第六节 刀具磨损、破损与刀具耐用度

第六节 刀具磨损、破损与刀具耐用度
一．刀具损坏的形式 二．刀具磨损的形态 三．刀具磨损的原因 四．刀具磨损的过程 五．刀具耐用度及其分布 六．刀具耐用度的选择原则 七．刀具的破损
一．刀具损坏的形式
1. 正常磨损（连续发生的逐渐破坏）
2. 破损（在某时间突然破坏，破坏前难以觉察）
脆性破损（崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等。） 塑性破损
立方氮化硼刀具的扩散磨损 ➢ 1300℃时，CBN与纯铁接触20min，只能形成0.013mm的扩散层。 ➢ 但CBN与钛合金在1000℃接触10min，就能形成0.015~0.03mm的
扩散层；在1300℃时，接触60s就可形成0.01mm的扩散层。
➢ 不同刀具材料的扩散速度
与铁的扩散
金刚石-SiC-CBN-Al2O3
在相同的切削条件下，切削这种材料的刀具耐用度。
➢
在相同的切削条件下，保证切削这种材料达到磨钝标准时所切的金属
体积。
以单位切削力来衡量（在机床动力不足或工艺系统刚性不足的 情况下，常用单位切削力的大小来衡量）
以断屑性能来衡量切削加工性 （在自动机床、组合机床及自动线上
进行切削时，或者断屑性能要求很高的工序时所用的标志方法）
不锈钢（易粘刀，切屑强韧，导热性差） 高温合金（比不锈钢的各项还要严重）
钛合金（导热性差，活性高，弹性模量小，塑性较 低）
3. 常用指标
当刀具耐用度为T时，切削某种材料所允许的
最高切削速度。
相对加工性Kr：在判别材料的切削加工性时，一 般以切削正火状态45钢的V60作为基准，写作 （V60）j，而其它材料的V60同它相比，其比值 Kr称为相对加工性。
Kr
v60 (v60 ) j
4. 影响材料切削加工性的因素
工件材料的硬度对切削加工性的影响 工件材料的强度对切削加工性的影响 工件材料的塑性和韧性对切削加工性的影
对比刀具破损耐用度的指标：威布尔分布或对数正态 分布的均值和方差。
第七节 工件材料的切削加工性
1. 切削加工性：指工件材料被切削加工的难易程度。
2. 衡量切削加工性的指标
以加工质量的好坏衡量切削加工性
以刀具耐用度衡量切削加工性
➢
在保证相同刀具耐用度的前提下，切削这种材料允许的最大切削速度。
➢
最低成本刀具寿命：以每件产品（或工序）的加工费用最低而
确定的刀具寿命。
其它原则
➢ 根据刀具的复杂程度，即制造和磨刀成本选择。 ➢ 机夹可转位刀具寿命可选择的短一些。 ➢ 对装刀、换刀、调刀比较复杂的多刀机床、组合机床、自动化
加工刀具，刀具寿命要选得高一些。 ➢ 关键工序的刀具寿命要选得低一些。 ➢ 要保证大件加工一次走刀完成加工。
响 工件材料的导热系数对切削加工性的影响 工件材料的化学成分对切削加工性的影响 金属组织对切削加工性的影响
5. 改善材料切削加工性的途径 （工件材料的力学性能和物理性能对加工性有影响， 材料的化学成分、金相组织对切削加工性也有影 响。）
调整材料的化学成分。（添加硫、硒、铅、铋、磷）
采用热处理的方法改变材料的金相组织物理力学性 能，以改善切削加工性。
七、 刀具的破损（刀具在一定的切削条件下使用时，如果它经受不
住强大的应力，就可能发生突然破坏，使刀具提前失去切削能力。）
破损的分类
刀具脆性破损的形式 ➢ 崩刃 ➢ 碎断 ➢ 剥落 ➢ 裂纹破损
刀具脆性破损的原因 机械冲击，机械疲劳，热疲劳。
刀具的塑性破损（切削时，由于高温高压的作用，有时在前、后刀面和切屑
(ISO3685-1977)
刀具寿命经验公式的适用情况
在常用的切削速度范围适用。 在低速区域，在双对数坐标中不一定是直线。 已破损为主的刀具材料不适用。
六、 刀具耐用度（寿命）的选择原则
高生产率刀具寿命：以单位时间生产最多数量的产品或加工
每个零件所消耗的生产时间最短而确定的刀具寿命。
总的来说，对一定的刀具材料和工件材料，起主 导作用的是切削温度。在低温区，刀具以机械磨 损（硬质点磨损）为主；在高温区，以热化学磨 损（粘结磨损、扩散磨损、化学磨损和热电磨损） 为主。
四、刀具的磨损过程及磨钝标准
初期磨损阶段 ➢ 磨损特征：磨损很快，VB=0.05~0.1mm ➢ 磨损原因：刃口缺陷和刃口应力集中。 正常磨损阶段 ➢ 磨损特征：磨损缓慢而均匀，后刀面磨损量随切削时间的延长近
三、刀具磨损的原因
1. 硬质点磨损（机械磨损或摩擦磨损） 由于工件材料中的杂质、材料基体组织中所含的碳化 物、氮化物或氧化物等硬质点以及积屑瘤的碎片等造 成的机械磨损，他们在刀具表面刻划出一条条的沟纹。 （一般认为硬质点磨损产生的磨损量与刀具和工件相 对滑动距离或切削路程成正比）
2. 粘结磨损 粘结是指刀具与工件材料接触到原子间距离时所产生 的结合现象。粘结点因相对运动，刀具材料中晶粒或 晶粒群受剪或受拉而被对方带走，刀具即产生粘结磨 损。
