26刀寿命使用具磨损和刀具解析
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2.6-刀寿命使用具磨损和刀具解析
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
2
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）
2.6.1 刀具的磨损形式 （一）前刀面磨损
切塑性材料，v 和hD较大时，
在前刀面上形成月牙洼磨损， 以最大深度KT 表示
（二）后刀面磨损 切铸铁或v 和hD较小切塑性
• (2)正常磨损阶段 经过初期磨损后，刀具后刀面与工件的接 触面积增大，单位面积上承受的压力逐渐减小，刀具后刀面 的微观粗糙表面已经磨平，因此磨损速度变慢，此阶段称为 刀具的正常磨损阶段。它是刀具的有效工作阶段。
• (3)急剧磨损阶段 当刀具磨损量增加到一定限度时，切削力 、切削温度将急剧增高，刀具磨损速度加快．直至丧失切削 能力，此阶段称为急剧磨损阶段。在急剧磨损阶段让刀具继 续工作是一件得不偿失的事倩，既保证不了加工质量，又加 速消耗刀具材料，如出现刀刃崩裂的情况，损失就更大。刀 具在进入急剧磨损阶段之前必须更换。
粘结磨损加剧
◆ 扩散磨损
—— 高温下发生
◆ 化学磨损 —— 高温情况下，在切削刃工作边界发生
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
15
对一定刀具和工件材料，起主导作用的是切削温度，低温 时以机械磨损（硬质点磨损）为主，高温时以热、化学磨 损（粘结、扩散、化学磨损）为主；
高速钢刀具（硬质点磨损和粘结磨损）； 硬质合金刀具（粘结磨损和扩散磨损）； 氧化铝陶瓷刀具（机械磨损和粘结磨损）； 立方氮化硼刀具的扩散磨损很小，而金刚石刀具的扩散 磨损很大，金刚石刀具不宜加工钢料。
切削钢料应用YT类硬质合金。（但不锈钢和高温合金 不宜用YT类硬质合金）
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
8
• 减小粘结磨损的途径： 1、硬质合金的晶粒加以细化，硬质合金表面涂覆TiC、
TiN、Al2O3等; 2、高速钢刀具表面要进行表面处理使表面形成一层
抗粘结的减磨层或高硬度的抗磨层，如氧氮化处理；
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
19
➢ 一般刀具都要发生后刀面磨损，而且 测量也比较方便。
➢ 国际标准ISO统一规定以1／2切削深 度处后刀面上测定的磨损带宽VB作为 刀具磨钝标准。
➢ 自动化生产中使用的精加工刀具，从 保证工件尺寸精度考虑，常以刀具的 径向尺寸磨损量NB作为衡量刀具的磨 钝标准。
空气中的氧易与硬质合金中的Co、WC、TiC发生氧化作 用，产生低硬度的氧化物(Cr3O4、TiO2、WO3等）被切屑和 工件带走，从而使刀具磨损。
化学磨损是边界磨损原因之一；主要发生在较高速 切削速度条件下。
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
12
5、热电磨损
切削时，刀具与工件构成一自然热电偶， 产生热电 势，工艺系统自成回路，热电流在刀具和工件中通过，从 而促进扩散作用而加速刀具磨损，这称为热电磨损。
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
20
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
21
➢ 制订刀具的磨钝标准时，既要考虑充分发挥刀具的切削 能力，又要考虑保证工件的加工质量。
➢ 精加工时磨钝标准取较小值，粗加工时取较大值； ➢ 工艺系统刚性差时，磨钝标准取较小值； ➢ 切削难加工材料时，磨钝标准也要取较小值。
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
28
用YT15硬质合金车刀切削σb=0.637GPa的碳钢时（ f>0.70mm/r）， 切削用量与T的关系为
T
53105
vc5
f
a 2.25 0.75 p
vc对T的影响最大，f次之，ap最小。
与对温度的影响顺序完全一致，反映了切削温度对刀具耐 用度有着重要的影响。
机械制造技术基础 — 金属切削原理
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
10
高温下，刀具材料中的W、 Co、Ti 、 C等易扩散到工件和 切屑中去；而切屑中的Fe、Si、Mn、Cr等也会扩散到刀具中来， 从而改变刀具材料中的化学成分， 使其硬度下降， 加速刀具 磨损。
与铁相互扩散强度的由大到小的顺序为： 金刚石－碳化硅－立方氮化硼－氧化铝
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
4
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
5
2.6.2 刀具磨损的原因 （一）磨料磨损
工件和切屑中的硬质点（如炭化物）以及不断脱落的积屑瘤 碎片划擦刀面产生磨损。
特点： （1）与温度基本无关，与硬质颗粒大小、数量及分布有关； （2） 高速钢硬度低，常发生磨料磨损。
3、适当提高切削速度使运动平稳减小振动，避开积 屑瘤的不稳定区域；
4、使用润滑性能良好的切削液等。
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2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
