切削原理 -刀具磨损及耐用度
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（3）急剧磨损阶段（Ⅲ）
当磨损带宽度增加到限度后，切削刃变钝， 0 ↓（为零或 负），Fr 、 ↑，刀—工分子亲和力增加，刀具磨损↑↑→ 更换刀具或刃磨刀具。
§3-1金属切削过程的基本规律
2．刀具磨钝标准： 刀具磨损到一定限度不能继续使用，这个磨损限度→磨钝 标准。 ★ ISO标准 一般刀具后刀面上都有磨损，测量方便， ISO统一规定： 以1/2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具 的磨钝标准。 →以后刀面上均匀磨损区的平均磨损量VB→刀具的磨钝标准。 ★自动化作业标准 自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺 寸作为刀具的 磨钝标准→径向磨损量NB。
§3-1金属切削过程的基本规律
3．扩散磨损：高温 切削金属材料时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化 学元素相互扩散，改变了材料原来成分和结构，使刀具表层 变得脆弱，从而造成刀具磨损。 示例: 用硬质合金刀具切削钢时，从800℃开始，硬质合金中的钴 扩散到切屑、工件，WC分解为钨和碳后扩散给工件→硬质合 金表面贫钨和碳，钴减少，降低粘结强度，而工件的铁和碳 →高脆性的复合碳化物。 固态下，金属原子扩散从浓度高的区域—浓度低的区域流动。
§3-1金属切削过程的基本规律
1．磨粒磨损（硬质点磨损） 工件材料中硬质点、脱落积屑瘤碎片对刀具表面的机械划伤 →刀具磨损。 硬质点：
VC ）； →碳化物（ Fe3C 、TiC 、
氮化物（ TiN 、Si3 N 4 ）； 氧化物（ SiO2 、 Al2 O3 ）； 金属间的化合物。 低速刀具（手工刀具、高速钢刀具）在前刀面和后刀面上发 现由于磨粒磨损产生的沟纹。
M —该工序单位时间内所分担的全厂总开支；
Ct —刀具成本。
对于车外圆：C pr KMT m KMtcT m1 KCt T m1 Mtt ， 令
dC pr dT
0 ：
Ct 1 m T Tc (t t ) m M
T TC ：成本最低； T TC ：机床消费↑，成本↑；
§3-1金属切削过程的基本规律 2．非正常磨损（破损）： 指刀具在切削过程中尚未达到磨损标准受到损坏而不能继续 使用的现象。按刀具材料分： ☆脆性破损：机械和热冲击作用
①崩刃
在切削刃上产生小缺口，尺寸与进给量相当， 发生在前、后刀面上，方向近似平行切削刃。 还可以用。常发生在脆性刀具材料上，如陶 产生积屑瘤、粘结现象、有冲击负荷时容易发 瓷刀具。 ②剥落 生。主要发生在脆性大的刀具材料，如含TiC 在切削刃上发生小块碎裂或大块 ③崩碎（碎断） 高的硬质合金、陶瓷、立方碳化硼刀具。 机械疲劳裂纹，方向平行切削刃；热应力裂纹： 碎裂（是崩刃的进一步发展）。 由于热冲击引起，方向垂直切削刃。如用硬质合 ④裂纹 金铣刀进行高速铣削时，刀齿不断受到周期性的 冲击和交变热应力，在前刀面上产生梳状裂纹。
（四）刀具耐用度 1．刀具耐用度 刃磨后的刀具，从开始切削至磨损量达到磨钝标准所用的切削 时间T，单位为min。 →衡量刀具切削性能的重要指标。 2．刀具耐用度的经验公式 ◆ vc 与刀具耐用度的关系：一定切削条件下，vc↑， ↓→ T↑。 按ISO国际标准对单刃车刀耐用度试验规定： VB 0.3mm 当切削刃磨损均匀，取 ； 若磨损不均匀， VBmax 0.6mm 。 固定其它条件，在常用速度范围内，取不同切削速 度 vc vc1 , vc 2 , vc3 , vc 4 ...... ，进行刀具磨损试验。
§3-1金属切削过程的基本规律
