§3—4 ．刀具磨损与刀具寿命

1. §3—4．刀具磨损与刀具寿命 问：刀具磨损是必然的吗？ 问：刀具磨损对加工过程有何影响？ 一、刀具磨损的形式 刀具磨损的形式有两种：正常磨损和非正常磨损 1．正常磨损（见图3-28a） 思考：怎样的磨损属于正常磨损？ 在切削过程中，由于刀具—工件—切屑的接触区发生着强烈的摩擦，以致刀具表面某些部位（如前、后面）的材料被切屑或工件逐渐带走的磨损。刀具磨损是一种不可避免的现象。正常磨损有三种形式：

2. （1）前面磨损 在何条件下会产生前面磨损？ 在切削速度较高、切削层厚度较大(＞0.5mm)的情况下切削塑性材料时,前刀面上靠近切削刃的部位,在切屑的作用下,会磨损成月牙状凹洼,因此也称月牙洼磨损。前面磨损的程度可用月牙洼的深度KT来衡量。 在磨损的初期,随着月牙洼的加深,刀具实际前角加大,使切削条件有所改善,并有利于切屑的卷曲折断。但当月牙洼进一步扩展时,切削刃强度切屑在前面上大大降低，最终导致切削刃崩刃。如图3-28（b）所示。

4. （2）后面磨损 后刀面磨损的部位主要发生在后刀面上，它是由于刀刃的刃口圆弧部位与加工表面的摩擦，而在刀刃的下方磨出后角为零的小棱面所造成的。在何条件下产生后面磨损？ 可将其划分为三个区域： 刀尖部分C区——由于强度较低，散热条件较差，磨损比较严重，其最大值用VC表示。磨损量大 中间磨损B区——在切削刃的中间位置，存在着均匀磨损，用VB表示其平均磨损量，局部出现的最大磨损量VBmax。磨损均匀 边界磨损N区——在切削刃与待加工表面相交处，往往会磨出深沟，其深度用VN表示，这是由于高温氧化，加工表面硬化层的影响所致。磨损量也大 产生条件：在切削脆性材料或以较小的切削厚度(≤0.1mm)切削塑性金属。简单了解其理由

5. 以上磨损的结果，改变了刀具的几何形状，具有零后角的磨损棱面代替了后角大于零的后刀面，其后果当然是恶劣的。以上磨损的结果，改变了刀具的几何形状，具有零后角的磨损棱面代替了后角大于零的后刀面，其后果当然是恶劣的。 刀具的磨损主要是后刀面磨损，而且磨损带的宽度VB的测量比较简单（可用带刻度的10倍放大镜对准后刀面直接测取）。因此通常都用VB来表示刀具的磨损程度，VB愈大，不但会使切削力增大，引起切削振动，而且会影响刀尖圆弧处的磨损，从而影响加工精度及加工表面质量。

6. （3）前、后面同时磨损 这是介于前面磨损和后面磨损之间的一种磨损形式，前面的月牙洼与后面的磨损棱面同时产生。 一般在中等切削速度和中等切削厚度（0.1~0.5mm）切削塑性金属时，往往出现前、后面同时磨损。 2．非正常磨损 非正常磨损又称破损，可能由于刀具的设计、制造及使用不当，也可能是由于刀具（尤其是一些脆性材料，如硬质合金、陶瓷等刀具），受切削力冲击产生疲劳破坏、振动、热效应等，以致在切削过程中切削刃或刀片发生脆性破损。这种破损也遵循一定的统计规律。本书重点介绍正常磨损。

7. 二、刀具的磨损原因 造成刀具磨损的原因有很多方面，主要有下列几种： 1．磨粒磨损 磨粒磨损又称机械擦伤磨损。工件或切屑上的硬质点（如工件材料中的金属碳化物、积屑瘤碎片及由刀具上摩擦下来的微粒等）在刀具表面上摩擦刻划，由于这种机械作用，逐渐擦掉刀具表面材料，造成磨粒磨损。磨粒磨损在各种切削速度下都存在。但在低速切削时，这是刀具磨损的主要原因。工件中的硬质点较多，工件材料硬度与刀具硬度比越高，磨粒磨损就越严重。 2．粘结磨损 在切削温度稍高的情况下，工件或切屑表面与刀具表面之间发生粘结，刀具表面微粒被带走而造成的磨损。刀具材料与工件材料的化学亲和力愈大，粘结磨损愈严重。通常，硬质合金刀具在产生积屑瘤的切削速度范围内，最易产生这种磨损。

