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1、2.6 2.6 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命高温高压，新鲜表面，化学活性，粘结扩散。高温高压，新鲜表面，化学活性，粘结扩散。n刀具的损坏形式刀具的损坏形式磨损磨损连续逐渐的刀具表面损伤：工件加工精度降低，连续逐渐的刀具表面损伤：工件加工精度降低，表面粗糙度增大，切削力增大，切削温度升高，表面粗糙度增大，切削力增大，切削温度升高，振动。振动。破损破损刀具的突然损坏，导致正常切削不能继续进行。刀具的突然损坏，导致正常切削不能继续进行。2.6.1 刀具磨损的形态刀具磨损的形态1）正常刀具磨损）正常刀具磨损n 前刀面磨损（月牙洼磨损）前刀面磨损（月牙洼磨损）原因：切屑与前刀面以新鲜表面接触和摩
2、擦，化原因：切屑与前刀面以新鲜表面接触和摩擦，化学活性很高，反应强烈；接触面具有很高的压学活性很高，反应强烈；接触面具有很高的压力和温度，力和温度，8080以上是实际接触，空气或切削以上是实际接触，空气或切削液难以渗透。液难以渗透。切削塑性材料，切削速度和切削厚度较大。切削塑性材料，切削速度和切削厚度较大。月牙洼最大深度的位置即是切削温度最高的地月牙洼最大深度的位置即是切削温度最高的地方。方。月牙洼宽度发展到其前缘与切削刃之间的棱边月牙洼宽度发展到其前缘与切削刃之间的棱边变得很窄时，刀刃强度降低，导致刀刃破损。变得很窄时，刀刃强度降低，导致刀刃破损。n后刀面磨损后刀面磨损原因：工件的新鲜加工表
3、面与后刀面的接触摩擦；原因：工件的新鲜加工表面与后刀面的接触摩擦；由于刀刃钝圆半径造成后刀面与工件表面的较由于刀刃钝圆半径造成后刀面与工件表面的较大接触压力，所引起的弹性和塑性变形。大接触压力，所引起的弹性和塑性变形。切削铸铁和以较小的切削厚度切削塑性材料时切削铸铁和以较小的切削厚度切削塑性材料时多产生。多产生。n边界磨损边界磨损 切削钢料时，发生切削钢料时，发生在在主切削刃靠近工在在主切削刃靠近工件待加工表面处的不件待加工表面处的不均匀磨损，起因于沿均匀磨损，起因于沿切削刃的应力突然下切削刃的应力突然下降和大温度梯度。在降和大温度梯度。在副切削刃靠近工件已副切削刃靠近工件已加工表面处的不均匀
4、加工表面处的不均匀磨损起因于无切削接磨损起因于无切削接触。触。n刀具磨损的定量表示刀具磨损的定量表示前刀面磨损：前刀面磨损：KTKT月牙洼最大深度。月牙洼最大深度。后刀面磨损：后刀面磨损：VBVB磨损带平均宽度。磨损带平均宽度。边界磨损：边界磨损：VCVC刀尖处的磨损最大值。刀尖处的磨损最大值。VNVN主切削刃靠近待加工表面处主切削刃靠近待加工表面处 的磨损最大值。的磨损最大值。2）非正常刀具磨损（破损）非正常刀具磨损（破损）采用脆性较大的刀具材料，切削高硬度材料或进采用脆性较大的刀具材料，切削高硬度材料或进行断续切削加工导致刀具损坏；在切削过程中，行断续切削加工导致刀具损坏；在切削过程中，由
5、于交变机械应力和热应力导致刀具发生疲劳由于交变机械应力和热应力导致刀具发生疲劳损坏。损坏。早期破损；后期破损。早期破损；后期破损。n破损性质破损性质脆性破损：刀具在切削过程中受机械和热冲击脆性破损：刀具在切削过程中受机械和热冲击作用，发生崩刃、碎断、剥落、裂纹等脆性破作用，发生崩刃、碎断、剥落、裂纹等脆性破坏。硬质合金坏。硬质合金5060%、陶瓷刀具等。、陶瓷刀具等。塑性破损：切削过程中的高温高压，使刀具前、塑性破损：切削过程中的高温高压，使刀具前、后刀面发生塑性变形（塌刃）而丧失切削能力。后刀面发生塑性变形（塌刃）而丧失切削能力。与刀具材料和工件材料的硬度比相关，高速钢与刀具材料和工件材料的