2．粘结磨损（冷焊磨损） 刀—工或刀—屑接触面出现冷焊现象（粘结现象），粘结点 因相对运动，粘结层（冷焊层）将产生破裂，由于交变应力、 疲劳裂纹、内应力、刀具材料组织不均匀等，粘结层的破裂 发生在刀具，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而造成 的刀具磨损。 一般发生在中、高切削速度下，加工塑性金属材料→常发生 在前刀面上。
§3-1金属切削过程的基本规律
刀具耐用度试验
§3-1金属切削过程的基本规律
lg vc m lg T lg A
m tg —直线斜率，
A— T 1smin 切削速度值，得： ● vc
T 关系： vcT A或
m
T C1 vc
1 m
高速钢刀具：
m 0.1 ~ 0.125
Ld w m Ld w t pr T tcT m1 tt 1000 a p fA 1000a p fA
KT m KtcT m1 tt
切削条件一定时，Ｋ为常数，令 m T TP ( )t c m
T T p ：↑刀具磨刀和装卸时间，↓生产率；
t pr
tm t m tt tc T
t m —切削时间（min/件）， t t —辅助时间（不包括换刀时间）， t c —换刀时间（min/次）。
Ld w 1000 vc L nw tm 对车外圆： （ ） d w 1000vc fa p nw a p
vcT m A，整理后得：
§3-1金属切削过程的基本规律 四、刀具磨损与刀具耐用度
（一）刀具的磨损形式： 1．正常磨损：三种 ◆后刀面磨损
由于已加工表面和后刀面存在压力和
摩擦，在与切削刃连接的后刀面上，磨 出长度为b、后角为零或小于零（副后角 ）的小棱面→后刀面磨损。
§3-1金属切削过程的基本规律
正常磨损形式
§3-1金属切削过程的基本规律
率为：
Ppr
S C pr t pr
，令
dPpr dT
0 T pr 。
§3-1金属切削过程的基本规律
（五）影响刀具耐用度的因素 ：切削温度提高因素→ T 。 1．※切削用量：
T
CT vc f
5 2.25
ap
0.75
'
2．刀具几何参数： 3．工件材料：
0 、 r 、 r 、r T
T TC ：刀具损耗费和磨刀费↑，成本↑。
３）最大利润耐用度T pr ： 按最低成本原则确定 Tc ， ； 加工工时 最短工序工时 按最大生产率原则确定 Tp ， 工序成本 最低成本。最大 利润耐用度兼顾两方面：
令S——工厂对每个零件所收的加工费用；
C pr ——每个零件的平均加工成本，则每个零件的利润
5．相变磨损 当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发 生变化。硬度下降，加速刀具磨损（刀面塌陷和刀刃卷曲）。 合金工具钢相变温度300～350℃；高速钢相变温度550～600℃。
§3-1金属切削过程的基本规律
（三）刀具的磨损过程和磨钝标准 1．刀具磨损过程：正常磨损条件下，切削时间↑，刀具磨损↑。
§3-1金属切削过程的基本规律
ISO推荐的车刀耐用度试验磨钝标准如下（高速钢和硬质合 金刀具）： ①如果后刀面在B区内均匀磨损，取 VB 0.3mm ②如果后刀面在B区内非均匀磨损，取 VBmax 0.6mm ③前刀面磨损量 KT 0.06 0.3 f
车刀的径向磨损量
§3-1金属切削过程的基本规律
§3-1金属切削过程的基本规律
◆前刀面磨损（月牙洼磨损）： 切削塑性材料，切削速度较高，切削厚度较大时，前刀面承受 高压、高温及摩擦，使前刀面磨出月牙洼（月牙洼深度KT）。 刀具耐热性和耐磨性不足时，在前刀面发生月牙洼磨损，此处 切削温度最高——崩刃。 ◆边界磨损（前、后刀面同时磨损）： 加工塑性材料、中等切削速度、中等进给量。
T
CT vc f
5 2.25
ap
0.75
vc对刀具耐用度影响最大；其次是 f ； a p影响最小。 结论：
所以在优选切削用量以提高生产率时，选择先后顺序： 首先尽量选用大 a p ; 其次根据加工条件和加工要求选取允许的最大 f ; 最后选取刀具耐用度或机床功率所允许的最大的 vc 。
