刀具磨损(课堂PPT)

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➢ 1. 塑性破损 塑性破损是指由于高温高压作用而使前、后刀面发生塑
性流动而丧失切削能力。它直接与刀具材料与工件材料的硬 度比值有关，硬度比值越大，越不容易发生塑性破损。 ➢ 2. 脆性破损
硬质合金和陶瓷刀具在机械与热冲击作用下，常产生的 崩刃、碎断、剥落、裂纹等均属脆性破损。
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6.2 刀具磨损的原因
抗粘结性能好于YG类。故切削钢件时宜选用YT类硬质合金。
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6.2.3 扩散磨损
由于切削时处于高温，当两摩擦表面化学元素的浓度相差 较大时，它们就可能在固态下相互扩散到对方去，改变了 刀具材料和工件材料的化学成分，使刀具材料变得脆弱而 造成刀具磨损，这种磨损称为扩散磨损。
例如，当切削温度达800℃以上时，一方面硬质合金中的
C、W、Co 等元素扩散到切屑中去而被带走（图6.5），切 屑中的Fe元素扩散到硬质合金表层，形成新的脆性低硬度 复合碳化物；另一方面，硬质合金中的C扩散出去造成贫 碳，使硬度降低,Co的扩散使其含量减小，降低了WC、 TiC等碳化物与基体的粘结强度，这些都使刀具磨损加工加 剧。但TiC 的扩散能力不如WC，高温下反而会在表层生成 TiO2保护层而阻碍扩散进行，故高速切钢宜选用YT类硬质 合金。
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6.4 刀具使用寿命及与切削用量的关系
6.4.1 刀具使用寿命
➢ 1.刀具使用寿命的定义
一把新刀从开始切削到磨损值达到磨钝标准为止总的切 削时间，或者说刀具两次刃磨之间总的切削时间，称刀具使 用寿命（旧称刀具耐磨度），以T表示。
在一些情况下，刀具使用寿命也可用达到磨钝标准时总切 削路程 来表示；精加工时，也可用加工完的工件数量或走 刀次数来表示。
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➢ 2. 刀具使用寿命与刀具总寿命关系 刀具的总寿命是指一把新刀从投入使用直到报废为止总 的切削时间。由于通常一把新刀可以刃磨多次以后才报废， 因此刀具的总寿命应等于刀具使用寿命与刃磨次数的乘积。
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6.4.2 切削用量与刀具使用寿命关系
切削用量与刀具使用寿命有着密切的关系，切削用量三要 素对刀具使用寿命的影响也不同。
三种不同刀具材料切削同一种工件材料（镍铬钼合金钢） 时的使用寿命比较。
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必须指出，式（6.2）的使用是有一定限制的： ① 该公式是以刀具正常磨损为基础得到的，对于脆性大 的刀具材料，在断续切削时经常发生破损，这个关系式不适
泰勒公式，是选择切削速度的重要依据。指数m是vc——T 直
线的斜率，其大小表示切削速度对刀具使用寿命的影响程 度：耐热性越差的刀具材料，m值越小，直线斜率越小， 说明切削速度对刀具使用寿命的影响越大，亦即切削速度 稍微改变一点，就会造成刀具使用寿命有较大的变化。
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如高速钢刀具的耐热性较差，一般m=0.1～0.125；硬质 合金和陶瓷刀具的耐热性较好，直线斜率较大，硬质合金刀 具的m=0.2～0.3，陶瓷刀具的m=0.3～0.4。图6.11给出了
由于工件材料、刀具材料和切削条件的不同变化很 大，刀具的磨损形态各不相同，磨损原因也复杂得很， 刀具磨损的主要原因分述如下：
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6.2.1 硬质磨损
硬质点磨损（亦称机械磨损或磨料磨损），是由于工件 材料中含有的硬质点（如碳化物、氮化物和氧化物）以及积 屑瘤的碎片等在刀具表面上划出沟纹而造成的磨损。