6、硬度比相关，高速钢刀具易发生。刀具易发生。2.6.2 刀具磨损的原因刀具磨损的原因主导作用是切削温度。主导作用是切削温度。低温区：机械磨损为主。低温区：机械磨损为主。高温区：热、化学磨损为主。高温区：热、化学磨损为主。n硬质点磨损（机械磨损）硬质点磨损（机械磨损）由于工件材料中的杂质，材料基体组织中所含的由于工件材料中的杂质，材料基体组织中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬质点，积屑瘤的碳化物、氮化物和氧化物等硬质点，积屑瘤的碎片等造成的机械磨损，表现为在刀具表面上碎片等造成的机械磨损，表现为在刀具表面上划出的一条条沟纹。划出的一条条沟纹。工具钢、高速钢刀具易于发生。工具钢、高速钢刀具易于发生。
7、切削冷硬铸铁、夹砂铸件易于发生。切削冷硬铸铁、夹砂铸件易于发生。低速切削刀具磨损的主要原因。低速切削刀具磨损的主要原因。n粘结磨损粘结磨损在摩擦面的实际接触面积上，由于足够大的压力和温在摩擦面的实际接触面积上，由于足够大的压力和温度作用，新鲜的摩擦表面原子间吸附力造成材料粘度作用，新鲜的摩擦表面原子间吸附力造成材料粘结，由于相对运动刀具材料中晶粒或晶粒群受剪或结，由于相对运动刀具材料中晶粒或晶粒群受剪或受拉被对方带走。受拉被对方带走。各种材料刀具都会发生粘结磨损。各种材料刀具都会发生粘结磨损。磨损程度主要取决于切削温度、刀具材料与工件材料磨损程度主要取决于切削温度、刀具材料与工件材料的亲和力及
8、其硬度比等。的亲和力及其硬度比等。n扩散磨损扩散磨损由于切削时的高温，刀具表面又始终与被切出的材料由于切削时的高温，刀具表面又始终与被切出的材料新鲜表面相接触，很大的化学活性会使两摩擦面的新鲜表面相接触，很大的化学活性会使两摩擦面的化学元素互相扩散到对方，削弱刀具材料性能，加化学元素互相扩散到对方，削弱刀具材料性能，加速磨损过程。速磨损过程。扩散速度主要与切削温度和刀具材料的化学成分等有扩散速度主要与切削温度和刀具材料的化学成分等有关。关。n化学磨损化学磨损在一定温度下，刀具材料与某些周围介质（空气在一定温度下，刀具材料与某些周围介质（空气中的氧，切削液中的添加剂硫、氯等）发生化中的氧，切削液
9、中的添加剂硫、氯等）发生化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物被切屑带走，加速刀具磨损。物被切屑带走，加速刀具磨损。n热电磨损热电磨损变形区的高温作用，会使刀具与工件材料之间形变形区的高温作用，会使刀具与工件材料之间形成热电偶，产生热电动势，致使电流通过，加成热电偶，产生热电动势，致使电流通过，加速刀具的扩散磨损。速刀具的扩散磨损。刀具磨损与切削温度的关系刀具磨损与切削温度的关系不同刀具材料的磨损特性不同刀具材料的磨损特性2.6.3 刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损过程及磨钝标准n磨损过程磨损过程1 1）初期磨损阶段）初期磨损阶段特征：磨损很快，初期
10、磨损量大小与刀具刃磨质特征：磨损很快，初期磨损量大小与刀具刃磨质量有关。量有关。原因：新刃磨的刀具后刀面存在缺陷；刀刃锋利，原因：新刃磨的刀具后刀面存在缺陷；刀刃锋利，后刀面与已加工表面接触面积小，压应力较后刀面与已加工表面接触面积小，压应力较大。大。2 2）正常磨损阶段）正常磨损阶段特征：磨损缓慢而且均匀，时间较长，后刀面磨特征：磨损缓慢而且均匀，时间较长，后刀面磨损量随切削时间的延长近似成比例增加。损量随切削时间的延长近似成比例增加。原因：刀具的刃磨表面经初期磨损后磨平，刀具原因：刀具的刃磨表面经初期磨损后磨平，刀具与工件进入正常的不同材料之间的摩擦。与工件进入正常的不同材料之间的摩擦。3
11、 3）急剧磨损阶段）急剧磨损阶段特征：磨损速度迅速加快，以至刀具损坏而不能特征：磨损速度迅速加快，以至刀具损坏而不能切削，工件表面粗糙度增大。切削，工件表面粗糙度增大。原因：切削力和切削温度的迅速升高。原因：切削力和切削温度的迅速升高。n磨钝标准磨钝标准刀具磨损到一定程度而不能继续使用的磨损限刀具磨损到一定程度而不能继续使用的磨损限度，即最大允许磨损值。度，即最大允许磨损值。粗加工磨钝标准的判断粗加工磨钝标准的判断加工表面是否出现亮带；加工表面是否出现亮带；切屑的颜色是否异常，切屑的形状是否发生明显切屑的颜色是否异常，切屑的形状是否发生明显变化；变化；切削过程是否出现振动或其它不正常的声音。切