3．刀具耐用度的选择 1）最高生产率耐用度 Tp ：以加工一个零件（或完成一道 工序）所花的时间最短（生产率最高）为原则确定的刀 具耐用度。完成一道工序所用的时间为：
§3-1金属切削过程的基本规律
☆塑性破损：高温、高压作用，切削刃产生 ①卷刃 ②刃区塌陷(烧刀) ③塑性变形 多发生在合金工具钢、高速钢刀具、硬质合金刀具在高温和 三向压应力状态下工作。
§3-1金属切削过程的基本规律
（二）刀具磨损的原因 切削过程刀具磨损的特点： 刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面； 接触压力大，有时超过被切削材料的屈服强度→高压； 接触面的温度高，硬质合金可达800～1000℃，高速钢可达30 0～600℃→高温。 刀具磨损在高温高压条件下产生的，刀具的正常磨损是由机 械的和热的、化学的三种作用的综合结果。
机械制造技术
主讲人：纪 晶
第3章 金属切削过程的基本规律及其应用
§3-1 金属切削过程的基本规律
一、切削变形 三、切削热及切削温度 二、切削力 四、刀具磨损与刀具耐用度
五、切削层参数与切削形式
§3-2 金属切削过程基本规律的应用
一、工件材料的切削加工性
三、刀具几何参数的选择
二、切削液
四、切削用量的合理选择
§3-1金属切削过程的基本规律
4．化学磨损（氧化磨损） 在一定温度下（700～800℃），刀具材料与周围介质（空气中 的氧、切削液中极压添加剂硫、氯）起化学反应，在刀具表面 形成硬度低、耐磨性差的化合物→加速刀具磨损。
主要发生在硬质合金刀具中→脆性↑，强度↓ 。
WC Co O2 WO 2
T TP ：↓切削用量，↓生产率。 T TP ：生产率↑— vcp
A
TP
m
。
2）最低（生产）成本耐用度 T ：以每个零件的加工费用 c 最低（成本最低）为原则确定的刀具耐用度。 每个零件的平均加工成本为（或零件的一道工序的 成本）：
C pr
tm tm t m M t t M t c M Ct T T
硬质合金刀具： m 0.2 ~ 0.3 陶瓷刀具：
m 0.4
§3-1金属切削过程的基本规律
◆ f 和 a p 与刀具耐用度之间的关系： 在一定切削条件下， f 和 a p↑，T ↓（ ↑）。 ● f T 关系：
fT n B
p
T C2 f
1 n
● a p T 关系： a pT C
初期磨损
后刀面磨损量VB 正常磨损 急剧磨损
切削时间
刀具后 刀面磨损曲线
刀具磨损过程
§3-1金属切削过程的基本规律
（1）初期磨损阶段（Ⅰ） 刀具后刀面 Ra↑，刀—工接触面小，单位面积上压力↑，刀 具磨损↑→ VB 0.05 ~ 0.1mm （2）正常磨损阶段（Ⅱ）
刀具后刀面 Ra↓，刀—工接触面大↑，单位面积上压力↓， 刀—工接触良好，磨损均匀而缓慢→使用范围。
T C3 a p
1 p
T
CT vc f a p
1 m 1 n 1 p
CT x y z vc f a p
x、 y、 z →切削用量对刀具耐用度的影响指数；
CT →耐用度系数，与刀具、工件材料和切削条件有关。
§3-1金属切削过程的基本规律
用硬质合金车刀切削 b 0.75GPa 的碳钢，当 f 0.75m m/ r 经验公式为：
强度、硬度高；塑性大、导热系数小→ T
；
4．刀具材料：高温硬度高、耐磨性好→ T 。
分三个区域： ①C区：近刀尖处磨损较大区域→
↑，散热条件↓→VC；
②N区：近待加工表面处，为全长的1/4的区域，在边界处磨出 较长沟槽→由于氧化层或上工序加工硬化造成→VN；
③B区：在C、N之间磨损较均匀的磨损区→VBmax。
◇ 在切削速度较低，切削厚度较小，切削塑性材料或切削脆性 材料时→后刀面磨损。
当磨损带宽度增加到限度后，切削刃变钝， 0 ↓（为零或 负），Fr 、 ↑，刀—工分子亲和力增加，刀具磨损↑↑→ 更换刀具或刃磨刀具。
