第三章 金属切削过程及其控制(1-4)

刀具破损的形式
1. 脆性破损
脆性破损 塑性破损
1）崩刃
刃上产生小缺口。
用陶瓷刀具切削及用硬质合金刀具作断续切削时， 易发生这种破损。
——为早期破损
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2）碎断
刀刃上发生小块碎裂或大块断裂。硬质合 金和陶瓷刀具断续切削时常发生。
3）剥落
——为早期破损
刀面上掉下一片。——为断续切削时发生的早 期破损。
刀具后刀面与工件实际接触面积↑ →单位切削力 磨损
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后刀面磨损量VB
3）. 急剧磨损阶段
特点：
磨损增加很快→刀具损坏
初期磨损 正常磨损
急剧磨损
原因：
磨损量VB已达到一定的限度， 刀具钝化。
切削时间
图3-59 刀具磨损过程
继续切削 → 切削力、温度↑↑ → 刀具磨损扩展极其迅 速→ Ra ↑↑ 刀具的切削能力很快就会完全丧失。
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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。 （1）直观判断法 在生产实际中，常常根据切削中发生的一些现象 （如出现火花、振动、啸音，或加工表面粗糙度恶化 等）来判断刀具是否已经磨钝。
（2）ISO标准
规定以1/2背吃刀量 (ap)处的后刀面上测定的磨损带 宽度VB作为刀具的磨钝标准。
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（3）自动化生产标准
自动化生产中的精加 工刀具，则常以沿工件 径向的刀具磨损尺寸作 为刀具的磨钝标准，称 为径向磨损量NB。
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刀具磨钝标准选取原则： 1）工艺系统刚性差，VB取小些；反之，取大些。 2）难加工材料， VB取小些。（防止温度升高） 3）加工精度高， VB取小些。 4）大型工件， VB取大些（防中途换刀）。
常见的难加工材料：
高锰钢、钛合金 、高强度钢、不锈钢、高温合金等。
材料相对加工性等级
加工
性 材料名称及种类
等级
1
很易切削 一般有色
材料
金属
相对加 工性Kr
＞3.0
2 容易切削 易切削钢 2.5～3
材料
3
较易 切削钢
1.6～ 2.5
4 5
普通材料
一般钢、 铸铁
稍难切削 材料
1.0～ 1.6
0.65～ 1.0
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交换 工件 工作台
折断
声发射 传感器
钻头破损 检测器
机床 控制器
破损信号
声发射钻头破损检测装置系统图
flash
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3.9 工件材料的切削加工性
3.9.1 衡量材料切削加工性的指标
1．切削加工性概念
定义： 在一定切削条件下，工件材料进行切削 加工的难易程度。
2．衡量指标
1）以一定刀具耐用度下的切削速度vT衡量加工性； 2）以切削力或切削温度衡量加工性； 3）以加工表面质量衡量加工性； 4）以切屑控制或断屑的难易衡量加工性。
粘结磨损 加剧
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（3） 扩散磨损 —— 高温下发生
刀具与切屑、工件接触
处由于高温作用，双方化
学元素在固态下互相扩散，
使刀具材料成分改变造成
磨损。
扩散越快
——切削温度越高； ——刀具—工件材料亲合力越大； 扩散磨损加剧
高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。
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（4） 化学磨损
—— 高温情况下，在切削刃工作边界发生
④氧化的原因。
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2. 刀具磨损机理 ➢ 刀具磨损的特点： ① 刀具与切屑、工件之间的接触表面经常是
活性很高的新鲜表面，不存在氧化膜或其 他吸附膜； ② 刀具与切屑、工件之间的接触压力非常大， 经常超过工件材料的屈服强度； ③ 刀具与切屑、工件之间的接触面的温度很 高。
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2. 刀具磨损机理
刀具正常 磨损的原因
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3.8.3 刀具耐用度和刀具寿命
1. 刀具耐用度和刀具寿命的定义 刀具耐用度 T 刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为 止所经历的切削时间。 刀具总寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间， 其间包括多次重磨。
刀具总寿命＝刀具耐用度×刃磨次数
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2. 切削用量对刀具耐用度的影响
2