9
（三）扩散磨损
➢ 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，使刀材成分、结构改变造成磨损。
➢ 切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越大扩散越快； ➢ 高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。
零件数表示。
用途：确定换刀时间、衡量工件材料切削加工性和刀 具材料性能优劣、刀具几何参数选择是否合理、切削用量 选择是否合理等。
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
23
1、切削速度与刀具耐用度的关系
实验方法 按ISO国际标准对车刀耐用度试验的规定：当切削刃磨 损均匀时，取VB=0.3mm；磨损不均匀时则取VBmax=0.6mm。固定其它 的切削条件，在常用的切削范围内，取不同的切削速度vl、v2…， 对应的耐用度Tl、T2…。在对数坐标纸上定出各点(vl，T1)、(v2 ，T2)、（v3，T3)、…。可得：在一定切削速度范围内，它们基本 上是在一条直线上。这就是刀具磨损耐用度曲线。
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
24
此直线方程为_（刀具耐用度公式）
logvc mloTglogC0 vcTmC0
式中: vc——切削速度(m／min) T——刀具耐用度(min) m——指数；表示vc对T的影响程度，m＝tgφ直线斜率 C0—系数， 与刀具、 工件材料、 切削条件有关
谢谢大家！
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
16
2.6.3 刀具的磨损过程
对切削过程中刀具后刀面磨损量VB进行定时(或定切削行程)测量可得 刀具磨损过程的典型磨损曲线。刀具磨损过程可分为三个阶段：
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
17
• (1)初期磨损阶段 新刃磨的刀具刚投入使用,后刀面与工件 的实际接触而积很小，单位面积上承受的正压力较大，再加 上刚刃磨后的后刀面微观凸凹不平，刀具磨损速度很快,此阶 段称为刀具的初期磨损阶段。刀具刃磨以后如能用细粒度磨 粒的油石对刃磨面进行研磨,可以显著降低刀具的初期磨损量 。
VB值可从切削用量手册中查得。一般为0.3～0.6 mm。
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
22
2.6.5 刀具耐用度
刀具耐用度定义：刀具由刃磨后开始切削，一直到磨 损量达到刀具磨钝标准所经过的总切削时间，称为刀具耐
用度， 以T表示，单位为分钟（min)。精加工也可用加工
高速钢、硬质合金、陶瓷刀具、立方氮化硼和金刚 石刀具都会因黏结而发生磨损。
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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粘结磨损程度主要取决于刀具材料和工件材料在不同 温度下的相互亲和能力。（粘结强度系数K0）
硬质合金晶粒越小，磨损越慢；
刀具与工件的硬度比，刀具表面形状和组织，切削条 件和工艺系统刚度等都影响粘结磨损的速度。
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
18
2.6.4 刀具磨钝标准
含义：刀具的磨钝标准即指所规定的刀具磨损量的极限值，或 不能继续使用的限度。
生产中，控制刀具磨损量的方法，主要是根据切削中 发生的一些现象来判断刀具是否已经磨钝。例如：粗加工时， 观察加工表面是否出现亮带，切屑的颜色和形状的变化，以及 是否出现不正常的声音和振动现象等。精加工时可观察加工表 面粗糙度变化，以及测量加工零件形状和尺寸的精度等。如发 现异常现象就要及时换刀。
低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用wk.baidu.com命
6
（二）黏结磨损
黏结是指刀具与工件材料接触到原子间距离时所产生 的结合现象。两摩擦表面的粘结点因相对运动，晶粒或晶 粒群受剪或受拉被对方带走，是造成黏结磨损的原因。
由于刀具材料有组织不均匀、存在内应力、微裂纹及 空隙、局部软点等缺陷，所以刀具表面常发生破裂而被切 屑或工件带走，形成黏结磨损，在前刀面上形成不规则的 凹坑。
材料时，主要发生这种磨损。
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2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为VC； 中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以VB表示；边界处 磨损严重，以VN表示。
（三）边界磨损
切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接 触处磨出沟纹，称为边界磨损。边界处的加工硬化层、硬 质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。
与钛合金相互扩散的由大到小的顺序为： 氧化铝－立方氮化硼－碳化硅－金刚石