§3-1金属切削过程的基本规律
2．刀具磨钝标准： 刀具磨损到一定限度不能继续使用，这个磨损限度→磨钝 标准。 ★ ISO标准 一般刀具后刀面上都有磨损，测量方便， ISO统一规定： 以1/2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具 的磨钝标准。 →以后刀面上均匀磨损区的平均磨损量VB→刀具的磨钝标准。 ★自动化作业标准 自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺 寸作为刀具的 磨钝标准→径向磨损量NB。
§3-1金属切削过程的基本规律
3．扩散磨损：高温 切削金属材料时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化 学元素相互扩散，改变了材料原来成分和结构，使刀具表层 变得脆弱，从而造成刀具磨损。 示例: 用硬质合金刀具切削钢时，从800℃开始，硬质合金中的钴 扩散到切屑、工件，WC分解为钨和碳后扩散给工件→硬质合 金表面贫钨和碳，钴减少，降低粘结强度，而工件的铁和碳 →高脆性的复合碳化物。 固态下，金属原子扩散从浓度高的区域—浓度低的区域流动。
§3-1金属切削过程的基本规律
1．磨粒磨损（硬质点磨损） 工件材料中硬质点、脱落积屑瘤碎片对刀具表面的机械划伤 →刀具磨损。 硬质点：
VC ）； →碳化物（ Fe3C 、TiC 、
氮化物（ TiN 、Si3 N 4 ）； 氧化物（ SiO2 、 Al2 O3 ）； 金属间的化合物。 低速刀具（手工刀具、高速钢刀具）在前刀面和后刀面上发 现由于磨粒磨损产生的沟纹。
M —该工序单位时间内所分担的全厂总开支；
Ct —刀具成本。
对于车外圆：C pr KMT m KMtcT m1 KCt T m1 Mtt ， 令
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0 ：
Ct 1 m T Tc (t t ) m M
T TC ：成本最低； T TC ：机床消费↑，成本↑；
§3-1金属切削过程的基本规律 2．非正常磨损（破损）： 指刀具在切削过程中尚未达到磨损标准受到损坏而不能继续 使用的现象。按刀具材料分： ☆脆性破损：机械和热冲击作用
①崩刃
在切削刃上产生小缺口，尺寸与进给量相当， 发生在前、后刀面上，方向近似平行切削刃。 还可以用。常发生在脆性刀具材料上，如陶 产生积屑瘤、粘结现象、有冲击负荷时容易发 瓷刀具。 ②剥落 生。主要发生在脆性大的刀具材料，如含TiC 在切削刃上发生小块碎裂或大块 ③崩碎（碎断） 高的硬质合金、陶瓷、立方碳化硼刀具。 机械疲劳裂纹，方向平行切削刃；热应力裂纹： 碎裂（是崩刃的进一步发展）。 由于热冲击引起，方向垂直切削刃。如用硬质合 ④裂纹 金铣刀进行高速铣削时，刀齿不断受到周期性的 冲击和交变热应力，在前刀面上产生梳状裂纹。
（四）刀具耐用度 1．刀具耐用度 刃磨后的刀具，从开始切削至磨损量达到磨钝标准所用的切削 时间T，单位为min。 →衡量刀具切削性能的重要指标。 2．刀具耐用度的经验公式 ◆ vc 与刀具耐用度的关系：一定切削条件下，vc↑， ↓→ T↑。 按ISO国际标准对单刃车刀耐用度试验规定： VB 0.3mm 当切削刃磨损均匀，取 ； 若磨损不均匀， VBmax 0.6mm 。 固定其它条件，在常用速度范围内，取不同切削速 度 vc vc1 , vc 2 , vc3 , vc 4 ...... ，进行刀具磨损试验。
§3-1金属切削过程的基本规律
2．粘结磨损（冷焊磨损） 刀—工或刀—屑接触面出现冷焊现象（粘结现象），粘结点 因相对运动，粘结层（冷焊层）将产生破裂，由于交变应力、 疲劳裂纹、内应力、刀具材料组织不均匀等，粘结层的破裂 发生在刀具，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而造成 的刀具磨损。 一般发生在中、高切削速度下，加工塑性金属材料→常发生 在前刀面上。
