切削原理 -刀具磨损及耐用度

1、整理课件机械制造技术整理课件第第3 3章章 金属切削过程的基本规律及其应用金属切削过程的基本规律及其应用 3-1 3-1 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 一、切削变形一、切削变形 二、切削力二、切削力 三、切削热及切削温度三、切削热及切削温度 四、刀具磨损与刀具耐用度四、刀具磨损与刀具耐用度五、切削层参数与切削形式五、切削层参数与切削形式 3-2 3-2 金属切削过程基本规律的应用金属切削过程基本规律的应用一、工件材料的切削加工性一、工件材料的切削加工性 二、切削液二、切削液 三、刀具几何参数的选择三、刀具几何参数的选择 四、切削用量的合理选择四、切削用量的合理选择整理课件3-1

2、3-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 四、刀具磨损与刀具耐用度四、刀具磨损与刀具耐用度（一）刀具的磨损形式：（一）刀具的磨损形式： 1 1正常磨损：正常磨损：三种三种后刀面磨损后刀面磨损 由于已加工表面和后刀面存在压力和由于已加工表面和后刀面存在压力和摩擦，在与切削刃连接的后刀面上，磨摩擦，在与切削刃连接的后刀面上，磨出长度为出长度为b b、后角为零或小于零（副后角、后角为零或小于零（副后角）的小棱面）的小棱面后刀面磨损。后刀面磨损。 整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律正常磨损形式正常磨损形式 整理课件整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切

3、削过程的基本规律分三个区域：分三个区域：C区：区：近刀尖处磨损较大区域近刀尖处磨损较大区域 ，散热条件，散热条件VC；N区：区：近待加工表面处近待加工表面处，为全长的，为全长的1/4的区域，在边界处磨出的区域，在边界处磨出较长沟槽较长沟槽由于氧化层或上工序加工硬化造成由于氧化层或上工序加工硬化造成VN；B区：在区：在C、N之间磨损较均匀的磨损区之间磨损较均匀的磨损区VBmax。 在切削速度较低，切削厚度较小，切削塑性材料或切削脆性在切削速度较低，切削厚度较小，切削塑性材料或切削脆性材料时材料时后刀面磨损。后刀面磨损。整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律前刀面磨损（月

4、牙洼磨损）：前刀面磨损（月牙洼磨损）： 切削塑性材料，切削速度较高，切削厚度较大时，前刀面承受切削塑性材料，切削速度较高，切削厚度较大时，前刀面承受高压、高温及摩擦，使前刀面磨出月牙洼（月牙洼深度高压、高温及摩擦，使前刀面磨出月牙洼（月牙洼深度KT）。）。 刀具耐热性和耐磨性不足时，在前刀面发生月牙洼磨损，此处刀具耐热性和耐磨性不足时，在前刀面发生月牙洼磨损，此处切削温度最高切削温度最高崩刃。崩刃。边界磨损（前、后刀面同时磨损）：边界磨损（前、后刀面同时磨损）： 加工塑性材料、中等切削速度、中等进给量。加工塑性材料、中等切削速度、中等进给量。整理课件 2 2非正常磨损（破损）：非正常磨损（破损

5、）： 指刀具在切削过程中尚未达到磨损标准受到损坏而不能继续指刀具在切削过程中尚未达到磨损标准受到损坏而不能继续使用的现象。按刀具材料分：使用的现象。按刀具材料分：脆性破损：脆性破损：机械和热冲击作用机械和热冲击作用 崩刃崩刃 剥落剥落 崩碎（碎断）崩碎（碎断） 裂纹裂纹在切削刃上产生小缺口，尺寸与进给量相当，在切削刃上产生小缺口，尺寸与进给量相当，还可以用。常发生在脆性刀具材料上，如陶还可以用。常发生在脆性刀具材料上，如陶瓷刀具。瓷刀具。 发生在前、后刀面上，方向近似平行切削刃。发生在前、后刀面上，方向近似平行切削刃。产生积屑瘤、粘结现象、有冲击负荷时容易发产生积屑瘤、粘结现象、有冲击负荷时容

