機械制造技術基礎B第三章 第4節(jié) 刀具磨損與耐用度

1、 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 切削加工中，如果刀具發(fā)生磨損，則會切削加工中，如果刀具發(fā)生磨損，則會出現(xiàn)切削力加大，切出現(xiàn)切削力加大，切削溫度上升，切屑顏色改變，工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動，加工表面粗削溫度上升，切屑顏色改變，工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動，加工表面粗糙度增大糙度增大等現(xiàn)象。等現(xiàn)象。 由于由于刀具磨損刀具磨損主要決定于刀具材料及工件材料的物理機械性主要決定于刀具材料及工件材料的物理機械性能和切削條件。能和切削條件。 本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容 刀具磨損的形態(tài)，刀具磨損原因，刀具磨損過刀具磨損的形態(tài)，刀具磨損原因，刀具磨損過程及磨鈍標準，刀具耐

2、用度及經(jīng)驗公式，刀具耐用度的選擇。程及磨鈍標準，刀具耐用度及經(jīng)驗公式，刀具耐用度的選擇。 本節(jié)主要掌握本節(jié)主要掌握 不同條件下刀具磨損的不同特點；不同條件下刀具磨損的不同特點；合理選合理選擇刀具及切削條件；擇刀具及切削條件；提高切削效率和保證加工質(zhì)量的方法。提高切削效率和保證加工質(zhì)量的方法。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 一、刀具磨損的形態(tài)一、刀具磨損的形態(tài) 1. 1. 前刀面磨損（月牙洼磨損）前刀面磨損（月牙洼磨損） 當切削塑性金屬時，若切削速度和切削厚度較大，在刀具前當切削塑性金屬時，若切削速度和切削厚度較大，在刀具前刀面上切削

3、溫度最高處，會磨出一個月牙洼狀磨損，如圖。刀面上切削溫度最高處，會磨出一個月牙洼狀磨損，如圖。 在月牙洼與刀刃之間有一條棱邊。當月牙洼的寬度擴展到使在月牙洼與刀刃之間有一條棱邊。當月牙洼的寬度擴展到使棱邊很窄時，會消弱切削刃的強度，導致崩刀。棱邊很窄時，會消弱切削刃的強度，導致崩刀。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 2. 2. 后刀面磨損后刀面磨損 切削中，由于存在切削中，由于存在“加工表面加工表面- -后刀面后刀面”的強烈摩擦，在后的強烈摩擦，在后刀面毗鄰切削刃的地方，很快被磨出后角為零的小棱面。刀面毗鄰切削刃的地方，很快被磨出后角

4、為零的小棱面。 一般加工脆性金屬或低速、小厚度切削塑性金屬時，主要發(fā)一般加工脆性金屬或低速、小厚度切削塑性金屬時，主要發(fā)生后刀面磨損。生后刀面磨損。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 在后刀面磨損帶上，刀尖部在后刀面磨損帶上，刀尖部分和主切削刃靠近工件外表面處，分和主切削刃靠近工件外表面處，磨損較嚴重。中間部分，磨損比磨損較嚴重。中間部分，磨損比較均勻。較均勻。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 3. 3. 邊界磨損邊界磨損 切削鋼料工件，或切削鑄造、鍛造等外皮粗糙的工件時，常切

5、削鋼料工件，或切削鑄造、鍛造等外皮粗糙的工件時，常常在主切削刃靠近工件外層處、副切削刃靠近刀尖處的后刀面常在主切削刃靠近工件外層處、副切削刃靠近刀尖處的后刀面上，磨出較深的溝槽。上，磨出較深的溝槽。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 二、刀具磨損的原因二、刀具磨損的原因 為了減小和控制刀具磨損，必須研究刀具磨損的原因和本質(zhì)。為了減小和控制刀具磨損，必須研究刀具磨損的原因和本質(zhì)。 切削過程中，刀具磨損具有如下特點：切削過程中，刀具磨損具有如下特點： 刀具與切屑、工件間的接觸表面經(jīng)常是新鮮表面。刀具與切屑、工件間的接觸表面經(jīng)常是新鮮表面。