8. 3．相变磨损 各种工具钢的刀具在一定的切削温度下，刀具表面层的金相组织会由回火马氏体转变成贝氏体、托氏体或索氏体，其硬度大为降低，刀具迅速磨损。通常，高速钢刀具在切削温度超过550~620℃时，就会发生相变磨损。 4．氧化磨损高温（超过700℃）切削时，空气中的氧会与硬质合金中的化学元素发生化学反应，在刀具表面形成硬度很低的氧化物（WO3、TiO、CoO及Co3O4），当这些氧化物被工件或切屑擦去后，刀具将被磨损。

9. 5．扩散磨损 在用硬质合金刀具高速切削时切削温度达800℃以上，此时硬质合金中的Co、C、W、Ti等元素回扩散渗透到切屑和工件中去；另一方面，工件材料中的铁元素也会扩散到刀具表层来，使刀具材料的金属结构发生变化，强度、硬度下降，促使刀具迅速磨损。切削温度越高，扩散速度越快，刀具磨损越迅速。的扩散速度比Co、C、W等元素慢，所以YT类合金比YG类耐磨性好；涂层硬质合金表面沉积有TiC或TiN等较难扩散的材料，也比一般硬质合金的耐磨性更好。 高速钢刀具在低温时以磨粒磨损为主，温度升高时发生粘结磨损，达到相变温度时形成相变磨损，失去切削能力。 硬质合金刀具在低温时以磨粒磨损为主，温度升高时发生粘结磨损，高温时氧化磨损与扩散磨损加剧。

10. 三、刀具磨损过程及磨钝标准 1．刀具磨损过程 磨损过程一般分为三个阶段： （1）初期磨损阶段由于刀具刃磨后，表面粗糙度值大或表层组织不耐磨，在开始切削的短时间内,刀面与工件、切屑接触小，压力几乎集中于切削刃附近，应力大，磨损较快。通常磨损量为0.05~0.1mm。初期磨损与刀具刃磨质量有很大关系。实践证明，经仔细研磨过的刀具，其初期磨损量很小。 （2）正常磨损阶段随着切削时间增长,磨损量缓慢而均匀地增大，这是由于刀具表面磨平后,接触面较大,压力减小所致。在该阶段，切削力和切削温度随磨损量增加而逐渐增大，是刀具工作的有效期，使用刀具，不应超过这一阶段。 （3）急剧磨损阶段当磨损量达到一定程度后，刀具变钝，切削力、切削温度增加，磨损量急剧升高。从而导致表面粗糙度增大，并会出现噪声、振动等现象。应在此阶段前换刀，因此刀具磨损应有一个控制限度。

11. 2． 磨钝标准 刀具磨损不但影响切削过程（变形、切削力、切削温度），还影响已加工表面的质量和精度以及切屑的卷曲等。由于刀具后面上都有磨损且易测量，因此多按刀具后面磨损尺寸来确定磨钝标准。磨钝标准通常指刀具后面磨损带中间部位平均磨损量允许达到的最大值，以VB表示。制定磨钝标准需要考虑被加工对象的特点和加工条件的具体情况。它的作用就是告诉操作者，当车刀后刀面磨损至VB时，就不要再继续使用，应及时磨刀或换刀。

12. 注意：用磨钝标准这一标志来判断及时重磨车刀，这在理论上是可以的，但在实际中是很麻烦且很难做到的。为此，人们根据制定磨损过程曲线的经验，根据正常磨损阶段其后刀面磨损量与切削时间保持线性关系的规律，制定了又一种车刀重磨时刻的标志——刀具寿命。注意：用磨钝标准这一标志来判断及时重磨车刀，这在理论上是可以的，但在实际中是很麻烦且很难做到的。为此，人们根据制定磨损过程曲线的经验，根据正常磨损阶段其后刀面磨损量与切削时间保持线性关系的规律，制定了又一种车刀重磨时刻的标志——刀具寿命。 四、刀具寿命 定义：一把新刃磨的刀具，从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所用的切削时间。以T表示。 刀具寿命高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志，它是在规定的磨损尺寸内能够保持切削多长时间量。利用刀具寿命来控制磨损量VB值，比用测量VB的值来判断是否达到磨钝标准要简便得多。