12、削过程是否出现振动或其它不正常的声音。精加工磨钝标准的判断精加工磨钝标准的判断工件表面粗糙度是否明显变大；工件表面粗糙度是否明显变大；测量工件的形状和尺寸精度是否有所变化。测量工件的形状和尺寸精度是否有所变化。磨钝标准的定量评价磨钝标准的定量评价刀具表面的磨损量，容易测量。刀具表面的磨损量，容易测量。国际标准（国际标准（ISOISO）规定的刀具磨钝标准：）规定的刀具磨钝标准：1/21/2背吃背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VBVB。自动化生产使用的精加工刀具，磨钝标准常用沿自动化生产使用的精加工刀具，磨钝标准常用沿工件径向的刀具磨损尺寸，即刀具径向磨损量工件径向
13、的刀具磨损尺寸，即刀具径向磨损量NBNB。磨钝标准的确定磨钝标准的确定加工精度要求；加工精度要求；工艺系统的振动；工艺系统的振动；工件材料的可加工性；工件材料的可加工性；刀具制造刃磨难易程度。刀具制造刃磨难易程度。不同刀具材料的磨钝标准（不同刀具材料的磨钝标准（ISO）高速钢或陶瓷刀具高速钢或陶瓷刀具1）破损；）破损；2）VB0.3mm，B区是有规则的磨损；区是有规则的磨损；3）VBmax0.6mm，B区是无规则的磨损。区是无规则的磨损。硬质合金刀具硬质合金刀具1）VB0.3mm；2）VBmax0.6mm，B区是无规则的磨损；区是无规则的磨损；3）KT0.060.3f，f为进给量。为进给量。2
14、.6.4 刀具寿命及其经验公式刀具寿命及其经验公式n刀具寿命刀具寿命刀具从开始使用直至达到磨钝标准所经历的实际刀具从开始使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间。切削时间。对于可重磨刀具，刀具寿命是指刀具两次刃磨之对于可重磨刀具，刀具寿命是指刀具两次刃磨之间所经历的实际切削时间。间所经历的实际切削时间。n刀具总寿命（刀具耐用度）刀具总寿命（刀具耐用度）刀具从第一次投入使用直至完全报废（经刃磨后刀具从第一次投入使用直至完全报废（经刃磨后也不可再用）时所经历的实际切削时间。也不可再用）时所经历的实际切削时间。n刀具寿命与刀具总寿命的关系刀具寿命与刀具总寿命的关系对于不重磨刀具，刀具总寿命等于刀具寿
15、命。对于不重磨刀具，刀具总寿命等于刀具寿命。对于可重磨刀具，刀具总寿命等于其平均寿命乘对于可重磨刀具，刀具总寿命等于其平均寿命乘以刃磨次数。以刃磨次数。n刀具寿命经验公式刀具寿命经验公式固定其他切削条件，取不同的切削速度进行固定其他切削条件，取不同的切削速度进行刀具磨损实验会得到一组磨损曲线。刀具磨损实验会得到一组磨损曲线。这些磨损曲线经处理后得到刀具寿命经验公式：这些磨损曲线经处理后得到刀具寿命经验公式：mvT Cv切削速度切削速度T刀具寿命刀具寿命m切削速度对刀具寿命的影响程度指数切削速度对刀具寿命的影响程度指数C与刀具、工件材料和切削条件有关的系数与刀具、工件材料和切削条件有关的系数vT
16、画在双对数坐标系为一直线，画在双对数坐标系为一直线，m就是直线的就是直线的斜率。斜率。n不同刀具材料的不同刀具材料的m指数值指数值高速钢刀具，高速钢刀具，m0.10.125硬质合金刀具，硬质合金刀具，m0.20.3陶瓷刀具，陶瓷刀具，m0.4耐热性越差的刀具材料，斜率（耐热性越差的刀具材料，斜率（m值）越小，值）越小，切削速度对刀具寿命的影响越大。即切削速度切削速度对刀具寿命的影响越大。即切削速度稍稍改变一点，刀具寿命的变化就很大。稍稍改变一点，刀具寿命的变化就很大。陶瓷刀具材料的斜率（陶瓷刀具材料的斜率（m值）比硬质合金和高值）比硬质合金和高速钢的都大，是因为陶瓷刀具材料的耐热性更速钢的都大