① 破损。
② 如果后刀面在B区内（图6.2）是有规范的磨损，取 VB=0.3mm。
③ 如果后刀面在B区内无规则的磨损、划伤、剥落或严 沟痕，取VBmax=0.6mm。
重的
（2）硬质合金刀具，可以是下列任何一种： ① VB=0.3mm。 ② 如果后刀面是无规则的磨损，取VBmax =0.6mm。 ③ 前刀面磨损量KT=0.06+0.3f，其中f为进给量。
高速钢刀具的这种磨损比较显著，硬质合金刀具相对较少。 各种切削速度下，刀具都存在硬质点磨损，但它是低速切 削刀具磨损的主要原因。
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6.2.2 粘结磨损
粘结是指刀具与工件材料在足够大压力和高温作用下，
所产生的“冷焊”现象，是摩擦面的新鲜表面原子间吸附的 结果。两摩擦表面的粘结点因相对运动将被撕裂而被对方 带走，若粘结点的破裂发生在刀具一方，则造成了刀具磨 损。 一般来说，粘结点的破裂往往发生在工件或切屑上。
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➢ 1. 前（刀）面磨损 加工塑性材料时，切削速度 较高，切削厚度较大时，在 高温高压作用下，切屑将在 刀具前刀面上逐渐磨出一个 月牙形凹窝，常被称为月牙 洼磨损（图6.1）。
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前刀面的磨损值常以月牙洼的最大深度KT表示（图 6.2（a）)
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➢ 2.后（刀）面磨损 当切削脆性材料或以较小进给量、较低切削速度切削塑 性材料时，在后刀面毗邻刃口处很快被磨出α0 =0°的小 棱面都将产生后刀面磨损。
➢ 1. 切削速度与刀具使用寿命的关系 工件材料、刀具材料和刀具几何参数确定后，切削速度
是影响刀具使用寿命的最主要因素。本实验也可采用单因素 法，数据处理也采用图解法。
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试验前先制定磨钝标准。 取VB=0.3mm；磨损不均 匀时，则取 VBmax=0.6mm。具体步 骤如
下：在固定其它切削条件的情 况下，在常用切削速度范围内， 选取不同的切削速度vc1、vc2、
自动化生产中的刀具，常以
刀具径向磨损量NB作为刀具磨损
标准。如图6.8：
制定磨钝标准时，既要考虑 刀具的合理使用，又要考虑工件 表面粗糙度和尺寸精度。因此， 不同加工条件下，刀具磨钝标准 也不相同。
具体数值可参考有关手册确 定。
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国际标准ISO推荐的车刀使用寿命试验的磨钝标准如下：
（1）高速钢或陶瓷刀具，可以是下列任何一种：
刀具磨损与一般机械零件的磨损有明显不同：与前刀面 接触的切屑底层是不存在氧化膜或油膜的新鲜表面。因此， 刀具磨损与机械、热和化学作用密切相关。
刀具磨损决定于刀具材料、工件材料的物理力学性能和 切削条件。
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6.1 刀具磨损形态
刀具磨损失效可分为正常磨损和非正常磨损两种。
6.1.1 正常磨损
所谓正常磨损，是指切削过程中刀具前刀面和后刀面在高 温、高压作用下产生的正常磨钝现象。刀具的磨损形态如 图6.1所示。 正常磨损有三种形态：
但刀具材料也可能有组织不均，存在内应力、微裂纹、 空穴及局部软点等缺陷，所以刀具材料表面也会发生 被工件材料带走造成的磨损。
各种刀具材料包括立方氮化硼和金刚石刀具都有可能发生 粘结磨损。 切削温度是影响粘结磨损的主要因素。切削温度越高， 粘结磨损越严重。
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图6.4是不同硬质合金与钢的粘结温度曲线。由图可知， YT类硬质合金与钢的粘结温度比YG类高，说明YT类硬质合金
