第六章刀具磨损和刀具使用寿命

• 各种磨损原因可归纳成下列几点： • （1）高速钢刀具的耐热性及硬度比硬质合金低，粘蚀磨 损及磨粒磨损占的比例大，而扩散磨损占的比例不大。当 用高速钢切削高温合金等难切削材料时，应选用提高耐热 性与提高硬度的高性能高速钢。 • （2）刀具与工件材料粘结强烈，则粘蚀磨损占的比例增 大。 • （3）工件中硬质点数增加，则磨粒磨损占的比例增大。 • （4）周围介质化学作用容易引起切削刃边缘部位的月牙 洼磨损。 • （5）切削一些难加工材料时热电磨损占有一定比例。 • 在多数原因中都是随着切削温度的升高而加剧磨损，例如 扩散磨损、热电磨损及化学磨损等。所以切削温度是确定 磨损快慢的一个重要指标。当达到一定温度后，温度越高， 磨损越快 。
6.4刀具使用寿命与切削用量的关系
• 6.4.1刀具使用寿命 • 1.刀具的使用寿命：刀具刃磨后，从开始投入切削至达到 磨钝标准的净切削时间称为刀具使用寿命，记为 T。
• 2.刀具总寿命:新刀从开始切削至报废的总切削时间，包括 多次重磨。等于刀具使用寿命与刃磨次数的乘积。
• 刀具寿命可以作为衡量材料的可加工性的标准；衡量刀具 材料切削性能的标准；衡量刀具几何参数合理性的标准。
• 6.4.2刀具使用寿命与切削用量的关系 • 1.切削速度与刀具使用寿命的关系 • 用单因素法试验，改变vc得出各种速度下的刀具磨损量与 时间的关系曲线。选定VB，在图中得不同vc，对应得Ti， 于是在双对数坐标纸上得到在一定速度范围内的Vc-T曲线。 则有： Lgvc=-mlgT+lgCo
• 式中 Co：与刀具材料、切削条件等有关的常数； • m：速度影响指数。
• 粘结磨损速度与下列因素有关； • （1）刀具材料与工件材料粘结的牢固程度 • 粘结越牢越易磨损 • （2）刀具材料表层的微观强度 • 表层缺陷如微裂纹、空隙、杂质、残余应力。随着表 层缺陷的增多，粘蚀磨损也随之增加。 • （3）刀具材料与工件材料的硬度比 • 假如刀具材料与工件材料都不变化，仅改变切削速度， 则刀具材料与工件材料的硬度都随之变化。假如切削 速度的变化使工件材料的硬度下降而硬质合金的硬度 基本没有下降，则粘结磨损会减少。
f Tm1 = C1 apTm2= C2
1 x m
T
CT v f
1 m c 1 m1
a
1 m2 p
CT 1 1 T x y z z y m2 vc f a p m1 • CT:刀具使用寿命系数，与工件材料，刀具材料 及加工条件有关； • x,y,z: vc、f、ap对寿命的影响指数
T CT v f
• 1．硬质点磨损（磨料磨损 ） • 工件材料中含有一些氧化物（SiO2，Al2O3，TiO等），碳化物 （Fe3C，Cr23C6，Fe3W3C，Fe3MO3C，VC，TiC，Fe3(C,B)等）及 氮化物（Si2N4，Cr2N，TiN，VN，BN，AlN）等硬质点。这些合 金元素有些是杂质，有些是在炼钢时作为还原剂加进去的，有些是 为改善钢的性能有意识添加进去的。这些硬质点的硬度如果超过了 刀具材料基体的硬度，当进入刀、屑接触面时，就会象磨料一样在 刀具表面上划出一条条沟槽，称为磨粒磨损。 • 这种磨损存在于任何切削速度的切削加工中。但对于低速切削的刀 具（如：拉刀、板牙等）而言，磨料磨损是磨损的主要因素。这种 磨损不但发生在前刀面上，后刀面上也会发生。一般是软刀具材料 （高速钢、YG类高Co刀具）的主要磨损形式。
5 c 2.25 0.75 p
a
vc
Cv
.15 T 0.2 f 0.45a 0 p
• vc、f、ap对T的影响由大到小，故在一定的T下优选 切削用量的秩序为：ap、f、vc。
• ② 根据加工精度和表面质量要求规定磨钝标准。 • 刀具磨损后将恶化加工零件的表层质量，降低尺寸精度， 故半精加工与精加工的磨钝标准一般低于粗加工的，并且 应根据零件表层质量及精度的要求确定。对表层质量要求 严格（特别是防止出现过大的残余拉应力或避免在表层出 现微裂纹等缺陷）的重要零件，对后刀面的磨损量应该严 格控制。 • 国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准，可以是 以下任何一种： • （1） VB=0.3mm； • （2）如果主后刀面为无规则磨损，取VB max=0.6mm； • （3）前面磨损量KT=0.06+0.3f（f为进给量）