§3-1金属切削过程的基本规律
刀具耐用度试验
§3-1金属切削过程的基本规律
lg vc m lg T lg A
m tg —直线斜率，
A— T 1smin 切削速度值，得： ● vc
T 关系： vcT A或
m
T C1 vc
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高速钢刀具：
m 0.1 ~ 0.125
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KT m KtcT m1 tt
切削条件一定时，Ｋ为常数，令 m T TP ( )t c m
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Ld w 1000 vc L nw tm 对车外圆： （ ） d w 1000vc fa p nw a p
vcT m A，整理后得：
§3-1金属切削过程的基本规律 四、刀具磨损与刀具耐用度
（一）刀具的磨损形式： 1．正常磨损：三种 ◆后刀面磨损
由于已加工表面和后刀面存在压力和
摩擦，在与切削刃连接的后刀面上，磨 出长度为b、后角为零或小于零（副后角 ）的小棱面→后刀面磨损。
§3-1金属切削过程的基本规律
正常磨损形式
§3-1金属切削过程的基本规律
率为：
Ppr
S C pr t pr
，令
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0 T pr 。
§3-1金属切削过程的基本规律
（五）影响刀具耐用度的因素 ：切削温度提高因素→ T 。 1．※切削用量：
T
CT vc f
5 2.25
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0.75
'
2．刀具几何参数： 3．工件材料：
0 、 r 、 r 、r T
T TC ：刀具损耗费和磨刀费↑，成本↑。
３）最大利润耐用度T pr ： 按最低成本原则确定 Tc ， ； 加工工时 最短工序工时 按最大生产率原则确定 Tp ， 工序成本 最低成本。最大 利润耐用度兼顾两方面：
令S——工厂对每个零件所收的加工费用；
C pr ——每个零件的平均加工成本，则每个零件的利润
5．相变磨损 当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发 生变化。硬度下降，加速刀具磨损（刀面塌陷和刀刃卷曲）。 合金工具钢相变温度300～350℃；高速钢相变温度550～600℃。
§3-1金属切削过程的基本规律
（三）刀具的磨损过程和磨钝标准 1．刀具磨损过程：正常磨损条件下，切削时间↑，刀具磨损↑。
§3-1金属切削过程的基本规律
ISO推荐的车刀耐用度试验磨钝标准如下（高速钢和硬质合 金刀具）： ①如果后刀面在B区内均匀磨损，取 VB 0.3mm ②如果后刀面在B区内非均匀磨损，取 VBmax 0.6mm ③前刀面磨损量 KT 0.06 0.3 f
车刀的径向磨损量
§3-1金属切削过程的基本规律
§3-1金属切削过程的基本规律
◆前刀面磨损（月牙洼磨损）： 切削塑性材料，切削速度较高，切削厚度较大时，前刀面承受 高压、高温及摩擦，使前刀面磨出月牙洼（月牙洼深度KT）。 刀具耐热性和耐磨性不足时，在前刀面发生月牙洼磨损，此处 切削温度最高——崩刃。 ◆边界磨损（前、后刀面同时磨损）： 加工塑性材料、中等切削速度、中等进给量。
T
CT vc f
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vc对刀具耐用度影响最大；其次是 f ； a p影响最小。 结论：