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2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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4、化学磨损(氧化磨损)
在高温下(700～800℃)，刀具材料与某些周围介质起 化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物而被切 屑带走，这样形成的刀具磨损称为化学磨损。
T
vc1/
m
CT f a 1/m1 1/
p
m2
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2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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令 X1、 Y1、 Z1 ， 则
m
m1
m2
T
CT
vcX
f
Y
a
Z p
式中:
ＣT——耐用度系数，与刀具、工件材料、切削条件有关 X、Y、Z--指数，分别表示vc、f、ap对T的影响程度
机械制造技术基础 — 金属切削原理
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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2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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2、进给量f、背吃刀量ap与刀具耐用度T的关系
用同样的方法可求出
fT m1 C 1 apT m2 C 2
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2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
13
综上所述：
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2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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刀具磨损原因
◆ 硬质点磨损
—— 各种切速下均存在 —— 低速情况下刀具磨损的主要原因
◆ 粘结磨损（冷焊）
—— 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 —— 中等偏低切速
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2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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高速钢刀具 m＝0.1～0.125，
m＝0.2～
0.3，陶瓷刀具 m＝0.4。m愈小，表示vc对T的影响愈大
切削速度v（m/min）
800
600 500 400
陶瓷刀具 （VB=0.4mm
300
）
硬质合金
200
（VB=0.4mm
）
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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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）
2.6.1 刀具的磨损形式 （一）前刀面磨损
切塑性材料，v 和hD较大时，
在前刀面上形成月牙洼磨损， 以最大深度KT 表示
（二）后刀面磨损 切铸铁或v 和hD较小切塑性
• (2)正常磨损阶段 经过初期磨损后，刀具后刀面与工件的接 触面积增大，单位面积上承受的压力逐渐减小，刀具后刀面 的微观粗糙表面已经磨平，因此磨损速度变慢，此阶段称为 刀具的正常磨损阶段。它是刀具的有效工作阶段。
• (3)急剧磨损阶段 当刀具磨损量增加到一定限度时，切削力 、切削温度将急剧增高，刀具磨损速度加快．直至丧失切削 能力，此阶段称为急剧磨损阶段。在急剧磨损阶段让刀具继 续工作是一件得不偿失的事倩，既保证不了加工质量，又加 速消耗刀具材料，如出现刀刃崩裂的情况，损失就更大。刀 具在进入急剧磨损阶段之前必须更换。
粘结磨损加剧
◆ 扩散磨损
—— 高温下发生
◆ 化学磨损 —— 高温情况下，在切削刃工作边界发生
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对一定刀具和工件材料，起主导作用的是切削温度，低温 时以机械磨损（硬质点磨损）为主，高温时以热、化学磨 损（粘结、扩散、化学磨损）为主；
高速钢刀具（硬质点磨损和粘结磨损）； 硬质合金刀具（粘结磨损和扩散磨损）； 氧化铝陶瓷刀具（机械磨损和粘结磨损）； 立方氮化硼刀具的扩散磨损很小，而金刚石刀具的扩散 磨损很大，金刚石刀具不宜加工钢料。
切削钢料应用YT类硬质合金。（但不锈钢和高温合金 不宜用YT类硬质合金）
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• 减小粘结磨损的途径： 1、硬质合金的晶粒加以细化，硬质合金表面涂覆TiC、
TiN、Al2O3等; 2、高速钢刀具表面要进行表面处理使表面形成一层
抗粘结的减磨层或高硬度的抗磨层，如氧氮化处理；
