机械制造技术基础B 第三章 第4节 刀具磨损和耐用度

第三章切削过程及控制

第四节刀具磨损和耐用度

切削加工中，如果刀具发生磨损，则会出现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，工艺系统产生振动，加工表面粗糙度增大等现象。由于刀具磨损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。

本节主要内容刀具磨损的形态，刀具磨损原因，刀具磨损过程及磨钝标准，刀具耐用度及经验公式，刀具耐用度的选择。

本节主要掌握

①不同条件下刀具磨损的不同特点；②合理选择刀具及切削条件；③提高切削效率和保证加工质量的方法。

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一、刀具磨损的形态1.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棱边很窄时，会消弱切削刃的强度，导致崩刀。

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2.后刀面磨损切削中，由于存在“加工表面-后刀面”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。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。

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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，磨损较严重。中间部分，磨损比较均匀。

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3.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。

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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。切削过程中，刀具磨损具有如下特点：

①刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。

②接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。

③接触面的温度很高，硬质合金刀具可达800~10000C，高速钢刀具可达300~6000C。

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“硬质点磨损、冷焊磨损、扩散磨损和氧化磨损”。

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1.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硬质点磨损。

①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。

②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。结论

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2.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，所占的比重较大。

脆性金属比塑性金属抗粘结能力强。

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3.扩散磨损

产生机理

在切削高温时，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，8000C开始，刀具中的钴便迅速扩展到切屑、工件中去，WC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（WC，TiC）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。

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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。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。当金刚石刀具切削钢、铁材料，切削温度高于7000C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，造成刀具表面石墨化，形成严重的扩散磨损。

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4.氧化磨损当切削高温达700~8000C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（如WO3、TiO2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，氧化磨损越快。一般氧化磨损最容易在主、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。

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结论：对于一定刀具、工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。高温时，扩散和氧化磨损最大；中低温时，冷焊磨损占主导地位；硬质点磨损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如图：

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三、刀具磨损过程及磨钝标准硬质合金刀具的磨损量VB，随切削时间变化的过程：

（1）初期磨损阶段

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，压强很大，故磨损很快。初期磨损量为：VB=0.05~0.1mm。

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（2）正常磨损过程

刀具经过初期磨损，后刀面上被磨出一条狭窄的棱面，压强减小，故磨损量的增加变缓，并且比较稳定。

（3）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，切削温度升高。此时刀具磨损会发生质的变化而进入剧烈磨损。

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2.刀具磨顿标准考虑磨损对加工精度的影响和测量便利，刀具磨钝标准定为：后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值，以VB表示。

制订磨钝标准应考虑的因素

①工艺系统的刚性较差时，VB↓

②工件材料，如切削高温合金及不锈钢时，VB↓。

③加工要求高时，VB↓。

④加工大型工件，VB↑。

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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要因素。1.刀具耐用度的定义

研究耐用度的意义①比较不同刀材的切削性能。②比较工件材料的切削加工性。③判断刀具几何角度是否合理。

耐用度

指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：Lm——指达到磨钝标准时走过的切削路程。

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2.切削用量对刀具耐用度的影响（1）切削速度与耐用度的关系（2）进给量、背吃刀量与耐用度的关系B、C—常数；n、p—分别表示

f、ap对T的影响程度。m—表示v对刀具T的影响程度，表示刀具材料的切削性能。借助实验方法得出：

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切削用量三要素与刀具耐用度的关系CT——与工件材料、刀具材料和其它切削条件有关的系数。用YT15硬质合金车刀切削

的碳钢时，v、f和

ap与T

的关系为：

结论

切削速度v对刀具耐用度T的影响最大，进给量

f次之，背吃刀量

ap最小。

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