17、，是因为陶瓷刀具材料的耐热性更好，在高切削速度下仍有较高的刀具寿命，而好，在高切削速度下仍有较高的刀具寿命，而在低切削速度时，刀具寿命比硬质合金还低。在低切削速度时，刀具寿命比硬质合金还低。n切削用量对刀具寿命的影响切削用量对刀具寿命的影响切削速度越高，刀具寿命越低。切削速度越高，刀具寿命越低。增加进给量和背吃刀量，刀具寿命减小。增加进给量和背吃刀量，刀具寿命减小。影响程度：切削速度影响程度：切削速度 进给量进给量 背吃刀量背吃刀量n刀具寿命的变化规律刀具寿命的变化规律正态分布或对数正态分布正态分布或对数正态分布2.6.5 刀具合理耐用度的选用原则刀具合理耐用度的选用原则质量，效率，成本。质量
18、，效率，成本。最高生产率耐用度最高生产率耐用度Tp以单位时间生产最多数量产品或加工每个零件所消以单位时间生产最多数量产品或加工每个零件所消耗的生产时间最少衡量。耗的生产时间最少衡量。Tp=（1-m）/m tct （2-34）tct为换刀一次所消耗的时间。为换刀一次所消耗的时间。最低成本耐用度最低成本耐用度Tc以每件产品（或工序）的加工费用最低为原则衡量。以每件产品（或工序）的加工费用最低为原则衡量。Tc=（1-m）/m（tct+Ct/M）（2-35）Ct为刀具刃磨成本，为刀具刃磨成本，M为工序成本。为工序成本。Tc 大于大于Tp，通常多采用最低成本耐用度，通常多采用最低成本耐用度Tc，需要提，
19、需要提高效率时选用高效率时选用最高生产率耐用度最高生产率耐用度Tp。n刀具耐用度选用原则：刀具耐用度选用原则：1）根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。）根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具耐用度，应选得比单刃刀复杂和精度高的刀具耐用度，应选得比单刃刀具高些。具高些。2）对于机夹可转位车刀和陶瓷刀具，由于换刀）对于机夹可转位车刀和陶瓷刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产率，耐用度可选得低一些。率，耐用度可选得低一些。3）对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、）对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床和自
20、动化加工刀具，耐用度应选得高组合机床和自动化加工刀具，耐用度应选得高一些。一些。4）车间内某一工序的生产率限制了整个车间的）车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率提高时，该工序的刀具耐用度要选得低生产率提高时，该工序的刀具耐用度要选得低一些；当工序单位时间内所分担的全厂开支一些；当工序单位时间内所分担的全厂开支M较大时，刀具耐用度也应选得低一些。较大时，刀具耐用度也应选得低一些。5）大件精加工时，为了保证至少完成一次走刀，）大件精加工时，为了保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具耐用度应按零件精避免切削时中途换刀，刀具耐用度应按零件精度和表面粗糙度来确定。度和表面粗糙度来确定。6
21、）在柔性加工时，要保证刀具的可靠性和刀具）在柔性加工时，要保证刀具的可靠性和刀具材料切削性能的可预测性，应根据多目标优化材料切削性能的可预测性，应根据多目标优化后的综合经济效果来选定刀具耐用度。后的综合经济效果来选定刀具耐用度。思考题思考题1、刀具的磨损过程可分为几个阶段？各阶段的、刀具的磨损过程可分为几个阶段？各阶段的特点是什么？刀具的磨损应限制在哪一阶段？特点是什么？刀具的磨损应限制在哪一阶段？2、刀具磨钝标准是什么意思？它的确定与哪些、刀具磨钝标准是什么意思？它的确定与哪些因素有关？因素有关？3、什么是刀具寿命？刀具寿命与磨钝标准有什、什么是刀具寿命？刀具寿命与磨钝标准有什么关系？磨钝标准确定后，刀具寿命是否就确么关系？磨钝标准确定后，刀具寿命是否就确定了？为什么？定了？为什么？4、切削用量如何影响刀具寿命？在刀具寿命经、切削用量如何影响刀具寿命？在刀具寿命经验公式里指数验公式里指数m的物理意义是什么？不同刀具的物理意义是什么？不同刀具材料的材料的m值为何不同？值为何不同？