第6章 刀具磨损与耐用度

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。
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％。

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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。 （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。
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。





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。
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 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。
6.2.1 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。
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。
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磨损。

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 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。
6.5 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 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。

6.4 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。




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 ：
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。
6.2 刀具磨损的原因

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 ℃。




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




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。




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？