所以在优选切削用量以提高生产率时，选择先后顺序： 首先尽量选用大 a p ; 其次根据加工条件和加工要求选取允许的最大 f ; 最后选取刀具耐用度或机床功率所允许的最大的 vc 。
3．刀具耐用度的选择 1）最高生产率耐用度 Tp ：以加工一个零件（或完成一道 工序）所花的时间最短（生产率最高）为原则确定的刀 具耐用度。完成一道工序所用的时间为：
§3-1金属切削过程的基本规律
☆塑性破损：高温、高压作用，切削刃产生 ①卷刃 ②刃区塌陷(烧刀) ③塑性变形 多发生在合金工具钢、高速钢刀具、硬质合金刀具在高温和 三向压应力状态下工作。
§3-1金属切削过程的基本规律
（二）刀具磨损的原因 切削过程刀具磨损的特点： 刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面； 接触压力大，有时超过被切削材料的屈服强度→高压； 接触面的温度高，硬质合金可达800～1000℃，高速钢可达30 0～600℃→高温。 刀具磨损在高温高压条件下产生的，刀具的正常磨损是由机 械的和热的、化学的三种作用的综合结果。
机械制造技术
主讲人：纪 晶
第3章 金属切削过程的基本规律及其应用
§3-1 金属切削过程的基本规律
一、切削变形 三、切削热及切削温度 二、切削力 四、刀具磨损与刀具耐用度
五、切削层参数与切削形式
§3-2 金属切削过程基本规律的应用
一、工件材料的切削加工性
三、刀具几何参数的选择
二、切削液
四、切削用量的合理选择
§3-1金属切削过程的基本规律
4．化学磨损（氧化磨损） 在一定温度下（700～800℃），刀具材料与周围介质（空气中 的氧、切削液中极压添加剂硫、氯）起化学反应，在刀具表面 形成硬度低、耐磨性差的化合物→加速刀具磨损。
主要发生在硬质合金刀具中→脆性↑，强度↓ 。
WC Co O2 WO 2
T TP ：↓切削用量，↓生产率。 T TP ：生产率↑— vcp
A
TP
m
。
2）最低（生产）成本耐用度 T ：以每个零件的加工费用 c 最低（成本最低）为原则确定的刀具耐用度。 每个零件的平均加工成本为（或零件的一道工序的 成本）：
C pr
tm tm t m M t t M t c M Ct T T
硬质合金刀具： m 0.2 ~ 0.3 陶瓷刀具：
m 0.4
§3-1金属切削过程的基本规律
◆ f 和 a p 与刀具耐用度之间的关系： 在一定切削条件下， f 和 a p↑，T ↓（ ↑）。 ● f T 关系：
fT n B
p
T C2 f
1 n
● a p T 关系： a pT C
初期磨损
后刀面磨损量VB 正常磨损 急剧磨损
切削时间
刀具后 刀面磨损曲线
刀具磨损过程
§3-1金属切削过程的基本规律
（1）初期磨损阶段（Ⅰ） 刀具后刀面 Ra↑，刀—工接触面小，单位面积上压力↑，刀 具磨损↑→ VB 0.05 ~ 0.1mm （2）正常磨损阶段（Ⅱ）
刀具后刀面 Ra↓，刀—工接触面大↑，单位面积上压力↓， 刀—工接触良好，磨损均匀而缓慢→使用范围。
T C3 a p
1 p
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1 m 1 n 1 p
CT x y z vc f a p
x、 y、 z →切削用量对刀具耐用度的影响指数；
CT →耐用度系数，与刀具、工件材料和切削条件有关。
§3-1金属切削过程的基本规律
用硬质合金车刀切削 b 0.75GPa 的碳钢，当 f 0.75m m/ r 经验公式为：
强度、硬度高；塑性大、导热系数小→ T
；
4．刀具材料：高温硬度高、耐磨性好→ T 。
分三个区域： ①C区：近刀尖处磨损较大区域→
↑，散热条件↓→VC；
②N区：近待加工表面处，为全长的1/4的区域，在边界处磨出 较长沟槽→由于氧化层或上工序加工硬化造成→VN；
③B区：在C、N之间磨损较均匀的磨损区→VBmax。
◇ 在切削速度较低，切削厚度较小，切削塑性材料或切削脆性 材料时→后刀面磨损。