与钛合金的扩散 Al2O3-CBN-SiC-金刚石
4. 化学磨损（包括氧化磨损）
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）发生化学作用，在刀具表面形成一层硬度较 低的化合物而被切屑带走，加速刀具磨损。或者因为刀具材料被某种 介质腐蚀，造成刀具磨损。
（YT14加工1Cr18NiMnTi时，由于S、Cl的腐蚀刀具磨损较快）
5. 热电磨损
在切削区高温作用下，刀具与工件材料之间形成热电偶，产生热电势， 致使刀具与切屑及刀具与工件间有电流通过，可加快刀具的扩散磨损。
刀具磨损的原因总结
刀具的正常磨损主要有硬质点磨损、粘结磨损、 扩散磨损、化学磨损和热电磨损，它们之间存在 相互影响。对于不同的刀具材料，在不同的切削 条件下，加工不同的工件材料时，其主要原因可 能是其中的一种或几种。
二．刀具正常磨损的形态
1. 前刀面磨损 2. 后刀面磨损 3. 边界磨损
1. 前刀面磨损
➢ 产生条件 ➢ 磨损特征 ➢ 定量描述（KT）
2. 后刀面磨损
➢ 产生条件 ➢ 磨损特征 ➢ 定量描述（VB）
3. 边界磨损
➢ 产生条件 ➢ 磨损位置及特征 ➢ 定量描述（VC和VN） ➢ 磨损原因
(高碳钢进行球化退火可降低硬度； 低碳钢进行正火可降低塑性；
白口铸铁可在一定温度下经过退火或正火使其变 为可锻铸铁）
6. 某些难切削材料的切削加工性
高锰钢（性能好的高锰钢都是奥氏体组织，加工硬 化严重，导热性低）
高强度钢（抗拉强度在1.177GPa以上的钢，高的 室温强度和硬度是影响加工性的主要因素）
影响刀具粘结磨损的因素分析
➢ 刀具材料的性质 ➢ 刀具材料的晶粒大小（硬质合金材料） ➢ 温度的影响 ➢ 刀具与工件材料的硬度比 ➢ 刀具表面形状与组织 ➢ 切削条件及工艺系统刚度
（K0为单位粘结力与刀具 材料的抗拉强度之比）
不同刀具材料的粘结强度系数K0比较图
3. 扩散磨损
两摩擦表面的化学元素有可能扩散到对方去，因而使使刀具表层的 化学成分发生变化，削弱刀具材料的性能，使刀具磨损加快。
B区是无规则的磨损 f为进给量
B区是有规则的磨损 B区是无规则的磨损
五、刀具寿命及其经验公式
刀具寿命（刀具耐用度） ➢ 定义：一把新刀（或重新刃磨过的刀具）从开始使用到达到磨钝
标准所经历的实际切削时间。 ➢ 重磨刀具的刀具寿命 ➢ 刀具总寿命
切削用量对刀具寿命的影响规律
切削速度对刀具寿命的影响规律及经验公式
（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）
刀具的脆性破损耐用度
刀具的脆性破损耐用度：刀具刃磨后开始切削，一直 到尚未达到磨钝标准之前，就发生破损而不能继续切 削时，刀具受冲击的次数。
刀具破损耐用度的分布：大样本（60~80个刀刃）条 件下，硬质合金和陶瓷刀具断续车削钢件时，服从威 布尔分布；而这两种刀具端铣淬硬钢时服从对数正态 分布。
脆性的复合碳化物 ➢ 特别是由于粘结剂的扩散降低碳化物与基体的粘结强度会加速刀具磨损 ➢ 不同成分的硬质合金扩散速度不同
金刚石刀具的扩散磨损 ➢ 910℃时，金刚石与纯铁接触10s，形成0.3%的碳钢。 ➢ 1000℃，金刚石与纯铁接触1s，形成0.2%的碳钢。 ➢ 1300℃，金刚石与纯铁接触0.1s，金刚石几乎完全熔于铁中。
似成比例增加。
➢ 磨损原因：硬质点磨损、粘结磨损、扩散磨损、化学磨损、热电 磨损。
急剧磨损阶段 ➢ 磨损特征：磨损速度迅速加快（工件表面变得非常粗糙）。 ➢ 磨损原因：切削力和切削温度的迅速升高。
磨钝标准：刀具磨损到一定限度就不能继续使用的磨损限度。 粗加工磨钝标准的判断 ➢ 加工表面是否出现亮带 ➢ 切屑的颜色是否异常，切屑的形状发生明显变化。 ➢ 切削过程中出现振动或其它不正常的声音。 精加工磨钝标准的判断 ➢ 表面粗糙度是否超过加工要求。 ➢ 工件的尺寸及形位精度是否超差。 评定刀具材料的切削性能和科学试验时，一般以VB值作为计量
边界磨损的原因
➢ 在刀刃附近的前、后刀面上，压应力和剪应力很大， 但在工件表面处的切削刃上应力突然下降，形成很 高的应力梯度，引起很大的剪应力。 前刀面上的切削温度很高，而刀具与工件外表面接 触处由于受空气冷却和切削液冷却而造成温度迅速 降低，造成很高的温度梯度，也引起很大的剪应力。
➢ 由于加工硬化原因，靠近刀尖处的副切削刃处的切 削厚度减薄到零，引起刀刃打滑，促使刀具磨损。
位置（1/2切削深度处）（具体数值可参考有关手册）
不同刀具材料的磨钝标准
刀具材料
高速钢 硬质合金
陶瓷
磨钝标准
破损 VB=0.3mm VBmax=0.6mm VB=0.3mm VBmax=0.6mm KT=0.06+0.3f 破损 VB=0.3mm VBmax=0.6mm
备注
B区是有规则的磨损 B区是无规则的磨损