皮粗糙的工件时，常切

5、削钢料工件，或切削铸造、锻造等外皮粗糙的工件时，常常在主切削刃靠近工件外层处、副切削刃靠近刀尖处的后刀面常在主切削刃靠近工件外层处、副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟槽。上，磨出较深的沟槽。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 二、刀具磨损的原因二、刀具磨损的原因 为了减小和控制刀具磨损，必须研究刀具磨损的原因和本质。为了减小和控制刀具磨损，必须研究刀具磨损的原因和本质。 切削过程中，刀具磨损具有如下特点：切削过程中，刀具磨损具有如下特点： 刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。

6、接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。 接触面的温度很高，硬质合金刀具可达接触面的温度很高，硬质合金刀具可达80010000C，高速，高速钢刀具可达钢刀具可达3006000C。 刀具磨损经常是机械、热和化学三种作用的综合结果，将产刀具磨损经常是机械、热和化学三种作用的综合结果，将产生生“硬质点磨损、冷焊磨损、扩散磨损和氧化磨损硬质点磨损、冷焊磨损、扩散磨损和氧化磨损”。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 1. 1. 硬质点磨损硬质点磨损 切削中，切屑、工件材料中含有的一些碳化物、氮化

7、物和氧切削中，切屑、工件材料中含有的一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点及积屑瘤碎片，可在刀具表面刻划出沟纹而造成化物等硬质点及积屑瘤碎片，可在刀具表面刻划出沟纹而造成硬质点磨损。硬质点磨损。 硬质点磨损在各种切削速度下都存在，但它是低速刀具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）磨损的主要原因。（如拉刀、板牙）磨损的主要原因。 高速钢刀具的耐磨性低于硬质合金、陶瓷等，故其硬质点高速钢刀具的耐磨性低于硬质合金、陶瓷等，故其硬质点磨损所占比重较大。磨损所占比重较大。结结 论论 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 2.

8、2. 粘结磨损（冷焊磨损）粘结磨损（冷焊磨损） 切削时，切屑、工件与前刀面之间，存在很大的压力和强烈切削时，切屑、工件与前刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦而发生冷焊。摩擦面之间的相对运动，使冷焊结产生破裂。的摩擦而发生冷焊。摩擦面之间的相对运动，使冷焊结产生破裂。 由于交变应力，热应力以及刀具表层结构缺陷，刀具表面上由于交变应力，热应力以及刀具表层结构缺陷，刀具表面上的颗粒被切屑或工件粘走，造成刀具前刀面上的冷焊坑。的颗粒被切屑或工件粘走，造成刀具前刀面上的冷焊坑。 粘结磨损粘结磨损 在高速钢刀具正常工作的切削速度和硬质合金刀具在高速钢刀具正常工作的切削速度和硬质合金刀具偏低的切削速度下，

9、所占的比重较大。偏低的切削速度下，所占的比重较大。 脆性金属比塑性金属抗粘结能力强。脆性金属比塑性金属抗粘结能力强。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 3. 3. 扩散磨损扩散磨损 产生机理产生机理 在在切削高温时，切屑、工件与刀具接触过程中，切削高温时，切屑、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，改变了材料原来成分与结双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了材料原来成分与结构，使刀具表层变脆弱，加剧了刀具的磨损。构，使刀具表层变脆弱，加剧了刀具的磨损。 硬质合金刀具切削钢时，硬质合金刀具切削钢时，8008000 0C C

10、开始，刀具中的钴便迅速扩展开始，刀具中的钴便迅速扩展到切屑、工件中去，到切屑、工件中去，WCWC分解为碳和钨后扩散到钢中，合金表面分解为碳和钨后扩散到钢中，合金表面发生贫碳、贫钨现象。粘结相钴的减少，使合金中的硬质相发生贫碳、贫钨现象。粘结相钴的减少，使合金中的硬质相（WCWC，TiCTiC）的粘结强度降低。切屑、工件中的铁、碳向硬质合）的粘结强度降低。切屑、工件中的铁、碳向硬质合金中扩散，形成低硬度、高脆性的复合碳化物。金中扩散，形成低硬度、高脆性的复合碳化物。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 扩散磨损往往与粘结磨损、硬质点磨损同时