3.8.1 刀具磨损的形态和磨损机理
刀具的磨损发生在与切屑和工件接触的前刀面和后刀 面上。 1. 刀具磨损的形态
（1）前面磨损 发生的位置： 在前刀面切削温度最高的 位置。 形状： 月牙洼。
3
产生条件：
切削塑性材料，切削速度和切削厚度较大，刀具的耐
热性及耐磨性稍差
产生原因：
内磨擦
刀—屑接触区受高温高压作用 —→
刀具耐用度应规定得高些。 ③ 某工序的生产成为生产线上的瓶颈时，
刀具耐用度应定得低些。 ④某工序单位时间的生产成本较高时，
刀具耐用度应规定得低些。 ⑤精加工大型工件时，为了保证在一次走刀中不换刀，
刀具耐用度应规定得高些。
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3.8.4 刀具的破损
定义: 在切削加工中，刀具不经正常磨损，而在很短
时间内突然损坏以致失效的现象。
刀具耐用度T定得过高，切削用量就要取得低，但
切削效率下降，经济效益未必好；
刀具耐用度T定得过低，切削用量可以取得高，但
换刀次数多，刀具消耗变大，调整刀具位置费工费时，
经济效益也未必好。
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制订刀具耐用度时，应具体考虑的问题：
① 刀具构造复杂、制造和磨刀费用高时， 刀具耐用度应规定得高些。
② 多刀车床上的车刀，组合机床上的钻头、丝锥和铣刀， 自动机床及自动线上的刀具，因为调整复杂，
切削过程在线监测。 缺点： 需要大量的系统标定工作，标定精度决定
了系统的监测精度。
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2. 刀具破损的检测
（1）光电式破损检测 光源3发出的光线通过隔板的小孔 射向刚加工完毕返回的钻头1。 若钻头折断或破损，则光线射向 光敏元件2，发出破损信号； 若钻头完好，则光线被钻头阻挡， 光敏元件无信号输出。
化学活性↑
—→ 化学反应↑
月牙洼磨损
新鲜表面接 触、磨擦
t↑
影响： 月牙洼形成 KT↑
磨损 扩展
刀具崩刃 图示
磨损值表示：
月牙洼最大深度KT
(2). 后刀面磨损
—在后刀面与工件接触的很小的一块面积上，由于大 的接触压力而产生弹性和塑性变形，使后刀面被磨出 沟痕形成的宽窄不均的磨损。
后刀面磨损发生在下列区域 ：
3.8 刀具磨损与刀具寿命
刀具失效形式
磨损 —正常工作时逐渐产生的损耗 破损 —突发的破坏，随机的
磨损是连续的、逐渐的发展过程
破损是随机的突发破坏
脆性破损 塑性破损
1
磨损后的物理现象
Fz↑、θ↑，振动产生，尺寸超差，表面质量恶化。 重磨（换刀），影响效率
刀具的磨损是本节重点学习内容
包括:
重点掌握刀具磨损形态、机理、磨损过程及磨钝 标准等； 了解刀具的破损形式及原因。
85，钢σb＝0.883GPa 45Cr，调质σb＝1.03GPa 65Mn，调质σb＝0.932～0.981 50CrV, 调质；1Crl8Ni9Ti, 钛合金 某些钛合金，铸造镍基高温合金
3.9.2 改善材料切削加工性的措施
材料的切削加工性对生产率和表面质量的影响很大， 因此在满足零件使用要求的前提下，尽量选用加工性 能好的材料。
后刀面平均磨损带 宽度VB
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(3) 边界磨损
发生区域 ：
主切削刃靠近 工件待加工表面 处的后刀面上
副切削刃靠 近刀尖处的 后刀面上
磨出较深 的沟纹
图示
7
产生原因：
①刀具与工件的接触区刀刃附近区域压应力、剪应力 很大，非接触区的应力为零→形成应力梯度，产生大 的剪应力。
②加工硬化作用及副切削刃处 的切削厚度ac→0→引起副切 削刃打滑导致磨损加剧。 ③工件待加工表面的硬皮作用导致 边界磨损。
硬质点磨损 粘结磨损 扩散磨损 化学磨损
（1） 硬质点磨损
硬质点对刀具表面的划痕。
—— 各种切速下均存在
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-
—— 低速情况下刀具磨损的主要 扩散磨损；4-化学磨损
原因
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（2） 粘结磨损（冷焊）
在中等偏低切削速度下 ，切屑低层与刀具表面发生 新鲜表面接触，原子之间发 生粘结。 硬质合金、高速钢均会发生 —— 刀具材料与工件材料亲和力大 —— 刀具材料与工件材料硬度比小 ——WC类硬质合金中的Co含量越高
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3.8.5 刀具状态监控
1. 刀具磨损的检测与监控
分类： 直接监测与间接监测。
直接监测 采用直接测量刀具的磨损 量，并通过补偿机构对相 应误差进行补偿。
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间接监测
检测与刀具（磨）破损相关的物理量（测力法、测 温法、测振法、测主电机电流和声发射法）。 优点： 可以克服直接监测法的缺点，能真正实现
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2）气动式破损检测 当钻头1退回时，气阀 开启，气流经过喷嘴3 射向钻头。如果钻头折 断或破损，气流会冲向 压力开关2，从而发出 破损信号。
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（3）磁通式破损检测