• 2.后刀面磨损 • 切削过程中，刀具后刀面与已加工表面之间存在着强烈的摩擦， 在后刀面上毗邻切削刃的地方磨出了沟痕，这种磨损形式称之为 后刀面磨损。 • 在切削脆性及以较低速度及较小进给量切削塑性材料时，均会发 生后刀面磨损。一般以后刀面的磨损量作为衡量刀具磨损的主要 参数。 • 后刀面磨损分为三个区，由刀尖向刀身方向分别为C、B、N，相 应的磨损量为VC、VB、VN。 • VC：磨损较大，因为刀尖强度差，散热条件差；VB：磨损均匀， 与刀尖相比，强度、散热相对较好。VN：磨损大，因其靠近前 一道工序加工后产生的加工硬化层，或毛坯表面的硬层。
第六章刀具磨损和刀具使用寿命
•刀具磨损是金属切削研究中的重要课题之一，其 与工件效率和加工成本有直接的影响 。 •刀具磨钝后会产生一些变化，例如已加工表面光 洁面恶化或在工件上出现挤亮的表面；切屑的形 状和颜色发生变化；切削的声音发生变化，产生 一种沉重的感觉，甚至出现振动等等。 •在刀具上，切削刃钝圆半径增大，后刀面上出现 磨损带，前刀面上可能出现月牙状的凹坑。
• 6.2.4化学磨损(氧化磨损) 在一定温度下，刀具材料与某些周围介质起化学作用， 在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑或工 件擦掉而形成磨损，称为化学磨损。 • 热电磨损 • 在切削区高温作用下刀具与工件这两种不同材料之间 会产生热电势，根据不同的刀具、工件材料及不同的 切削温度而异，大约在1~20mv之间。如果机床与工件 之间或机床与刀具之间没有绝缘，则在机床、工件、 刀具、机床回路中会产生微弱的电流。这个电流的大 小除与热电势有关外，还与这一回路中的电阻（称为 机床电阻）有关。静态的机床电阻都很小，一般小于1 欧。切削时机床电阻与转速有关，不同机床的变化规 律并不相同。试验表明，热电势产生的电流在几十毫 安以内，加速刀具的磨损。
• 6.1刀具磨损的形态 • 刀具失效的形式有正常磨损和非正常磨损两类。 • 6.1.1正常磨损 • 正常磨损是指随着切削时间增加，磨损逐渐扩大的 磨损。 • 1.前刀面磨损(月牙洼磨损) • 常发生于加工塑性金属时，切削速度较高和切削厚 度较大的情况下，切屑在刀具的前刀面上磨出一个 月牙形凹坑，习惯上称之为月牙洼。在磨损过程中， 初始磨损点与刀刃之间有一条小窄边，随着切削时 间的延长，磨损点扩大形成月牙洼，并逐渐向切削 刃方向扩展使切削刃强度随之削弱，最后导致崩刃。 月牙洼处即切削温度最高点。
VcT Co
m
• 表示了切削速度与刀具寿命之间的关系，是选择切削速度 的重要依据。m的大小表明切削速度对寿命影响的程度， 也表明了刀具材料切削性的好坏 。 • 高速钢：m=0.1~0.125； 硬质合金：m=0.2~0.3; 陶瓷刀具：m≥0.4。
• 2.进给量、被吃刀量与刀具使用寿命的关系
切削速度对刀具磨损强度的影响 1-硬质点磨损； 2-粘结磨损；3-扩散磨损；4-化学磨损
6.3刀具磨损过程及磨钝标准
• 6.3.1刀具磨损过程 • 1.初期磨损 磨损过程较快，时间短。因为新刃磨的刀具表面尖峰突 出，在与切屑相互磨擦过程中，压强不均匀，峰点的压强很大，造成 尖峰很快被磨损，使压强趋于均衡，达到不大的值（通常 VB=0.05~0.1mm）后即稳定下来，磨损速度减慢。 • 2.正常磨损 刀具表面经前期的磨损，峰点基本被磨平，表面的压强趋 于均衡，刀具的磨损量VB随时间的延长而均匀地增加。该阶段的磨损 曲线基本上是线性的，其斜率代表磨损强度，是比较刀具性能的一个 重要指标。 • 3.剧烈磨损 当正常磨损达到一定限度后，刀刃已变钝，切削力、切 削温度急剧升高，磨损原因发生了质变，刀具表层疲劳，性能下降， 磨损量VB剧增，刀具很快失效。磨损速度突然加快。在这种情况下， 应在VB到达C点前就终止切削，取下重磨。在正常的切削速度下用硬 质合金切削灰铸铁，当VB相当大时，可能也不出现这一阶段。这时 VB也不应过大，以免造成重磨困难。
• 3. 边界磨损 • 切削钢料时，常在主切削刃或副切削刃靠近工件外皮 处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损。 切削塑性金属时经常发生，加工铸、锻等外皮粗糙的 工件，也容易发生边界磨损。
• 6.1.2非正常磨损 • 在生产中，常会出现刀具突然崩刃、卷刃或刀片碎裂 的现象，被称为非正常磨损。 • 1.塑性破损 切削时，刀具由于高温高压的作用，使刀具前、后刀 面的材料发生塑性变形，刀具丧失切削能力，这种破 损称为塑性破损。与硬度比有关.硬质合金不易产生. • 2.脆性破损 • 在振动、冲击切削条件的作用下，刀具尚未发生明显 磨损（VB≤0.1mm），但刀具切削部分却出现了刀刃 微崩或刀尖崩碎、刀片或刀具折断、表层剥落、热裂 纹等现象，使刀具不能继续工作，这种破损称为脆性 破损。硬质合金易产生.