11、产生，此时磨损扩散磨损往往与粘结磨损、硬质点磨损同时产生，此时磨损率很高。如前刀面的月牙洼形磨损就是高温扩散磨损。率很高。如前刀面的月牙洼形磨损就是高温扩散磨损。 高速钢刀具的工作温度较低，与切屑、工件之间的扩散较慢，高速钢刀具的工作温度较低，与切屑、工件之间的扩散较慢，其扩散磨损所占的比重远小于硬质合金刀具。其扩散磨损所占的比重远小于硬质合金刀具。 当金刚石刀具切削钢、铁材料，切削温度高于当金刚石刀具切削钢、铁材料，切削温度高于7007000 0C C时，金刚时，金刚石中的碳原子将快速转移到工件表面形成新的铁碳合金，造成石中的碳原子将快速转移到工件表面形成新的铁碳合金，造成刀具表面石墨化，形

12、成严重的扩散磨损。刀具表面石墨化，形成严重的扩散磨损。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 4. 4. 氧化磨损氧化磨损 当切削高温达当切削高温达7008000C C时。空气中的氧与硬质合金中的钴时。空气中的氧与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物（及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物（ 如如WOWO3 3、TiOTiO2 2等）被切屑或工件磨擦掉而形成磨损。等）被切屑或工件磨擦掉而形成磨损。 刀材的氧化膜的粘接强度越低，刀材的氧化膜的粘接强度越低，氧化磨损越快。一般氧化磨损最容易氧化磨损越快。一般氧

13、化磨损最容易在主、副切削刃的工作边界形成，并在主、副切削刃的工作边界形成，并在后刀面或前刀面上划出较深的沟槽。在后刀面或前刀面上划出较深的沟槽。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 结论：结论：对于一定刀具、工对于一定刀具、工件材料，切削温度对刀具磨件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。损具有决定性的影响。 高温时，扩散和氧化磨损高温时，扩散和氧化磨损最大；中低温时，冷焊磨损最大；中低温时，冷焊磨损占主导地位；硬质点磨损在占主导地位；硬质点磨损在不同的温度下都存在。不同的温度下都存在。 硬质合金加工钢料时，不同切削温度下各类磨损比重

14、如图：硬质合金加工钢料时，不同切削温度下各类磨损比重如图： 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 三、刀具磨损过程及磨钝标准三、刀具磨损过程及磨钝标准 硬质合金刀具的磨损量硬质合金刀具的磨损量VBVB，随切削时间变化的过程：，随切削时间变化的过程： （1 1）初期磨损阶段）初期磨损阶段 因刃磨后的新刀具后刀面与加因刃磨后的新刀具后刀面与加工表面的实际接触面积很小，压工表面的实际接触面积很小，压强很大，故磨损很快。强很大，故磨损很快。 初期磨损量为：初期磨损量为： VB = 0.05 0.1 mm。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制

15、 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 （2 2）正常磨损过程）正常磨损过程 刀具经过初期磨损，后刀面刀具经过初期磨损，后刀面上被磨出一条狭窄的棱面，压上被磨出一条狭窄的棱面，压强减小，故磨损量的增加变缓，强减小，故磨损量的增加变缓，并且比较稳定。并且比较稳定。 （3 3）剧烈磨损阶段）剧烈磨损阶段 经过正常磨损阶段后，切削刃显著变钝，切削力增大，切削经过正常磨损阶段后，切削刃显著变钝，切削力增大，切削温度升高。此时刀具磨损会发生质的变化而进入剧烈磨损。温度升高。此时刀具磨损会发生质的变化而进入剧烈磨损。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具