6、接觸壓力非常大，有時超過被切削材料的屈服強度。接觸壓力非常大，有時超過被切削材料的屈服強度。 接觸面的溫度很高，硬質(zhì)合金刀具可達接觸面的溫度很高，硬質(zhì)合金刀具可達80010000C，高速，高速鋼刀具可達鋼刀具可達3006000C。 刀具磨損經(jīng)常是機械、熱和化學三種作用的綜合結果，將產(chǎn)刀具磨損經(jīng)常是機械、熱和化學三種作用的綜合結果，將產(chǎn)生生“硬質(zhì)點磨損、冷焊磨損、擴散磨損和氧化磨損硬質(zhì)點磨損、冷焊磨損、擴散磨損和氧化磨損”。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 1. 1. 硬質(zhì)點磨損硬質(zhì)點磨損 切削中，切屑、工件材料中含有的一些碳化物、氮化

7、物和氧切削中，切屑、工件材料中含有的一些碳化物、氮化物和氧化物等硬質(zhì)點及積屑瘤碎片，可在刀具表面刻劃出溝紋而造成化物等硬質(zhì)點及積屑瘤碎片，可在刀具表面刻劃出溝紋而造成硬質(zhì)點磨損。硬質(zhì)點磨損。 硬質(zhì)點磨損在各種切削速度下都存在，但它是低速刀具硬質(zhì)點磨損在各種切削速度下都存在，但它是低速刀具（如拉刀、板牙）磨損的主要原因。（如拉刀、板牙）磨損的主要原因。 高速鋼刀具的耐磨性低于硬質(zhì)合金、陶瓷等，故其硬質(zhì)點高速鋼刀具的耐磨性低于硬質(zhì)合金、陶瓷等，故其硬質(zhì)點磨損所占比重較大。磨損所占比重較大。結結 論論 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 2.

8、2. 粘結磨損（冷焊磨損）粘結磨損（冷焊磨損） 切削時，切屑、工件與前刀面之間，存在很大的壓力和強烈切削時，切屑、工件與前刀面之間，存在很大的壓力和強烈的摩擦而發(fā)生冷焊。摩擦面之間的相對運動，使冷焊結產(chǎn)生破裂。的摩擦而發(fā)生冷焊。摩擦面之間的相對運動，使冷焊結產(chǎn)生破裂。 由于交變應力，熱應力以及刀具表層結構缺陷，刀具表面上由于交變應力，熱應力以及刀具表層結構缺陷，刀具表面上的顆粒被切屑或工件粘走，造成刀具前刀面上的冷焊坑。的顆粒被切屑或工件粘走，造成刀具前刀面上的冷焊坑。 粘結磨損粘結磨損 在高速鋼刀具正常工作的切削速度和硬質(zhì)合金刀具在高速鋼刀具正常工作的切削速度和硬質(zhì)合金刀具偏低的切削速度下，

9、所占的比重較大。偏低的切削速度下，所占的比重較大。 脆性金屬比塑性金屬抗粘結能力強。脆性金屬比塑性金屬抗粘結能力強。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 3. 3. 擴散磨損擴散磨損 產(chǎn)生機理產(chǎn)生機理 在在切削高溫時，切屑、工件與刀具接觸過程中，切削高溫時，切屑、工件與刀具接觸過程中，雙方的化學元素在固態(tài)下相互擴散，改變了材料原來成分與結雙方的化學元素在固態(tài)下相互擴散，改變了材料原來成分與結構，使刀具表層變脆弱，加劇了刀具的磨損。構，使刀具表層變脆弱，加劇了刀具的磨損。 硬質(zhì)合金刀具切削鋼時，硬質(zhì)合金刀具切削鋼時，8008000 0C C

10、開始，刀具中的鈷便迅速擴展開始，刀具中的鈷便迅速擴展到切屑、工件中去，到切屑、工件中去，WCWC分解為碳和鎢后擴散到鋼中，合金表面分解為碳和鎢后擴散到鋼中，合金表面發(fā)生貧碳、貧鎢現(xiàn)象。粘結相鈷的減少，使合金中的硬質(zhì)相發(fā)生貧碳、貧鎢現(xiàn)象。粘結相鈷的減少，使合金中的硬質(zhì)相（WCWC，TiCTiC）的粘結強度降低。切屑、工件中的鐵、碳向硬質(zhì)合）的粘結強度降低。切屑、工件中的鐵、碳向硬質(zhì)合金中擴散，形成低硬度、高脆性的復合碳化物。金中擴散，形成低硬度、高脆性的復合碳化物。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 擴散磨損往往與粘結磨損、硬質(zhì)點磨損同時

