刀具磨损知识

刀具耐用度并不是越高越好，如果把 刀具耐用度选得过高，则切削用量势必 被限制在很低的水平，虽然此时刀具的 消耗及其费用较少，但过低的加工效率 也会使经济效果变得很差。
如图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。
由图可见： ❖ 在低速(低温)区以硬质点磨损和粘结磨损为主； ❖ 在高速(高温)区以扩散和化学磨损为主。 此外，在某一切削速度下，刀具的磨损强度最低。
各种材料在切削钢铁时的主要磨损 形式
高速刚：硬质点，粘结 硬质合金：粘结，扩散 陶瓷刀具：机械，粘结 CBN：扩散很小 金刚石：扩散很大
四、刀具磨损过程及磨纯标准
1、刀具磨损过程
Ⅰ:初期磨损阶段 Ⅱ:正常磨损阶段 Ⅲ:剧烈磨损阶段
❖ 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 面积很小，压应力较大，加之 新刃磨的刀具的后刀面存在着 微观不平等缺陷，所以，这一 阶段的磨损很快。
一般初期磨损量为0.05～0.10mm，其大小与刀面 刃磨质量有很大关系。经仔细研磨过的刀具，其初 期磨损量较小。
❖ 同一刀具材料切削各种工件材料，可以用耐用度 来比较材料的切削加工性；
❖ 还可以用耐用度来判断刀具几何参数是否合理。
❖ 对于某一切削加工，当工件、刀具材料和刀具几 何形状选定之后，切削用量是影响刀具耐用度的 主要因素。
2．切削用量对刀具耐用度的影响
❖ 切削速度与刀具耐用度的关系 切削速度与刀具耐用度的关系是用实验方法求得
❖ 前、后刀面上的接触压力很大，有时超过被切材 料的屈服强度；
❖ 接触面的温度也很高，如硬质合金加工钢料时可 达800～l00O℃。
因此，刀具磨损是机械的、热的和化学的三种作用 的综合结果。
1．硬质点磨损
切削时，切屑、工件材料中含有的一些碳化物、 氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等，可在 刀具表面刻划出沟纹，这就是硬质点磨损。
c
p
由以上公式可知，切削速度v对刀具耐用度的影响 最大，进给量f次之，背吃刀量ap最小。这与三者对 切削温度的影响顺序完全一致。这也反映出切削温 度对刀具磨损、耐用度有着最重要的影响。
刀具耐用度的分布
1.平均耐用度 2.具有分散性的随机变量 3.与实际情况是有出入的
六、刀具耐用度的选择
在实际生产中，刀具耐用 度同生产效率和加工成本之 间存在着较复杂的关系。
国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀耐用度的 磨钝标准，可以是下列任何一种：
❖ VB＝0.3mm； ❖ 如果主后面为无规则磨损，取VBmax＝0.6mm； ❖ 前面磨损量KT=0.06+0.3f。
自动化生产中用的精加工刀具，常以沿 工件径向的刀具磨损尺寸做为衡量刀具的 磨钝标准，称为刀具径向磨损量，以NB 表示；
一般，空气不易进入刀屑接触区，化学磨损中 因氧化而引起的磨损最容易在主、副切削刃的 工作边界处形成，从而产生较深的磨损沟纹。
氧化磨损
当刀削温度达700～800℃时，空气中的氧 便与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等 发生氧化作用，产生较软的氧化物(如 Co3O4、CoO、WO3、TiO2等)被切屑或 工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。 氧化磨损与氧化膜的粘附强度有关，粘附 强度越低，则磨损越快；反之则可减轻这 种磨损。一般，空气不易进入刀屑接触区， 氧化磨损最容易在主副刀削刃的工作边界 处形成。
❖ 正常磨损阶段
经初期磨损后，刀具的粗糙表 面已经磨平，承压面积增大， 压应力减小，从而使磨损速率 明显减小，刀具进入正常磨损 阶段。
这个阶段的磨损比较缓慢均匀。后刀面磨损量随 切削时间延长而近似地成比例增加。这是刀具工 作的有效阶段。
❖ 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。
扩散磨损的快慢和程度与刀具材料中化学元素的 扩散速率关系密切。
如硬质合金中，钛元素的扩散速率远低于钴、钨， 故YT类合金的抗扩散磨损能力优于YG类合金；YN 类合金和涂层合金则更佳，硬质合金中添加钽、铌 后形成固溶体，更不易扩散，故具有良好的抗扩散 磨损性能。
1.高速钢的扩散磨损
一般用于中低速切削，切削温度较低，扩 散磨损很轻，随着切削速度的提高，在扩 散磨损还没有起主导作用之前，可能就因 塑性变形而使刀具损坏
刀具T-v关系曲线。
该直线的方程为
lg v mlg T lg A
v A/Tm
关系式反映了切削速度与刀具耐用度之间的关系， 是选择切削速度的重要依据。指数m表示切削速度对 刀具耐用度的影响程度。
对于高速钢刀具，一般m＝0.1～0.125；硬质合金刀具， m＝0.2～0.3，陶瓷刀具m值约为0.4。m值较小，表示 切削速度对刀具耐用度影响大；m值较大，表明切削 速度对耐用度的影响小，即刀具材料的切削性能较好。