16、磨损和耐用度 2. 2. 刀具磨顿标准刀具磨顿标准 考虑磨损对加工精度的影响和测量便利，考虑磨损对加工精度的影响和测量便利，刀具磨钝标准定刀具磨钝标准定为：为：后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值，以后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值，以VB表示。表示。 制订磨钝标准应考虑的因素制订磨钝标准应考虑的因素 工艺系统的刚性较差时，工艺系统的刚性较差时，VBVB 工件材料，如切削高温合金及不工件材料，如切削高温合金及不锈钢时，锈钢时，VB。 加工要求高时，加工要求高时，VB。 加工大型工件，加工大型工件，VB。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损

17、和耐用度刀具磨损和耐用度 四、刀具耐用度及经验公式四、刀具耐用度及经验公式 刀具耐用度是一个重要参数，而切削用量是影响耐用度的主刀具耐用度是一个重要参数，而切削用量是影响耐用度的主要因素。要因素。 1. 1. 刀具耐用度的定义刀具耐用度的定义 研究研究耐用度的意义耐用度的意义 比较不同刀材的切削性能。比较不同刀材的切削性能。比较比较工件材料的切削加工性。工件材料的切削加工性。判断刀具几何角度是否合理。判断刀具几何角度是否合理。 耐用度耐用度 指指刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的净切削时间，即：标准为止的净切削时间，即：vLTm Lm 指

18、达到磨钝标准时走过的切削路程。指达到磨钝标准时走过的切削路程。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 2. 2. 切削用量对刀具耐用度的影响切削用量对刀具耐用度的影响 （1 1）切削速度与耐用度的关系）切削速度与耐用度的关系 （2 2）进给量、背吃刀量与耐用度的关系）进给量、背吃刀量与耐用度的关系B、C常数；常数；n、p分别表示分别表示 f、ap 对对T 的影响程度。的影响程度。nTBf/ ppTCa/ mTAv/ m表示表示v 对对刀具刀具T T 的影响程度，表示刀具材料的切削性能。的影响程度，表示刀具材料的切削性能。 借助实验方法得出：

19、借助实验方法得出： 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 切削用量三要素与刀具耐用度的关系切削用量三要素与刀具耐用度的关系ppnmTafvCT111 CT 与工件材料、刀具材料和其它切削条件有关的系数。与工件材料、刀具材料和其它切削条件有关的系数。75. 025. 25pvafvCT 用用YT15 硬质合金车刀切削硬质合金车刀切削 的碳钢时，的碳钢时，v、f 和和 ap 与与T 的关系为：的关系为： GPa63. 0 b 结论结论 切削速度切削速度v 对刀具耐用度对刀具耐用度T 的影响最大，进给量的影响最大，进给量 f 次之，次之，背吃刀量

20、背吃刀量 ap 最小。最小。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 五、刀具耐用度的选择五、刀具耐用度的选择 在实际生产中，存在着刀具耐用度同在实际生产中，存在着刀具耐用度同最大生产率和最低加工成本之间的关系，最大生产率和最低加工成本之间的关系，以及与它们相适应的切削速度。以及与它们相适应的切削速度。 1. 1. 最大生产率耐用度最大生产率耐用度 Tp 最大生产率耐用度最大生产率耐用度 Tp 是根据单件工时最短原则来制定的。是根据单件工时最短原则来制定的。dmmpteLLmmT 1换刀时间换刀时间工件被切削表面长度工件被切削表面长度 根据完

21、成一个工序所需的工时根据完成一个工序所需的工时t tm m，得出，得出T Tp p 刀具空行程长度刀具空行程长度 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 2. 2. 最低成本耐用度最低成本耐用度 Tc 一般刀具的耐用度可从工艺设计手册中查得。一般刀具的耐用度可从工艺设计手册中查得。 选择原则选择原则 一般情况下，应采用最低成本耐用度，当任务紧一般情况下，应采用最低成本耐用度，当任务紧迫或生产中出现不平衡环节时，可采用最大生产率耐用度。迫或生产中出现不平衡环节时，可采用最大生产率耐用度。 最低成本耐用度最低成本耐用度 Tc 是以工序成本最低原则