• 6.2.3扩散磨损 在切削高温下，使工件与刀具材料中的合金元素在固态下相互扩 散置换造成的刀具磨损，称为扩散磨损。 • 扩散磨损是硬质合金刀具磨损的主要形式，是加剧刀具磨损的一 种原因。常与粘结磨损同时产生。 • 扩散磨损的速度与下列因素有关： • 1.刀具与工件两种材料之间是否容易起化学反应 • 不同材料之间有不同的化学亲和性，有的材料之间在相当高的温 度下会发生激烈的化学反应，例如W、C与碳钢之间。在相同的 条件下，有的则不发生反应，例如Al2O3与碳钢之间。有的则发生 轻微反应，例如TiC与碳钢之间。切削碳钢时在相同的条件下， WC—Co硬质合金刀具的磨损最快，Al源自文库O3陶瓷刀具磨损最慢，而 WC—TiC—Co硬质合金刀具介于二者之间。 • 2.接触面的温度 • 由扩散定律，对一定材料，随着温度的上升，扩散量先是较缓 慢地增大，而后则越来越迅猛地增大。
• 6.2.2粘结磨损 • 粘结是冷焊和熔焊的总称。在摩擦副的实际接触面上，在 极大的法向压力下产生塑性变形而发生粘附—冷焊；在切 削高温区，材料软化而处于易变形状态，由于原子的热运 动作用，原子克服它们之间的位能壁垒，使两种金属互融 的可能性增大，这样发生的粘附—熔焊。在切削过程中， 两摩擦面由于有相对运动，粘结点将产生撕裂，被对方带 走，即造成粘结磨损。 • 这种磨损主要发生在中等切削速度范围内。粘附层的形成 是随着切削时间的递增而变化的，到一定程度就发生粘附、 撕裂，再粘附、再撕裂的周期循环。其撕裂的部位是从切 屑向刀具材料方向发展。当刀刃上发生大面积的撕裂时， 刀具就会突然失去切削能力。影响刀具粘附磨损的主要因 素除了化学反应外，接触区的温度和应力对刀具的磨损起 着决定性作用，这种磨损是任何刀具材料都会发生的磨损 形式。
6.2刀具的磨损原因
刀具的磨损过程和机理非常复杂，有机械负荷和硬质点 造成的机械磨损；切屑粘附造成的粘附磨损；周期性交变 载荷造成的疲劳磨损；化学效应造成的氧化和扩散磨损及 刀尖区高温塑性变形、热应力造成的磨损等。其特点可归 纳为： ⑴摩擦接触表面是活性很高的新鲜表面； ⑵摩擦接触的温度很高，可达800oC～1000oC； ⑶摩擦接触面之间的接触压应力很大，可达2GPa以上； ⑷磨损速度很快。刀具的磨损通常是机械、化学和热效应 综合作用的结果。
• 6.3.2刀具磨钝标准 刀具磨钝达一定限度就不能继续作用，而应进行重磨，这
个磨损限度成为刀具的磨钝标准。一般以后刀面磨损值 VB达到一定数值作为磨钝标准。磨钝标准的具体数值可 从切削用量手册中查得。 • 规定磨钝标准的两点标准： • ①一般将粗加工的磨钝标准定在正常磨损阶段的后期 临近剧烈磨损阶段以前。随着后刀面磨损值的加大，切 削力将增大，尤以Fx与Fy增大得更为显著，所以当机床、 刀具、工件系统刚度差时，刀具磨钝标准应适当减小。