11、產(chǎn)生，此時磨損擴散磨損往往與粘結磨損、硬質(zhì)點磨損同時產(chǎn)生，此時磨損率很高。如前刀面的月牙洼形磨損就是高溫擴散磨損。率很高。如前刀面的月牙洼形磨損就是高溫擴散磨損。 高速鋼刀具的工作溫度較低，與切屑、工件之間的擴散較慢，高速鋼刀具的工作溫度較低，與切屑、工件之間的擴散較慢，其擴散磨損所占的比重遠小于硬質(zhì)合金刀具。其擴散磨損所占的比重遠小于硬質(zhì)合金刀具。 當金剛石刀具切削鋼、鐵材料，切削溫度高于當金剛石刀具切削鋼、鐵材料，切削溫度高于7007000 0C C時，金剛時，金剛石中的碳原子將快速轉移到工件表面形成新的鐵碳合金，造成石中的碳原子將快速轉移到工件表面形成新的鐵碳合金，造成刀具表面石墨化，形

12、成嚴重的擴散磨損。刀具表面石墨化，形成嚴重的擴散磨損。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 4. 4. 氧化磨損氧化磨損 當切削高溫達當切削高溫達7008000C C時。空氣中的氧與硬質(zhì)合金中的鈷時。空氣中的氧與硬質(zhì)合金中的鈷及碳化鎢、碳化鈦等發(fā)生氧化作用，產(chǎn)生較軟的氧化物（及碳化鎢、碳化鈦等發(fā)生氧化作用，產(chǎn)生較軟的氧化物（ 如如WOWO3 3、TiOTiO2 2等）被切屑或工件磨擦掉而形成磨損。等）被切屑或工件磨擦掉而形成磨損。 刀材的氧化膜的粘接強度越低，刀材的氧化膜的粘接強度越低，氧化磨損越快。一般氧化磨損最容易氧化磨損越快。一般氧

13、化磨損最容易在主、副切削刃的工作邊界形成，并在主、副切削刃的工作邊界形成，并在后刀面或前刀面上劃出較深的溝槽。在后刀面或前刀面上劃出較深的溝槽。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 結論：結論：對于一定刀具、工對于一定刀具、工件材料，切削溫度對刀具磨件材料，切削溫度對刀具磨損具有決定性的影響。損具有決定性的影響。 高溫時，擴散和氧化磨損高溫時，擴散和氧化磨損最大；中低溫時，冷焊磨損最大；中低溫時，冷焊磨損占主導地位；硬質(zhì)點磨損在占主導地位；硬質(zhì)點磨損在不同的溫度下都存在。不同的溫度下都存在。 硬質(zhì)合金加工鋼料時，不同切削溫度下各類磨損比重

14、如圖：硬質(zhì)合金加工鋼料時，不同切削溫度下各類磨損比重如圖： 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 三、刀具磨損過程及磨鈍標準三、刀具磨損過程及磨鈍標準 硬質(zhì)合金刀具的磨損量硬質(zhì)合金刀具的磨損量VBVB，隨切削時間變化的過程：，隨切削時間變化的過程： （1 1）初期磨損階段）初期磨損階段 因刃磨后的新刀具后刀面與加因刃磨后的新刀具后刀面與加工表面的實際接觸面積很小，壓工表面的實際接觸面積很小，壓強很大，故磨損很快。強很大，故磨損很快。 初期磨損量為：初期磨損量為： VB = 0.05 0.1 mm。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制

15、 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 （2 2）正常磨損過程）正常磨損過程 刀具經(jīng)過初期磨損，后刀面刀具經(jīng)過初期磨損，后刀面上被磨出一條狹窄的棱面，壓上被磨出一條狹窄的棱面，壓強減小，故磨損量的增加變緩，強減小，故磨損量的增加變緩，并且比較穩(wěn)定。并且比較穩(wěn)定。 （3 3）劇烈磨損階段）劇烈磨損階段 經(jīng)過正常磨損階段后，切削刃顯著變鈍，切削力增大，切削經(jīng)過正常磨損階段后，切削刃顯著變鈍，切削力增大，切削溫度升高。此時刀具磨損會發(fā)生質(zhì)的變化而進入劇烈磨損。溫度升高。此時刀具磨損會發(fā)生質(zhì)的變化而進入劇烈磨損。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具