6、易发生。主要发生在脆性大的刀具材料，如含生。主要发生在脆性大的刀具材料，如含TiC高的硬质合金、陶瓷、立方碳化硼刀具。高的硬质合金、陶瓷、立方碳化硼刀具。在切削刃上发生小块碎裂或大块在切削刃上发生小块碎裂或大块碎裂（是崩刃的进一步发展）。碎裂（是崩刃的进一步发展）。 机械疲劳裂纹，方向平行切削刃；热应力裂纹：机械疲劳裂纹，方向平行切削刃；热应力裂纹：由于热冲击引起，方向垂直切削刃。如用硬质合由于热冲击引起，方向垂直切削刃。如用硬质合金铣刀进行高速铣削时，刀齿不断受到周期性的金铣刀进行高速铣削时，刀齿不断受到周期性的冲击和交变热应力，在前刀面上产生梳状裂纹。冲击和交变热应力，在前刀面上产生梳状裂

7、纹。3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律塑性破损：塑性破损：高温、高压作用，切削刃产生高温、高压作用，切削刃产生卷刃卷刃刃区塌陷刃区塌陷( (烧刀烧刀) )塑性变形塑性变形 多发生在合金工具钢、高速钢刀具、硬质合金刀具在高温和多发生在合金工具钢、高速钢刀具、硬质合金刀具在高温和三向压应力状态下工作。三向压应力状态下工作。整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律（二）刀具磨损的原因（二）刀具磨损的原因 切削过程刀具磨损的特点：切削过程刀具磨损的特点：u刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜

8、表面；刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面；u接触压力大，有时超过被切削材料的屈服强度接触压力大，有时超过被切削材料的屈服强度高压；高压；u接触面的温度高，硬质合金可达接触面的温度高，硬质合金可达80080010001000，高速钢可达，高速钢可达30300 0600600高温。高温。 刀具磨损在高温高压条件下产生的，刀具的正常磨损是由机刀具磨损在高温高压条件下产生的，刀具的正常磨损是由机械的和热的、化学的三种作用的综合结果。械的和热的、化学的三种作用的综合结果。整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律1 1磨粒磨损（硬质点磨损）磨粒磨损（硬质点磨损） 工件材料中

9、硬质点、脱落积屑瘤碎片对刀具表面的机械划伤工件材料中硬质点、脱落积屑瘤碎片对刀具表面的机械划伤刀具磨损。刀具磨损。硬质点：硬质点：碳化物（碳化物（ 、 、 ）；）；氮化物（氮化物（ 、 ）；）；氧化物（氧化物（ 、 ）；）；金属间的化合物。金属间的化合物。低速刀具（手工刀具、高速钢刀具）在前刀面和后刀面上发低速刀具（手工刀具、高速钢刀具）在前刀面和后刀面上发现由于磨粒磨损产生的沟纹。现由于磨粒磨损产生的沟纹。CFe3TiCVCTiN43NSi2SiO32OAl整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律2 2粘结磨损（冷焊磨损）粘结磨损（冷焊磨损） 刀刀工或刀工或刀屑接触面

10、出现冷焊现象（粘结现象），粘结点屑接触面出现冷焊现象（粘结现象），粘结点因相对运动，粘结层（冷焊层）将产生破裂，由于交变应力、因相对运动，粘结层（冷焊层）将产生破裂，由于交变应力、疲劳裂纹、内应力、刀具材料组织不均匀等，粘结层的破裂疲劳裂纹、内应力、刀具材料组织不均匀等，粘结层的破裂发生在刀具，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而造成发生在刀具，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而造成的刀具磨损。的刀具磨损。 一般发生在中、高切削速度下，加工塑性金属材料一般发生在中、高切削速度下，加工塑性金属材料常发生常发生在前刀面上。在前刀面上。整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规

11、律3 3扩散磨损：扩散磨损：高温高温 切削金属材料时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化切削金属材料时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素相互扩散，改变了材料原来成分和结构，使刀具表层学元素相互扩散，改变了材料原来成分和结构，使刀具表层变得脆弱，从而造成刀具磨损。变得脆弱，从而造成刀具磨损。 示例示例: : 用硬质合金刀具切削钢时，从用硬质合金刀具切削钢时，从800800开始，硬质合金中的钴开始，硬质合金中的钴扩散到切屑、工件，扩散到切屑、工件，WCWC分解为钨和碳后扩散给工件分解为钨和碳后扩散给工件硬质合硬质合金表面贫钨和碳，钴减少，降低粘结强度，而工件的铁和碳金表面贫钨和碳，钴减