13. 2、刀具寿命的应用 目 前，大部分企业特别是中小企业、个体企业都没有用刀具寿命标志来控制适时重磨车刀，究其原因是操作者难于掌握。刀具寿命是在一定的条件下制定出来的，而其中的切削速度是很重要的条件。在生产实践中， 一种新磨得刀具可以用上一天、两天后才去重磨。因此操作者在生产实践中很难用一个恒定的刀具寿命来控制适时重磨车刀。这必须寻找一些更方便、直观的标志来判断适时重磨车刀。

14. 3、切削过程中的异常现象 在生产实践中，工人师傅常常根据车刀在切削过程中所产生的异常现象来判断车刀的重磨情况，以确定车刀是否应该重磨。这种方式只不过要取决于师傅经验的丰富程度。为了帮助在现场能掌握好车刀的及时重磨工作，介绍一些有效经验，供大家参考。 （1）观察切屑颜色。在切削过程中，当切出的切屑是银白色或淡黄色，表示切削温度低，车刀可正常切削。当切屑变为淡灰色、黑紫色时，表示切削温度升高，车刀磨损变钝。此时车刀应该重磨了。 （2）切削中出现振动现象。表示车刀已磨损变钝，使背向力增大。此时，应该重磨。 （3）毛刺 在加工表面和待加工表面的相交处产生“毛边”。这是由于车刀的刃口已磨损，刀尖圆弧半径增大，挤压未切下的微薄切削层所致。

15. （5）车刀切削工件时，感到很笨重、吃力，有时还会听到电机的嗡嗡声。（5）车刀切削工件时，感到很笨重、吃力，有时还会听到电机的嗡嗡声。 （6）切削时出现刺耳的啸声。表示车刀已磨损。刀-工件之间的接触面增大，摩擦剧烈所致。 （7）工件直径尺寸发生变化。表示刀尖已磨损，或后刀面已磨损，使刀刃和工件的相对位置发生变化所致。 （8）工件表面质量发生变化，如表面变得粗糙或出现一些挤压亮点等。表明精车刀后刀面已磨损，棱面增大、刀刃钝化。

16. 2．刀具寿命的影响因素 刀具磨钝标准确定后，T越大表示刀具磨损越慢，反之表示刀具磨损越快。因此，凡是影响刀具磨损的因素都影响刀具寿命。 （1）工件材料 工件材料的强度、硬度高，材料的热导率小，刀具磨损快，刀具寿命降低。 （2）刀具材料 刀具材料是影响刀具寿命的重要因素，通常，刀具高温硬度高，耐磨性好，刀具寿命长。合理选用刀具材料、采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料，是提高刀具寿命的有效途径。如图3-30所示，在加工合金钢时，切削条件相同，陶瓷刀具寿命较硬质合金的高，硬质合金较高速钢的高

17. （3）刀具几何参数 前角增大，切削温度降低，刀具寿命延长；但前角太大，散热体积减小，刀具寿命下降。因此，刀具前角有一个最佳值，该值可通过切削实验求得。 主偏角增大，刀头体积减小，主切削刃参加切削的长度缩短，切削热相对集中，切削温度升高，导致刀具寿命下降。但过分减小，由于背向力的增大会引起切削振动而降低刀具寿命。因此，在不引起振动的情况下减小，对提高刀具寿命是有利的。

18. 切削用量 切削用量中切削速度对刀具寿命影响最大，其次是进给量，最后是背吃刀量 用YT5硬质合金车削=0.637GP的碳钢时，通过实验的方法得出刀具寿命的公式为

19. 总结 • 理解金属切削过程的实质 • 掌握切屑的种类和积屑瘤 • 掌握影响变形、切削力、切削温度、刀具寿命的因素 • 掌握切削三分力的作用 • 掌握切削力的来源和传出