金属切削原理 6第六章 刀具磨损、破损和刀具耐用度
金属切削原理与刀具Principle of Metal Cutting and Cutting Tools 第六章刀具磨损、破损和刀具耐用度
第六章刀具磨损、破损和刀具耐用度
6.1 刀具磨损的形态
6.2 刀具磨损的原因
6.3 刀具磨损过程及磨钝标准
6.4 刀具耐用度的经验公式及
刀具耐用度的分布
6.5 合理耐用度的选用原则
6.6 刀具的破损
磨损：切削时的摩擦使得刀具材料逐渐磨钝，造成切削部分形状和尺寸改变
切削力增加；切削温度上升；切削颜色改变；产生振动；工件尺寸超差；已加工表面质量明显恶化 刀具损坏形式主要有：磨损和破损。磨损损坏是连
续的逐渐磨损；破损包括脆性破损和塑性破损
刀片磨损
车削用金属陶瓷刀片刀尖半径处后刀面磨损和月牙洼磨损
第六章刀具磨损、破损和刀具耐用度
6.1 刀具磨损的形态
一、前刀面磨损
切削塑性材料时，如
果切削速度和切削厚
度较大，在刀具前刀
面上经常会磨出一个
月牙洼。前刀面月牙
洼磨损值以其最大深
度KT表示。
图6-1 刀具的磨损形态
二、后刀面磨损
加工脆性材料或在切
削速度较低、切削厚
度较小（＜0.1mm）
的塑性材料，前刀面
上刀屑间的作用相对
较弱，主要发生后刀
面磨损，后刀面磨损
带往往不均匀。刀尖
处VC，主切削刃靠
近工件外皮处的后刀
面VN，中间部位磨
损较均匀VB、
VBmax。
图6-3 刀具磨损的测量位置
三、边界磨损
切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损（图6-4）。加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。
发生边界磨损的原因：
（1）应力梯度，引起很大
的剪应力。
（2）加工硬化作用，边界
处切削厚度为零，刀刃打
滑。
刀具的磨损方式
1.前刀面为主，后刀面轻微的磨损
2.后刀面为主，前刀面轻微的磨损
3.前刀面、后刀面同时磨损
4.切削刃口变圆钝化
1. 前刀面为主，后刀面轻微的磨损
?切削塑性材料；
?切削速度较高；
?切削厚度较大；
?负前角；
?产生积屑瘤时
2. 后刀面为主，前刀面轻微的磨损
?切削脆性材料；
?塑性材料切削速度较低；
?塑性材料切削厚度较小；
?增大前角，减小后角时更
明显；
?切削韧性大、导热性差的
材料（不锈钢）
3. 前刀面、后刀面同时磨损
?切削塑性金属
时，如果切削厚
度适中
4. 切削刃口变圆钝化
?耐磨性、红硬性好的
刀具精加工导热性差
的材料；
?切削韧性大、导热性
差的材料
第六章刀具磨损、破损和刀具耐用度
5.2 刀具磨损的原因
一、硬质点磨损（磨料磨
损）
二、粘结磨损
三、扩散磨损
四、氧化磨损
一、硬质点磨损（磨料磨损）
1. 概念
工件材料中含有
硬度极高的硬质
点在刀具表面刻
划出沟纹（机械
磨损）。
2. 碳钢中硬质点种类
?碳化物：Fe
3C , TiC, VC , Cr
7
C
3
?氮化物：TiN, Si
3N
4,
VN, BN, AlN,
?氧化物：SiO
2 , Al
2
O
3
, TiO
?金属间化合物
3.影响硬质点（磨料）磨损的因素
1)各种速度下都存在，低速下是刀具磨损
的主要原因；
2)刀具硬度越低，磨料磨损所占比例就越
大。碳素工具钢>高速钢>硬质合金>陶瓷>金刚石
3)工件材料含碳量增加、形成硬质点的合
金元素含量增加、工件硬度增加、加工
过程硬质点易于产生和析出，硬质点
（磨料）磨损均会增加
常用的刀具磨损检测方法比较
常用的刀具磨损检测方法比较 篇一：刀具的磨损和耐用度浅谈 刀具磨损和耐用度浅谈 刀具在切削金属的同时，本身也逐渐被磨损。当磨损到一定程度时，就需要更换刀具，否则会产生降低加工表面质量等不良后果。让我们先来看看刀具的磨损过程：常用的高速钢和硬质合金钢刀具的磨损过程如图所示，它反映了切削时间和刀具磨损之间的关系。正常磨损 后刀面磨损初期磨损 切削时间/ 1．初期磨损阶段 在该阶段中，由于是新刃磨的刀具，刀后面粗糙不平，后面与工件过渡表面间的实际接触面很小，压力大，磨损速度很快。初期磨损量与刀具刃磨质量有关，经过研磨的刀具初期磨损量小。 2．正常磨损阶段 刀后面经过初期的磨损后，粗糙度值降低，与工件过渡表面实际接触面积增大，压力减小，刀刃仍然比较锋利，磨损速度比较缓慢。该阶段切削过程平稳，持续时间长，是刀具的有效工作阶段。 3．急剧磨损阶段 当刀具磨损到一定程度后，刃口变钝，摩擦力增大，切削力和切削温度迅速上升，刀具材料的性能下降，引起刀具迅速磨损，直至完