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扩散磨损常常和粘结磨损同时产生。硬质合金刀具的前 刀面上月牙洼最深处的温度最高，故该处的扩散速度也高， 磨损快；月牙洼处又容易发生粘结，因此月牙洼磨损是由扩 散和粘结磨损共同造成的。
扩散磨损速度主要与切削温度和刀具的化学成分有关系。 所以YT类硬质合金的抗扩散能力优于YG类。采用TiC 和TiN
在生产实践中，例如，粗加工时，加工表面出现亮带，切 削颜色和形状发生变化，还会出现振动和不正常的声音等； 精加工时，加工表面粗糙度值增大，工件尺寸精度和形状 精度降低。这些异常现象的产生均说明刀具已经磨损。
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常以刀具后刀面磨损值作为衡量刀具磨损程度的磨钝标准。 因为一般刀具后刀面都会发生磨损，且测量也较方便。因 此国际标准ISO统一规定1/2背吃刀量处的后刀面磨损宽 度VB为刀具的磨损标准。
结磨损是主要的；高温时，扩散磨损和化学磨损是所占比 例大些。
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Hale Waihona Puke 6.3 刀具磨损过程与磨钝标准
6.3.1 刀具磨损过程
刀具磨损是随切削时间的 延长而逐渐增加的。该图的横
坐标为切削时间，纵坐标为 后刀面磨损值VB（或前刀 面月牙洼磨损深度KT）
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刀具磨损过程可分为三个阶段： ➢ 1. 初期磨损阶段
初期磨损阶段磨损曲线斜率较大，即刀具磨损较快。 因为新刃磨的刀具表面存在着粗糙不平及微裂纹、氧化或 脱碳层等缺陷，且刃口较锋利，后刀面与加工表面接触面积 小，压应力较大，故很快在后刀面上磨出一窄棱面。一般初 期磨损值为0.05 ～0.1mm，其大小与刀具的刃磨质量有关。
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➢ 2. 正常磨损阶段
正常磨损阶段。这个阶段的磨损比较缓慢均匀，后刀面的 磨损量随切削时间的增大而近似成比例增加。该阶段是 刀具的有效工作阶段，该阶段时间较长，刀具使用不应 超过这个阶段。
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➢ 3. 急剧磨损阶段
当刀具后刀面磨损值增加到一定限度时，加工表面粗糙 值加大，切削力迅速增大，切削温度迅速升高，刀具磨损速 度也急剧加快，为了合理的使用刀具，保证加工质量，应避
免刀具磨损进人该阶段。
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6.3.2 刀具磨钝标准
刀具磨损到一定程度就不能在继续使用，否则将降低工 件的尺寸精度和表面质量，增加刀具材料的消耗及加工成本。 刀具的这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。
vc3、vc4…进行刀具磨损试 验、 得到几条与之对应的刀具磨损 值VB随切削时间tm的变化 曲线（图6.9）。
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根据制定的磨钝标准，可以求出不同切削速度所对应的 刀具使用寿命。
为了找出切削速度vc与刀具使用寿命T的关系，可用图 解法在双对数坐标纸上画出（T1，vc1），（ T2，vc2）， （T3 ，vc3），（T4 ，vc4）…各点，在一定的切削速度范围 内，可发现这些点基本在一条直线上（图6.10）。
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后刀面的磨损往往不均匀，通常分为三个区：靠近刀尖部 分的C区、靠近工件外皮处的N区和中间部分的B区。C区由 于强度较低、散热条件较差，磨损较严重，磨损宽度的最大 值以VC表示；N区磨损属于边界磨损，由于工件毛胚表面 硬皮或上道工序加工硬化层等因素的影响，使得磨损加剧， 会产生较大深沟，该区的磨损宽度以VN表示；B区的磨损 比较均匀，常以平均磨损宽度VB表示，有时也用最大磨损 宽度VBmax表示。