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➢ 一般刀具都要发生后刀面磨损，而且 测量也比较方便。
➢ 国际标准ISO统一规定以1／2切削深 度处后刀面上测定的磨损带宽VB作为 刀具磨钝标准。
➢ 自动化生产中使用的精加工刀具，从 保证工件尺寸精度考虑，常以刀具的 径向尺寸磨损量NB作为衡量刀具的磨 钝标准。
空气中的氧易与硬质合金中的Co、WC、TiC发生氧化作 用，产生低硬度的氧化物(Cr3O4、TiO2、WO3等）被切屑和 工件带走，从而使刀具磨损。
化学磨损是边界磨损原因之一；主要发生在较高速 切削速度条件下。
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5、热电磨损
切削时，刀具与工件构成一自然热电偶， 产生热电 势，工艺系统自成回路，热电流在刀具和工件中通过，从 而促进扩散作用而加速刀具磨损，这称为热电磨损。
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➢ 制订刀具的磨钝标准时，既要考虑充分发挥刀具的切削 能力，又要考虑保证工件的加工质量。
➢ 精加工时磨钝标准取较小值，粗加工时取较大值； ➢ 工艺系统刚性差时，磨钝标准取较小值； ➢ 切削难加工材料时，磨钝标准也要取较小值。
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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用YT15硬质合金车刀切削σb=0.637GPa的碳钢时（ f>0.70mm/r）， 切削用量与T的关系为
T
53105
vc5
f
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vc对T的影响最大，f次之，ap最小。
与对温度的影响顺序完全一致，反映了切削温度对刀具耐 用度有着重要的影响。
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高温下，刀具材料中的W、 Co、Ti 、 C等易扩散到工件和 切屑中去；而切屑中的Fe、Si、Mn、Cr等也会扩散到刀具中来， 从而改变刀具材料中的化学成分， 使其硬度下降， 加速刀具 磨损。
与铁相互扩散强度的由大到小的顺序为： 金刚石－碳化硅－立方氮化硼－氧化铝
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2.6.2 刀具磨损的原因 （一）磨料磨损
工件和切屑中的硬质点（如炭化物）以及不断脱落的积屑瘤 碎片划擦刀面产生磨损。
特点： （1）与温度基本无关，与硬质颗粒大小、数量及分布有关； （2） 高速钢硬度低，常发生磨料磨损。
3、适当提高切削速度使运动平稳减小振动，避开积 屑瘤的不稳定区域；
4、使用润滑性能良好的切削液等。
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（三）扩散磨损
➢ 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，使刀材成分、结构改变造成磨损。
➢ 切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越大扩散越快； ➢ 高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。
零件数表示。
用途：确定换刀时间、衡量工件材料切削加工性和刀 具材料性能优劣、刀具几何参数选择是否合理、切削用量 选择是否合理等。
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1、切削速度与刀具耐用度的关系
实验方法 按ISO国际标准对车刀耐用度试验的规定：当切削刃磨 损均匀时，取VB=0.3mm；磨损不均匀时则取VBmax=0.6mm。固定其它 的切削条件，在常用的切削范围内，取不同的切削速度vl、v2…， 对应的耐用度Tl、T2…。在对数坐标纸上定出各点(vl，T1)、(v2 ，T2)、（v3，T3)、…。可得：在一定切削速度范围内，它们基本 上是在一条直线上。这就是刀具磨损耐用度曲线。
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此直线方程为_（刀具耐用度公式）
logvc mloTglogC0 vcTmC0
式中: vc——切削速度(m／min) T——刀具耐用度(min) m——指数；表示vc对T的影响程度，m＝tgφ直线斜率 C0—系数， 与刀具、 工件材料、 切削条件有关
谢谢大家！
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2.6.3 刀具的磨损过程
对切削过程中刀具后刀面磨损量VB进行定时(或定切削行程)测量可得 刀具磨损过程的典型磨损曲线。刀具磨损过程可分为三个阶段：
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• (1)初期磨损阶段 新刃磨的刀具刚投入使用,后刀面与工件 的实际接触而积很小，单位面积上承受的正压力较大，再加 上刚刃磨后的后刀面微观凸凹不平，刀具磨损速度很快,此阶 段称为刀具的初期磨损阶段。刀具刃磨以后如能用细粒度磨 粒的油石对刃磨面进行研磨,可以显著降低刀具的初期磨损量 。
VB值可从切削用量手册中查得。一般为0.3～0.6 mm。
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2.6.5 刀具耐用度