全丧失切削性能。所以在切削过程中应避免刀具发生急剧磨损。 刀具的磨损过程又可看为刀具的钝化过程 从上述磨损过程可以看出，刀具在正常磨损阶段即将结束前，刀具必须及时重磨或可转位刀片转换刀刃。否则不仅会损坏刀具，而且会使工件的加工质量变坏。此时的刀具磨损量称为刀具的磨损限度。国家标准规定，把刀具磨损达到正常磨损阶段结束前的某一后面磨损量VB值作为刀具的磨损限度，即磨钝标准。因为刀具磨损后，切削力将增大，在柔性加工系统中，经常用切削力的某一数值作为刀具磨钝标准，以实现对刀具磨损状态的自动控制。 在实际生产中，采用与磨钝标准队赢得切削时间，即刀具耐用度来表示刀具已经磨钝，到了该换刀具的时候。所谓刀具耐用度，是指新磨好的刀具，由开始切削直到磨损量达到磨钝标准的总切削时间，用字母t表示，单位为min。刀具耐用度有时也可用加工同样零件的数量或切削路程长度来表示。 粗加工时，多为切削时间表示耐用度。例如，目前高速钢镗刀的耐用度为30~60min；硬质合金铣刀的耐用度为120~180min。高速钢钻头的耐用度为80~120min；成形刀具耐用度为200~300min。精加工时，常以走刀次数或加工零件个数表示刀具耐用度。 用刀具耐用度衡量磨损量的大小，比直接测量磨损量方便的多，因而在生产中广泛采用。刀具寿命则是指一把新刀从使用到报废为止的总的切削时间，它是刀具耐用度与磨刀次数的乘积。 篇二：刀具磨损原理及耐磨设计
刀具的磨损和耐用度浅谈
刀具磨损和耐用度浅谈 刀具在切削金属的同时，本身也逐渐被磨损。当磨损到一定程度时，就需要更换刀具，否则会产生降低加工表面质量等不良后果。 让我们先来看看刀具的磨损过程：常用的高速钢和硬质合金钢刀具的磨损过程如图所示，它反映了切削时间和刀具磨损之间的关系。 正常磨损 初期磨损 急剧磨损后刀面磨损量切削时间/ 1． 初期磨损阶段 在该阶段中，由于是新刃磨的刀具，刀后面粗糙不平，后面 与工件过渡表面间的实际接触面很小，压力大，磨损速度很快。初期磨损量与刀具刃磨质量有关，经过研磨的刀具初期磨损量小。 2． 正常磨损阶段 刀后面经过初期的磨损后，粗糙度值降低，与工件过渡表面 实际接触面积增大，压力减小，刀刃仍然比较锋利，磨损速度比较缓慢。该阶段切削过程平稳，持续时间长，是刀具的有效工作阶段。
3．急剧磨损阶段 当刀具磨损到一定程度后，刃口变钝，摩擦力增大，切削力和切削温度迅速上升，刀具材料的性能下降，引起刀具迅速磨损，直至完全丧失切削性能。所以在切削过程中应避免刀具发生急剧磨损。 刀具的磨损过程又可看为刀具的钝化过程 从上述磨损过程可以看出，刀具在正常磨损阶段即将结束前，刀具必须及时重磨或可转位刀片转换刀刃。否则不仅会损坏刀具，而且会使工件的加工质量变坏。此时的刀具磨损量称为刀具的磨损限度。国家标准规定，把刀具磨损达到正常磨损阶段结束前的某一后面磨损量VB值作为刀具的磨损限度，即磨钝标准。因为刀具磨损后，切削力将增大，在柔性加工系统中，经常用切削力的某一数值作为刀具磨钝标准，以实现对刀具磨损状态的自动控制。 在实际生产中，采用与磨钝标准队赢得切削时间，即刀具耐用度来表示刀具已经磨钝，到了该换刀具的时候。所谓刀具耐用度，是指新磨好的刀具，由开始切削直到磨损量达到磨钝标准的总切削时间，用字母t表示，单位为min。刀具耐用度有时也可用加工同样零件的数量或切削路程长度来表示。 粗加工时，多为切削时间表示耐用度。例如，目前高速钢镗刀的耐用度为30~60min；硬质合金铣刀的耐用度为120~180min。高速钢钻头的耐用度为80~120min；成形刀具耐用度为200~300min。精加工时，常以走刀次数或加工零件个数表示刀具耐用度。
影响刀具磨损的几点事项
1、刀具材料 刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。刀具材料越硬，其耐磨性越好，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度 和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。对于石墨刀具，普通的TiAlN涂 层可在选材上适当选择韧性相对较好一点的，也就是钴含量稍高一点的；对于金刚石涂层石墨刀具，可在选材上适当选择硬度相对较好一点的，也就是钴含量稍低一点的； 2、刀具的几何角度 石墨刀具选择合适的几何角度，有助于减小刀具的振动，反过来，石墨工件也不容易崩缺； （1）前角，采用负前角加工石墨时，刀具刃口强度较好，耐冲击和摩擦的性能好，随着负 前角绝对值的减小，后刀面磨损面积变化不大，但总体呈减小趋势，采用正前角加工时，随着前角的增大，刀具刃口强度被削弱，反而导致后刀面磨损加剧。