第6章 刀具磨损与耐用度

❖ 习题6 ❖ 6-1 简述刀具各种磨损形态的种类。 ❖ 6-2 刀具的各种磨损形态各有什么特征？ ❖ 6-3 刀具磨损原因有哪些？刀具材料不同，其磨损原因是否
相同？
❖ 6-4 刀具磨损过程可分为几个阶段？各阶段有什么特点？ ❖ 6-5 何谓刀具磨钝标准？它与刀具耐用度有何关系？ ❖ 6-6 刀具磨钝标准制定的原则是什么？ ❖ 6-7 什么是刀具耐用度？ ❖ 6-8 刀具耐用度与刀具寿命有何关系？ ❖ 6-9 切削用量三要素对刀具耐用度的影响有何不同？ ❖ 6-10 何谓最高生产率耐用度和最低成本耐用度？ ❖ 6-11 制定刀具耐用度时应遵循哪些原则？ ❖ 6-12 刀具的脆性破损与刀具的塑性破损有什么区别？
❖ 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 损坏而失去切削能力。
❖ 6.3.2 刀具的磨钝标准
❖ 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ISO 3685：1993规定以1/2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。
❖ 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：
❖ （1）刀具与切屑、刀具与工件接触面经常是活性 很高的新鲜表面，不存在氧化膜等的污染。
❖ （2）刀具的前面和后面与工件表面的接触压力非 常大，有时甚至超过被切材料的屈服强度。
❖ （3）刀具与切屑、刀具与工件接触面的温度很高。 硬质合金刀具加工钢料时其接触面的温度可达 800～1 000 ℃；高速钢刀具加工钢料时其接触面的 温度可达300～600 ℃。
❖ 3.剥落
❖ 4.裂纹破损
❖ 6.5.2 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。
❖ 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。
❖ 6.2.4 化学磨损
❖ 在一定温度下，刀具材料与某些 周围介质（如空气中的氧，切削 液中的极压添加剂硫、氯等）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，这种磨损称 为化学磨损。
❖ 不同的工件材料、刀具材料和切 削条件下，磨损原因和磨损强度 是不同的。如图6-5所示为硬质合 金刀具加工钢料时，在不同的切 削速度（切削温度）下各类磨损 所占的比重。由图6-5可知，对于 一定的刀具和工件材料，切削温 度对刀具磨损具有决定性的影响
第6章 刀具磨损 与耐用度
❖ 教学重点
❖ 刀具磨损的原因； ❖ 刀具耐用度； ❖ 刀具耐用度的合理选择； ❖ 刀具的破损；
❖ 教学难点
❖ 刀具磨损过程与磨钝标准； ❖ 切削用量与刀具耐用度的关系； ❖ 刀具耐用度的合理选择；
6.1 刀具磨损的形态
❖ 切削时，刀具的前面和 后面与切屑和工件接触， 产生剧烈摩擦，同时在 接触区内有很高的温度 和压力。因此，刀具的 前面和后面都会发生磨 损。此外，刀具的边界 也会发生磨损。如图61所示为刀具的磨损形 态。
图6-7 各种速度下的刀具磨削曲线
图6-8 刀具T-v关系曲线
❖ 可得出以下结论：
❖ （1）如果其他切削条件不变，当切削速度提 高一倍时，刀具耐用度将降低到原来的3％。
❖ （2）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21％。
❖ （3）如果其他切削条件不变，当背吃刀量提 高一倍时，刀具耐用度将降低到原来的59％。
图6-6 典型的刀具磨损曲线
❖ 1.初期磨损阶段
❖ 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平等缺陷，所以，这一阶段的 磨损很快。
❖ 2.正常磨损阶段
❖ 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。
❖ 3.急剧磨损阶段
❖ 6.2.2 黏结磨损
❖ 切削时，切屑、工件与刀具前面和后面之间，存在 着很大的压力和强烈的摩擦，因此，形成新鲜表面 接触而发生冷焊黏结。由于摩擦面之间的的相对运 动，冷焊结破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。
❖ 一般说来，工件材料或切屑的硬度低，冷焊结的破 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，冷焊 结的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 严重。
❖ 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，因此，在此也 分别讨论这三要素与刀具耐用度的关系。
❖ 1.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，其数据处理采用图解法。
❖ （4）当车间内某一工序的生产率限制了整个车间 的生产率提高时，该工序的刀具耐用度要选得低些； 当某工序单位时间内所分担的全厂开支较大时，该 工序的刀具耐用度也应选得低些。
6.5 刀具的破损
❖ 6.5.1 刀具的脆性破损 ❖ 刀具的脆性破损包括崩刃、碎断、剥落和裂纹破损。 ❖ 1.崩刃
❖ 2.碎断
❖ 6.2.1 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（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。
❖ 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 磨损还不显著。
工件待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 损沟纹称为边界磨损，如图6-4 所示。 ❖ 在以下情况下可能发生边界磨 损： ❖ （1）上道工序的加工硬化可使 副后面上发生边界磨损。 ❖ （2）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。
6.2 刀具磨损的原因
❖ 6.2.3 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。
❖ 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。
6.4 刀具耐用度
❖ 6.4.1 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，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min。 ❖ 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。
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❖ 一般刀具耐用度的制订可遵循以下原则：
❖ （1）根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本的高 低来选择。
❖ （2）多刀机床上的车刀、组合机床上的钻头、丝 锥、铣刀以及数控加工中心上的刀具，它们的刀具 耐用度应选得高些。
❖ （3）精加工大型工件时为避免切削同一表面时中 途换刀，耐用度应规定得至少能完成一次走刀所需 的时间。
图6-5 切削速度对刀具磨 损强度的影响
1—硬质点磨损； 2—黏结 磨损； 3—扩散磨损； 4—
化学磨损
6.3 刀具磨损过程与磨钝标准
❖ 6.3.1 刀具磨损过程
❖ 随着切削时间的延长， 刀具的后面磨损量 （或前面月牙洼磨损 深度）随之增加。如 图6-6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、正常磨损阶段和 急剧磨损阶段。
❖ 6.4.3 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，凡能满足以下三个要求，可称为合理耐用度。
❖ （1）使该工序的加工生产率最高，即零件的加工时间最短。 ❖ （2）使该工序的生产成本最低，即所消耗的生产费用最低。 ❖ （3）使该工序所获利润最高。
❖ 1.最高生产率耐用度 ❖ 最高生产率耐用度的计算公式为 ：
图6-1 刀具的磨损形态
❖ 6.1.1 前面磨损 ❖ 前面磨损也称为月牙洼Hale Waihona Puke 损。图6-2 刀具前面的磨损
❖ 6.1.2 后面磨损 ❖ 由于加工表面和刀具后面间存在着强烈的摩
擦，在后面上毗邻切削刃的地方很快被磨出 后角为零的小棱面，这就是后面磨损。
图6-3 刀具后面的磨损
❖ 6.1.3 边界磨损 ❖ 切削钢料时．常在主切削刃与