刀具耐用度定义：刀具由刃磨后开始切削，一直到磨 损量达到刀具磨钝标准所经过的总切削时间，称为刀具耐
用度， 以T表示，单位为分钟（min)。精加工也可用加工
高速钢、硬质合金、陶瓷刀具、立方氮化硼和金刚 石刀具都会因黏结而发生磨损。
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粘结磨损程度主要取决于刀具材料和工件材料在不同 温度下的相互亲和能力。（粘结强度系数K0）
硬质合金晶粒越小，磨损越慢；
刀具与工件的硬度比，刀具表面形状和组织，切削条 件和工艺系统刚度等都影响粘结磨损的速度。
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2.6.4 刀具磨钝标准
含义：刀具的磨钝标准即指所规定的刀具磨损量的极限值，或 不能继续使用的限度。
生产中，控制刀具磨损量的方法，主要是根据切削中 发生的一些现象来判断刀具是否已经磨钝。例如：粗加工时， 观察加工表面是否出现亮带，切屑的颜色和形状的变化，以及 是否出现不正常的声音和振动现象等。精加工时可观察加工表 面粗糙度变化，以及测量加工零件形状和尺寸的精度等。如发 现异常现象就要及时换刀。
低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。
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2.6 刀具磨损和刀具使用wk.baidu.com命
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（二）黏结磨损
黏结是指刀具与工件材料接触到原子间距离时所产生 的结合现象。两摩擦表面的粘结点因相对运动，晶粒或晶 粒群受剪或受拉被对方带走，是造成黏结磨损的原因。
由于刀具材料有组织不均匀、存在内应力、微裂纹及 空隙、局部软点等缺陷，所以刀具表面常发生破裂而被切 屑或工件带走，形成黏结磨损，在前刀面上形成不规则的 凹坑。
材料时，主要发生这种磨损。
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2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为VC； 中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以VB表示；边界处 磨损严重，以VN表示。
（三）边界磨损
切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接 触处磨出沟纹，称为边界磨损。边界处的加工硬化层、硬 质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。
与钛合金相互扩散的由大到小的顺序为： 氧化铝－立方氮化硼－碳化硅－金刚石
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4、化学磨损(氧化磨损)
在高温下(700～800℃)，刀具材料与某些周围介质起 化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物而被切 屑带走，这样形成的刀具磨损称为化学磨损。
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令 X1、 Y1、 Z1 ， 则
m
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式中:
ＣT——耐用度系数，与刀具、工件材料、切削条件有关 X、Y、Z--指数，分别表示vc、f、ap对T的影响程度
机械制造技术基础 — 金属切削原理
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）
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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2、进给量f、背吃刀量ap与刀具耐用度T的关系
用同样的方法可求出
fT m1 C 1 apT m2 C 2
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2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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综上所述：
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
14
刀具磨损原因
◆ 硬质点磨损
—— 各种切速下均存在 —— 低速情况下刀具磨损的主要原因
◆ 粘结磨损（冷焊）
—— 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 —— 中等偏低切速
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.6 刀具磨损和刀具使用寿命
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高速钢刀具 m＝0.1～0.125，
m＝0.2～
0.3，陶瓷刀具 m＝0.4。m愈小，表示vc对T的影响愈大
切削速度v（m/min）
800
600 500 400
陶瓷刀具 （VB=0.4mm
300
）
硬质合金
200
（VB=0.4mm
）