负前角加工时，切削阻力大，增大了切削振动，采用大正前角加工时，刀具磨损严重，切削振动也较大。 （2）后角，如果后角的增大，则刀具刃口强度降低，后刀面磨损面积逐渐增大。刀具后角过大后，切削振动加强。 （3）螺旋角，螺旋角较小时，同一切削刃上同时切入石墨工件的刃长最长，切削阻力最大， 刀具承受的切削冲击力最大，因而刀具磨损、铣削力和切削振动都是最大的。当螺旋角去较大时，铣削合力的方向偏离工件表面的程度大，石墨材料因崩碎而造成的切削冲击加剧，因而刀具磨损、铣削力和切削振动也都有所增大。因此，刀具角度变化对刀具磨损、铣削力和切削振动的影响是前角、后角及螺旋角综合产生的，所以在选择方面一定要多加注意。 通过对石墨材料的加工特性做了大量的科学测试，PARA刀具优化了相关刀具的几何角度，从而使得刀具的整体切削性能大大提高。 3、刀具的涂层 金刚石涂层刀具的硬度高、耐磨性好、摩擦系数低等优点，现阶段金刚石涂层是石墨加工刀具的最佳选择，也最能体现石墨刀具优越的使用性能；金刚石涂层的硬质合金刀具的优点是综合了天然金刚石的硬度和硬质合金的强度及断裂韧性；但是在国内金刚石涂层技术还处于起步阶段，还有成本的投入都是很大的，所以金刚石涂层在近期不会有太大发展，不过我们可以在普通刀具的基础上，优化刀具的角度，选材等方面和改善普通涂层的结构，在某种程度上是可以在石墨加工当中应用的。
刀具的磨损与耐用度
切削加工时，刀具一方面切下切屑，另一方面本身也要发生磨损或局部破损。刀具磨损后，可明显地发现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，工艺系统产生振动，加工表面粗糙度值增大，加工精度降低。因此，刀具磨损到一定程度后，必须进行重廓或更换新刀。刀具磨损和耐用度直接关系到切削加工的效率、质量和成本，是切削加工中十分重要的问题之一。 刀具磨损主要决定于刀具材料及工件材料的物理机械性能和切削条件。各种条件下刀具磨损有不同的特点。掌握这些特点，才能合理地选择刀具及切削条件，提高切削效率，保证加工质量。 第一节 切削力的计算和影响因素 在切削过程中，切削力直接影响切削热、刀具磨损与耐用度、加工精度和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，设计机床、刀具、夹具以及监控切削过程和刀具工作状态的重要依据。研究切削力的规律，对于分析切削过程和生产实际都有重要意义。 一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率 1．切削力的来源 金属切削时，刀具使加工材料变形成为切屑所需的力，称为切削力。 切削力的来源有二方面 (1)切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性、塑性变形所产生的 抗力。 (2)刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。 2．切削合力及分力 切削力的总和形成作用在车刀上的合力Fr 。 为便于测量和应用，可以将合力Fr 分解成三个互相垂直的分力： 1）Fz ——主切削力或切向力。它垂直于基面，切于切削表面并与切 削速度v 的方向一致。一般，Fz 在分力中最大，是计算切削功率，设计机床零件的主要依据。 2）Fy ——切深抗力，或称背向力、径向力、吃刀力。它在基面里并与进给方向(即工件轴线方向) 垂直。Fy 约为(O.15～0.7)Fz ，它虽不作功， 但能使工件变形或振动，对加工精度和己加 工表面质量影响较大。 3）Fx ——进给抗力，或称轴向力、走刀力。它 在基面里并与进给方向(即工件轴线方向)相 平行。Fx 约为(0.1～0.6)Fz ，是设计走刀机 构时所必需的数据。 22222x y z xy z r F F F F F F ++=+= 3．切削功率 消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm 。切削功率为Fz 和Fx 所消耗功率之和，因Fy 方向没有位移，故不消耗动力。于是: ）（kW V F f n F V F P z w x z m 331010)1000 (--?≈?+= 由于Fx 小于Fz,Fx 方向的运动速度又很小，因此Fx 消耗的功率可略而不计。 根据切削功率选择机床电机时，还要考虑机床的传动效率。机床电机功率P E 应满足：m m E P P η≥ 一般机床传动效率ηm 取0.75～O.85。 4．单位切削力：单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用P 表示：