16、磨損和耐用度 2. 2. 刀具磨頓標準刀具磨頓標準 考慮磨損對加工精度的影響和測量便利，考慮磨損對加工精度的影響和測量便利，刀具磨鈍標準定刀具磨鈍標準定為：為：后刀面磨損帶中間部分平均磨損量允許達到的最大值，以后刀面磨損帶中間部分平均磨損量允許達到的最大值，以VB表示。表示。 制訂磨鈍標準應考慮的因素制訂磨鈍標準應考慮的因素 工藝系統(tǒng)的剛性較差時，工藝系統(tǒng)的剛性較差時，VBVB 工件材料，如切削高溫合金及不工件材料，如切削高溫合金及不銹鋼時，銹鋼時，VB。 加工要求高時，加工要求高時，VB。 加工大型工件，加工大型工件，VB。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損

17、和耐用度刀具磨損和耐用度 四、刀具耐用度及經(jīng)驗公式四、刀具耐用度及經(jīng)驗公式 刀具耐用度是一個重要參數(shù)，而切削用量是影響耐用度的主刀具耐用度是一個重要參數(shù)，而切削用量是影響耐用度的主要因素。要因素。 1. 1. 刀具耐用度的定義刀具耐用度的定義 研究研究耐用度的意義耐用度的意義 比較不同刀材的切削性能。比較不同刀材的切削性能。比較比較工件材料的切削加工性。工件材料的切削加工性。判斷刀具幾何角度是否合理。判斷刀具幾何角度是否合理。 耐用度耐用度 指指刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達到磨鈍刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達到磨鈍標準為止的凈切削時間，即：標準為止的凈切削時間，即：vLTm Lm 指

18、達到磨鈍標準時走過的切削路程。指達到磨鈍標準時走過的切削路程。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 2. 2. 切削用量對刀具耐用度的影響切削用量對刀具耐用度的影響 （1 1）切削速度與耐用度的關系）切削速度與耐用度的關系 （2 2）進給量、背吃刀量與耐用度的關系）進給量、背吃刀量與耐用度的關系B、C常數(shù)；常數(shù)；n、p分別表示分別表示 f、ap 對對T 的影響程度。的影響程度。nTBf/ ppTCa/ mTAv/ m表示表示v 對刀具對刀具T T 的影響程度，表示刀具材料的切削性能。的影響程度，表示刀具材料的切削性能。 借助實驗方法得出：

19、借助實驗方法得出： 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 切削用量三要素與刀具耐用度的關系切削用量三要素與刀具耐用度的關系ppnmTafvCT111 CT 與工件材料、刀具材料和其它切削條件有關的系數(shù)。與工件材料、刀具材料和其它切削條件有關的系數(shù)。75. 025. 25pvafvCT 用用YT15 硬質(zhì)合金車刀切削硬質(zhì)合金車刀切削 的碳鋼時，的碳鋼時，v、f 和和 ap 與與T 的關系為：的關系為： GPa63. 0 b 結論結論 切削速度切削速度v 對刀具耐用度對刀具耐用度T 的影響最大，進給量的影響最大，進給量 f 次之，次之，背吃刀量

20、背吃刀量 ap 最小。最小。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 五、刀具耐用度的選擇五、刀具耐用度的選擇 在實際生產(chǎn)中，存在著刀具耐用度同在實際生產(chǎn)中，存在著刀具耐用度同最大生產(chǎn)率和最低加工成本之間的關系，最大生產(chǎn)率和最低加工成本之間的關系，以及與它們相適應的切削速度。以及與它們相適應的切削速度。 1. 1. 最大生產(chǎn)率耐用度最大生產(chǎn)率耐用度 Tp 最大生產(chǎn)率耐用度最大生產(chǎn)率耐用度 Tp 是根據(jù)單件工時最短原則來制定的。是根據(jù)單件工時最短原則來制定的。dmmpteLLmmT 1換刀時間換刀時間工件被切削表面長度工件被切削表面長度 根據(jù)完

21、成一個工序所需的工時根據(jù)完成一個工序所需的工時t tm m，得出，得出T Tp p 刀具空行程長度刀具空行程長度 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 2. 2. 最低成本耐用度最低成本耐用度 Tc 一般刀具的耐用度可從工藝設計手冊中查得。一般刀具的耐用度可從工藝設計手冊中查得。 選擇原則選擇原則 一般情況下，應采用最低成本耐用度，當任務緊一般情況下，應采用最低成本耐用度，當任務緊迫或生產(chǎn)中出現(xiàn)不平衡環(huán)節(jié)時，可采用最大生產(chǎn)率耐用度。迫或生產(chǎn)中出現(xiàn)不平衡環(huán)節(jié)時，可采用最大生產(chǎn)率耐用度。 最低成本耐用度最低成本耐用度 Tc 是以工序成本最低原則

