金属切削原理与道具第六章 刀具磨损、破损和刀具耐用度

§6.6 刀具的破损
刀具破损基本知识
刀具材料脆性大、断续切削、加工高硬度材料时破损严重 硬质合金刀具的损坏形式50%～60%是脆性破损，陶瓷刀具 破损比例更高 刀具的破损按切削时间可分为早期和后期两种
刀具脆性破损的形态
崩刃、碎断、剥落、裂纹破损（p112，解释）
刀具的塑性破损
高温、高压下刀具表层材料发生塑性流动而丧失切削能力 塑性破损与刀具材料和工件材料的硬度比有关（p112举例）
v T m A
又：tm
Lw d w L dw w T m 1000 v f a p 1000 A f a p
将tm代入to，对T求导，并令其为0，可得到最大生产率 刀具耐用度为：
1 m Top tc m
Ct 1 m Top tc Cm m
Top
刀具费用 ta C m 刀具耐用度
经济耐用度
§ 6.5 合理耐用度的选用原则
合理刀具耐用度选择
选择刀具耐用度时应考虑以下几点： 1、刀具的复杂程度、制造和磨刀成本； 2、换刀时间； 3、装刀、换刀和调刀复杂的多刀机床、组合机床和自 动化加工刀具耐用度应选得高些； 4、某工序成为制约生产效率的瓶颈时或单位时间内分 担到的全厂开支较大时，该工序的刀具耐用度应选得低 些； 5、大件零件精加工时，应避免中途换刀； 6、柔性加工时，根据多目标优化后的综合经济效果来 选定刀具耐用度；
T m CO
式中：V-切削速度（m/min) T-刀具耐用度（min）
m-指数，表示V-T间影响程度；Co-系数，与刀具、材料和切削 条件有关(该曲线在正常磨损条件下获得的，无破损和积屑瘤)
◆ f-T、ap-T关系的数学表达
fT C f
n
apT Cp
p
§ 6.4 刀具耐用度的经验公式
§ 6.2 刀具磨损的原因
化学磨损
一定温度下，刀具材料与周围介质中的氧、硫、氯等元素起化 学反应，在刀具表面生成硬度较低的化合物，被切屑带走，加 剧刀具磨损，或者因为刀具材料被某种介质腐蚀，加剧磨损。
几种原因的磨损比例
§ 6.3 刀具磨损过程及磨钝标准
刀具磨损过程
3个阶段
初期磨损 后刀面磨损量VB
§ 6.2 刀具磨损的原因
按对温度的依赖程度分：
硬质点磨损
工件材料中的杂质、碳化物、氮化物和氧化物等硬质点及积 屑瘤碎片在刀具表面划出沟痕，工具钢刀具较显著（图6-6） — 各种切削速度下均存在 — 低速情况下刀具磨损的主要原因，温度低其他磨损不显著 — 磨损量与刀具和工件的相对滑动距离或切削路程成正比
正常磨损
急剧磨损
磨钝标准
ISO 统一规定评定指标： 背吃刀量的一半处的后刀 面磨损高度VB
刀具前刀面 γ =0
刀具磨损过程
切削时间
自动化生产中的精加工刀具指标： 刀具径向磨损量NB 加工条件不同，所定的磨钝标准 也有变化 磨钝标准具体数值参考有关切削 用量手册
α
后刀面
§ 6.4 刀具耐用度的经验公式
高温下，新鲜表面接触，摩擦面材料中的化学元素相互扩散。 化学成分改变消弱了刀具材料的性能，加速损耗。 — 高速钢切削温度低，扩散磨损很轻，主要是硬质点磨损 — 硬质合金800°C 开始扩散，主要形式 — 金刚石刀具在一定 的切削温度和时间下 发生结晶溶解 — 立方氮化硼刀具在 1000°C钛合金接触 10min即发生明显扩散
粘接（冷焊）磨损
粘结：刀具与工件材料接触到原子间距离时所产生的结合现象 — 足够大的正压力和温度作用下 — 摩擦面塑性变形所形成的新鲜表面原子间吸附力造成冷焊 — 摩擦面粘结点因相对运动使晶粒群受剪或受拉破坏被带走 — 粘接程度与两者材料成分、温度、切削条件等有关
§ 6.2 刀具磨损的原因
扩散磨损
高速钢
1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60
刀具耐用度T（min）
不同刀具材料的耐用度比较
§ 6.5 合理耐用度的选用原则
最大生产率耐用度
使工序时间最短的刀具耐用度。以车削为例，工序时间：
tm to t m t a tc 换刀次数 T 式中to 、 tm 、 ta 、 tc 分别为工序时间、基本时间、辅助 时间和换刀时间；T 为刀具耐用度。令f，ap为常数，有：
破损信号
声发射钻头破损检测装置系统图
§ 6.5 合理耐用度的选用原则
经济耐用度