22、来制定的。是以工序成本最低原则来制定的。根据完成一道工序所需的费用根据完成一道工序所需的费用C，得出，得出)(1MCteLLmmTtdmmc 每次刃磨刀具分摊的费用每次刃磨刀具分摊的费用工序单位时间内分担的全厂开支工序单位时间内分担的全厂开支 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 3. 3. 选择刀具耐用度应考虑的因素选择刀具耐用度应考虑的因素 （1 1）刀具的复杂程度、大小和制造、重磨费用。刀具的复杂程度、大小和制造、重磨费用。 （2 2）刀具安装、调整的复杂性。刀具安装、调整的复杂性。 （3 3）自动线上的工作特点（即刀具耐用度应规定为

23、一个班自动线上的工作特点（即刀具耐用度应规定为一个班或两个班，以便能在换班时间内换刀）。或两个班，以便能在换班时间内换刀）。 （4 4）精加工尺寸很大的工件（即刀具耐用度应按零件精度精加工尺寸很大的工件（即刀具耐用度应按零件精度和表面粗糙度要求决定）。和表面粗糙度要求决定）。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第五节第五节 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 本节主要内容本节主要内容: 一、衡量材料切削加工的指标一、衡量材料切削加工的指标 二、改善材料切削加工性的途径二、改善材料切削加工性的途径 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第五节第五节 工件材料的切削加工性工件

24、材料的切削加工性 一、一、 衡量材料切削加工的指标衡量材料切削加工的指标 材料的切削加工性材料的切削加工性 指某种材料进行切削加工的难易程度。指某种材料进行切削加工的难易程度。 1. 1. 以刀具耐用度以刀具耐用度T T 或切削速度或切削速度v 衡量加工性衡量加工性 凡是凡是Kr 1的材料的材料，其加工性比，其加工性比45 钢好；钢好； 凡是凡是Kr1，则加工，则加工性比性比45 钢差。钢差。vT 或或 Kr 是最常用的加工性指标。是最常用的加工性指标。 以正火状态以正火状态4545钢在钢在T=60min的的vT 为基准，记作为基准，记作 ，与，与其它材料的其它材料的v60 相比，所得比值相比

25、，所得比值Kr，称为相对加工性，即，称为相对加工性，即jrvvK)/(6060 jv )(60 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第五节第五节 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 在相同的切削条件下，加工不同材料时，凡切削力大，切削在相同的切削条件下，加工不同材料时，凡切削力大，切削温度高的材料较难加工，其切削加工性差；反之，则切削加工温度高的材料较难加工，其切削加工性差；反之，则切削加工性好。性好。 2. 2. 以切削力或切削温度衡量加工性以切削力或切削温度衡量加工性 在粗加工或机床刚性、动力不足时，都用切削力作为切削加在粗加工或机床刚性、动力不足时，都用切削力作为切削加工性

26、的指标。工性的指标。 第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制 第五节第五节 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 切削时，凡容易获得好的加工表面质量的材料，其切削加工切削时，凡容易获得好的加工表面质量的材料，其切削加工性较好，反之较差。性较好，反之较差。 3. 3. 以工件表面质量衡量加工性以工件表面质量衡量加工性 精加工时，常以工件表面质量作为切削加工性的指标。精加工时，常以工件表面质量作为切削加工性的指标。 4. 4. 以切屑控制或断屑的难易衡量加工性以切屑控制或断屑的难易衡量加工性 切削时，凡切屑容易控制或断屑性能良好的材料，其加工性切削时，凡切屑容易控制或断屑性能良好的材料，其加工性较好，反之则较差。较好，反之则较差。