图中有一个带有线圈3的电 磁铁芯2，钻头1起衔铁作 用，从而形成磁路。当钻 头折断时磁路不通，从而 发出破损信号。
检测刀具破损的方法还 有许多，比如利用激光、 超声波检测等。
4）裂纹破损
破损疲劳→裂纹→破损
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（图3-38）硬质合金端铣刀的脆性破损形态
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2. 塑性破损
大应力、高温→塑性变形→刀具材料流动→ 破损
① 烧刃 当切削速度过高而切削温度超过一 定限度（高速钢超过600°C），刀 具材料将发生相变。
刀具材料的金相组织将由马氏体转变 为硬度较低的屈氏体、索氏体或硬度 更低的奥氏体，而丧失切削能力
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常用： 一定刀具耐用度下的切削速度vT衡量加工性 以切削正火状态的45钢（σb＝0.637Gpa ）的 V60为基准，记为[ V60 ]j 相对加工性： Kv＝ V60 /[ V60 ]j V60 —其它工件材料，在刀具耐用度为60min 时所允许的切削速度
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当 Kv ＞1时，该材料比45钢容易切削，例如 有色金属Kv ＞3； 当 Kv ＜1时，该材料比45钢难切削 当Kv<0.65时，就属于难加工材料
图示
（1）刀尖部分（C区）
（2）主切削刃靠近 工件待加工表面部分 （N区）
（3）在后刀面磨损带 的中间部位（B区）
5
产生条件：
切削脆性材料 以较小的ac （<0.1mm) 切塑性 材料时 产生原因： 接触区高压→强烈摩擦
影响： 沿后刀面逐渐扩展→摩擦严重→F↑、 θ↑→烧刀、振动。
磨损值表示：
图示
通过试验，可以得到切削用量与刀具耐用度的关系：
T
CT
1
11
vcm
f
g
a
h p
式中CT 、m、g、h 为与工件、刀具材料等有关的常数 。
令x =1/m，y =1/g，z =1/h，则
T=
CT
vx
f
ya
z p
21
切削速度v（m/min）
800
600
陶瓷刀具
500
（VB=0.4mm）
400
300
200
硬质合金
一定温度下，刀材 与空气中的氧、切削液 中的硫、氯起化学作用 ，生成较软的化合物， 造成刀具磨损。
化学磨损是边界磨损原因之一； 主要发生在较高速切削条件下。
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3.8.2 刀具磨损过程及磨钝标准
后刀面磨损量VB
1. 刀具磨损过程 (1) . 初期磨损阶段
初期磨损 正常磨损
急剧磨损
特点：
曲线斜率大，磨 损很快。
（VB=0.4mm）
100
80
高速钢
60
50
1
2 3 5 6 8 10 20 30 40 60
刀具耐用度T（min）
不同刀具材料的耐用度比较
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用硬质合金刀具切削碳钢（σb= 0.763GP a）时，有：
T
v5
f
CT
2.25
a
0.75 p
故对T的影响程度：V﹥f﹥ap
选用切削用量时： 应先选ap，后选 f，最后选V。
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② 卷刃 高速钢刀具切削高硬材料或切削过程中遇到
了硬皮或硬质点，则刀刃处可能发生塑性变 形或"卷刃"，不能再继续工作。 ③ 折断
钻头、丝锥、拉刀、立铣刀等刀具，若切 削、负荷过重或使用不当，则可能折断。
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3. 防止破损措施
① 合理选择刀具材料。用作断续切削的刀具，刀具 材料应具有一定的韧性。 ② 合理选择刀具几何参数。通过选择合适的几何参 数，使切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出 负倒棱是防止崩刃的有效措施。 ③ 保证刀具的刃磨质量。切削刃应平直光滑，不得 有缺口，刃口与刀尖部位不允许有烧伤。 ④ 合理选择切削用量。防止出现切削力过大和切削 温度过高的情况。 ⑤ 工艺系统应具有较好的刚性。防止因为振动而损 坏刀具。
原因：
ห้องสมุดไป่ตู้
切削时间
图3-59 刀具磨损过程
➢ 新刃磨的刀具表面微观上粗糙不平；
➢ 刀刃锋利→刀具后刀面与工件实际接触面积↓→单 位切削力↑→磨损↑↑
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后刀面磨损量VB
(2）. 正常磨损阶段
特点： 磨损缓慢稳定均匀。 原因：
初期磨损 正常磨损
急剧磨损
刀具粗糙表面已磨平 →
切削时间
图3-59 刀具磨损过程
6
较难切削 0.5～
材料
0.65
难加工材 难切削
7
料
材料
0.15～ 0.5
8
很难切削 材料
＜0.15
代表性材料
铜铝合金，铝铜合金，铝镁合金
退火l5Cr，σb＝0.373～o.441GPa 自动机钢，σb＝0.393～0.491GPa 正火30钢，σb＝0.441～0.549GPa
45钢，灰铸铁 2Crl3，调质σb＝0.834GPa