使工序成本最小的刀具耐用度。仍以车削为例，工序成本为：
C0 tm Cm ta Cm tc Cm Ct tm T
C0 tmCm
C0 —— 工序成本； Cm —— 机时费； Ct —— 刀具费用； tm ，ta ，tc ，T —— 含义同前。 式中 仍令f，ap为常数，采用相同方法 ，可得到经济耐用度为（右图）
声发射检测方法
切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间 摩擦以及刀具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声 发射信号小而连续，刀具严重磨损后声发射信号会增大， 而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多，达到正常切 削时的几倍
刀具破损检测与监控
交换 折断 工件 声发射 传感器 工作台 机床 控制器 钻头破损 检测器
§ 6.1 刀具磨损形态
正常磨损
前刀面磨损 形式：月牙洼 形成条件：加工塑性材料， v大，ac大（原因p97） 影响：削弱刀刃强度，降低 加工质量
后刀面磨损
刀具磨损形态
VBmax
a)
b)
形式：后角=0的磨损面（参数——VB，VBmax） 形成条件：加工塑性材料, v 较小, ac 较小；加工脆性材料 影响：切削力↑, 切削温度↑, 产生振动，降低加工质量 边界磨损 形式：主刀刃靠近工件外皮处及副刀刃刀尖处的后刀面上磨损 形成条件：加工塑性材料, 加工硬化作用
刀具耐用度概念
◆ 刀具刃磨后从开始切削至达到磨钝标准的总切削时间， 用T 表示。 ◆ 刀具总寿命 — 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总 切削时间，其间包括多次重磨。
切削速度与刀具耐用度的关系
◆ 试验曲线
§ 6.4 刀具耐用度的经验公式
切削速度与刀具耐用度的关系
◆ V-T关系的数学表达
log m log T log CO
金属切削原理与刀具
——山东理工大学机械工程学院
李志永 2013年2月
第六章 刀具磨损、破损和刀具耐用度
本章要点
刀具磨损形态 刀具磨损原因 刀具磨损过程和磨钝标准 刀具耐用度的经验公式 合理刀具耐用度的选择
刀Fra Baidu bibliotek的破损
§ 6.1 刀具磨损形态
刀具切削的特点
◆ 刀具前刀面与活性很强的、新鲜的切屑底面接触， 无氧化膜污染； ◆ 前后刀面与切屑接触压力极大； ◆ 接触面上接触温度很高， （硬质合金刀具加工钢时达 800～1000°C以上）； ◆ 磨损时存在着机械、热和 化学作用以及摩擦、粘接和扩 散等现象；
T CT v5 f 2.25 a 0.75 p
★可见v的影响最显著；f次之；ap影响最小。
§ 6.4 刀具耐用度的经验公式
不同刀具材料耐用度比较
切削速度v（m/min）
800 600 500 400 300 200 100 80 60 50
陶瓷刀具 （VB=0.4mm） 硬质合金 （VB=0.4mm）
刀具耐用度经验公式（泰勒公式）
综合 V-T、 f-T 和ap-T关系得： CT T 1 1 令x=1/m,y=1/n,z=1/p则：
T CT z vx f y ap
vm f n a
1 p p
式中CT 、x、y、z 为与工件、刀具材料等有关的常数 。 用硬质合金刀具切削碳钢（σb= 0.763GP a）时，有：
刀具的脆性破损耐用度
刀具破损耐用度：刀具刃磨后开始切削，一直到尚未达到 磨钝标准之前就发生破损不能继续切削时，刀刃受冲击的 次数。
刀具破损检测与监控
常规方法
规定刀具切削时间，离线检测
切削力与切削功率检测方法
通过切削力（切削功率）变化幅值，判断刀具的磨损程 度；当切削力突然增大或突然下降很大幅值时，则表明 刀具发生了破损 通过实验确定刀具磨损与破损的“阈值”
高速钢刀具因耐热性较低易产生塑性破损，硬质合金则不易 发生
§6.6 刀具的破损
刀具脆性破损的原因
工件几何形状不规则、材料物理机械性能不均匀形成冲击 载荷 切削方式本身带来机械冲击（如铣削、刨削等） 硬质合金、陶瓷刀具硬度高、脆性大；粉末冶金材料和组 织自身不均匀 破损的根本原因是因切削过程中产生的机械应力和热应力 造成的冲击、机械疲劳和热疲劳