生产中应当避免达到这个磨损阶段。要在这个 阶段到来之前，及时更换刀具。
2．刀具的磨钝标准
刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个 磨损限度称为磨钝标准。
NB
一般刀具的后刀面上都有磨损，它对加工质 量和切削力、切削温度的影响比前刀面磨损 显著，同时后刀面磨损量易于测量，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。
硬质合金刀具虽有较高的硬度，但在中等偏低的 切削速度下切削塑性金属时，粘结磨损比较严重。
高速钢刀具有较高的抗剪和抗拉强度，抗粘结磨 损能力强，粘结磨损较慢。
晶粒越小，粘结磨损越慢 温度越小，粘结磨损越慢 YT类粘结磨损小于YG类磨损
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，刀具和工件、切屑 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，加速磨损过程。
2.硬质合金的扩散磨损
一般用于高速切削，切削温度高，Fe，Co 扩散明显，所以是该类刀具的主要磨损原 因之一。TiC抗扩散能力强，所以多用YT类 或涂层TiC。
3.金刚石的扩散
切削纯铁或低C钢时，扩散明显，所以不适 合切钢铁
4.CBN的扩散
与钢铁不反应，但与TI合金，扩散明显，所 以不能切钛合金材料。
❖ 进给量、背吃刀量与刀具耐用度的关系
按照求T-V关系式的方法，同样可以求得T-f和
T-ap关系式： f B / T n ap C /T p
综合得到切削用量三要素与耐用度的关系：
T
Cv
11
1
vm
f
n
a
P P
用YT5硬质合金车削σb=0.637GPa的碳钢时，寿命的 公式为
T
CT
f a 5 2.25 0.75
第六章 刀具磨损和刀具耐用度
切削加工时，刀具一方面切下切屑，另一方面本身也要发生 磨损或局部破损。
刀具磨损后，可明显地发现切削力加大，切削温度上升， 切屑颜色改变，工艺系统产生振动，加工表面粗糙度值增大， 加工精度降低。因此，刀具磨损到一定程度后，必须进行重 廓或更换新刀。刀具磨损和耐用度直接关系到切削加工的效 率、质量和成本，是切削加工中十分重要的问题之一。
刀具磨损主要决定于刀具材料及工件材料的物理机械性能 和切削条件。各种条件下刀具磨损有不同的特点。掌握这些 特点，才能合理地选择刀具及切削条件，提高切削效率，保 证加工质量。
一、刀具磨损
1、刀具磨损的形式
正常磨损： （逐渐随）时间增加磨损扩大。
非正常磨损 （突然）
破损
刀具正常磨损的形态：
1.前刀面磨损(月牙洼磨损) KT 切塑性材料时,
热电磨损
工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时 在接触区将产生热电势，这种热电势有促 进扩散的作用而加速刀具磨损。这种在热 电势的作用下产生的扩散磨损，称为“热 电磨损”。试验证明，若在工件、刀具接 触处通以与热电势相反的电动势，可减少 热电磨损。
总之，在不同的工件材料、刀具材料和切削 条件下，磨损原因和磨损强度是不同的。
3.边界磨损 切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外
表皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上， 磨出较深的沟纹。此两处分别是在主、副切 削刃与工 件待加工或已加工 表面接触的地方。
三、刀具磨损的原因
切削过程中刀具的磨损与一般机械零件的磨损有 显著的不同：
❖ 刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面；
VB
α0
规定磨钝标准有两种考虑：
❖ 一种是充分利用正常磨损阶段的磨损量， 来充分利用刀具材料，减少换刀次数，它 适用于粗加工和半精加工；
❖ 另一种是根据加工精度和表面质量要求确 定磨钝标准，此时，VB值应取较小值， 称为工艺磨钝标准。
NB VB
α0
当主后面磨损很不均匀时，以VBmax或VC值作 磨钝标准比较合理。
与铁相互扩散强度从大到小： 金刚石>碳化硅> CBN >氧化铝
与钛合金相互扩散强度从小到大： 金刚石>碳化硅> CBN >氧化铝
扩散磨损
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，如四氧化三钴、一氧化钴、三氧化钨 和二氧化钛等，被切屑或工件擦掉而形成磨损， 这称为化学磨损。
在柔性加工设备上，经常用切削力的数 值作为刀具的磨钝标准，从而实现对刀具 磨损状态的自动监控。
工艺系统刚性较差时应规定较小的磨钝 标准。因为当后刀面磨损后，切削力将增 大，尤以径向切削力Fy增大最为显著。
切削难加工材料时，切削温度较高，一 般应选用较小的磨钝标准。
五、刀具耐用度及其经验公式
1．刀具耐用度的定义
切削温度最高的地方
2.后刀面磨损
切削时，工件的新
鲜加工表面与刀具后刀
面接触，相互摩擦，引
起后刀面磨损。后刀面