22、來制定的。是以工序成本最低原則來制定的。根據(jù)完成一道工序所需的費用根據(jù)完成一道工序所需的費用C，得出，得出)(1MCteLLmmTtdmmc 每次刃磨刀具分攤的費用每次刃磨刀具分攤的費用工序單位時間內(nèi)分擔的全廠開支工序單位時間內(nèi)分擔的全廠開支 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度 3. 3. 選擇刀具耐用度應考慮的因素選擇刀具耐用度應考慮的因素 （1 1）刀具的復雜程度、大小和制造、重磨費用。刀具的復雜程度、大小和制造、重磨費用。 （2 2）刀具安裝、調(diào)整的復雜性。刀具安裝、調(diào)整的復雜性。 （3 3）自動線上的工作特點（即刀具耐用度應規(guī)定為

23、一個班自動線上的工作特點（即刀具耐用度應規(guī)定為一個班或兩個班，以便能在換班時間內(nèi)換刀）?；騼蓚€班，以便能在換班時間內(nèi)換刀）。 （4 4）精加工尺寸很大的工件（即刀具耐用度應按零件精度精加工尺寸很大的工件（即刀具耐用度應按零件精度和表面粗糙度要求決定）。和表面粗糙度要求決定）。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第五節(jié)第五節(jié) 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容: 一、衡量材料切削加工的指標一、衡量材料切削加工的指標 二、改善材料切削加工性的途徑二、改善材料切削加工性的途徑 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第五節(jié)第五節(jié) 工件材料的切削加工性工件

24、材料的切削加工性 一、一、 衡量材料切削加工的指標衡量材料切削加工的指標 材料的切削加工性材料的切削加工性 指某種材料進行切削加工的難易程度。指某種材料進行切削加工的難易程度。 1. 1. 以刀具耐用度以刀具耐用度T T 或切削速度或切削速度v 衡量加工性衡量加工性 凡是凡是Kr 1的材料，其加工性比的材料，其加工性比45 鋼好；鋼好； 凡是凡是Kr1，則加工，則加工性比性比45 鋼差。鋼差。vT 或或 Kr 是最常用的加工性指標。是最常用的加工性指標。 以正火狀態(tài)以正火狀態(tài)4545鋼在鋼在T=60min的的vT 為基準，記作為基準，記作 ，與，與其它材料的其它材料的v60 相比，所得比值相比

25、，所得比值Kr，稱為相對加工性，即，稱為相對加工性，即jrvvK)/(6060 jv )(60 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第五節(jié)第五節(jié) 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 在相同的切削條件下，加工不同材料時，凡切削力大，切削在相同的切削條件下，加工不同材料時，凡切削力大，切削溫度高的材料較難加工，其切削加工性差；反之，則切削加工溫度高的材料較難加工，其切削加工性差；反之，則切削加工性好。性好。 2. 2. 以切削力或切削溫度衡量加工性以切削力或切削溫度衡量加工性 在粗加工或機床剛性、動力不足時，都用切削力作為切削加在粗加工或機床剛性、動力不足時，都用切削力作為切削加工性

26、的指標。工性的指標。 第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制 第五節(jié)第五節(jié) 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 切削時，凡容易獲得好的加工表面質(zhì)量的材料，其切削加工切削時，凡容易獲得好的加工表面質(zhì)量的材料，其切削加工性較好，反之較差。性較好，反之較差。 3. 3. 以工件表面質(zhì)量衡量加工性以工件表面質(zhì)量衡量加工性 精加工時，常以工件表面質(zhì)量作為切削加工性的指標。精加工時，常以工件表面質(zhì)量作為切削加工性的指標。 4. 4. 以切屑控制或斷屑的難易衡量加工性以切屑控制或斷屑的難易衡量加工性 切削時，凡切屑容易控制或斷屑性能良好的材料，其加工性切削時，凡切屑容易控制或斷屑性能良好的材料，其加工性較好，反之則較差。較好，反之則較差。