12、少，降低粘结强度，而工件的铁和碳高脆性的复合碳化物。高脆性的复合碳化物。固态下，金属原子扩散从浓度高的区域固态下，金属原子扩散从浓度高的区域浓度低的区域流动。浓度低的区域流动。整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律4 4化学磨损（氧化磨损）化学磨损（氧化磨损） 在一定温度下（在一定温度下（700700800800），刀具材料与周围介质（空气中），刀具材料与周围介质（空气中 的氧、切削液中极压添加剂硫、氯）起化学反应，在刀具表面的氧、切削液中极压添加剂硫、氯）起化学反应，在刀具表面 形成硬度低、耐磨性差的化合物形成硬度低、耐磨性差的化合物加速刀具磨损。加速刀具磨损。 主

13、要发生在硬质合金刀具中主要发生在硬质合金刀具中脆性脆性，强度，强度 。5 5相变磨损相变磨损 当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发 生变化。硬度下降，加速刀具磨损（刀面塌陷和刀刃卷曲）。生变化。硬度下降，加速刀具磨损（刀面塌陷和刀刃卷曲）。 合金工具钢相变温度合金工具钢相变温度300300350350；高速钢相变温度；高速钢相变温度550550600600。22WOOCoWC整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律（三）刀具的磨损过程和磨钝标准（三）刀具的磨损过程和磨钝标准 1 1刀具磨损过程：刀具

14、磨损过程：正常磨损条件下，切削时间正常磨损条件下，切削时间，刀具磨损，刀具磨损。 刀具后刀具后 刀面磨损曲线刀面磨损曲线刀具磨损过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间整理课件整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律（1 1）初期磨损阶段（）初期磨损阶段（） 刀具后刀面刀具后刀面 ，刀，刀工接触面小，单位面积上压力工接触面小，单位面积上压力，刀，刀具磨损具磨损（2 2）正常磨损阶段（）正常磨损阶段（） 刀具后刀面刀具后刀面 ，刀，刀工接触面大工接触面大，单位面积上压力，单位面积上压力，刀刀工接触良好，磨损均匀而缓慢工接触良好，磨损均匀而缓慢使用范围使用范围。

15、（3 3）急剧磨损阶段（）急剧磨损阶段（） 当磨损带宽度增加到限度后，切削刃变钝，当磨损带宽度增加到限度后，切削刃变钝， （为零或（为零或负），负）， 、 ，刀，刀工分子亲和力增加，刀具磨损工分子亲和力增加，刀具磨损更换刀具或刃磨刀具。更换刀具或刃磨刀具。aRmmVB1 . 005. 0aR0rF整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律2 2刀具磨钝标准：刀具磨钝标准： 刀具磨损到一定限度不能继续使用，这个磨损限度刀具磨损到一定限度不能继续使用，这个磨损限度磨钝磨钝 标准。标准。 ISO标准标准一般刀具后刀面上都有磨损，测量方便一般刀具后刀面上都有磨损，测量方便， IS

16、O统一规定：统一规定：以以1/21/2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具作为刀具的磨钝标准。的磨钝标准。以后刀面上均匀磨损区的平均磨损量以后刀面上均匀磨损区的平均磨损量VB刀具的磨钝标准。刀具的磨钝标准。自动化作业标准自动化作业标准 自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为刀具的磨钝标准寸作为刀具的磨钝标准径向磨损量径向磨损量NB。整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律ISO推荐的推荐的车刀耐用度试验磨钝标准车刀耐用度试验磨钝标准如下（高速钢和硬质合

17、如下（高速钢和硬质合金刀具）：金刀具）： 如果后刀面在如果后刀面在B B区内均匀磨损，取区内均匀磨损，取 如果后刀面在如果后刀面在B B区内非均匀磨损，取区内非均匀磨损，取 前刀面磨损量前刀面磨损量mmVB3 . 0mmVB6 . 0maxfKT3 . 006. 0整理课件车刀的径向磨损量整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律（四）刀具耐用度（四）刀具耐用度 1 1刀具耐用度刀具耐用度 刃磨后的刀具，从开始切削至磨损量达到磨钝标准所用的切削刃磨后的刀具，从开始切削至磨损量达到磨钝标准所用的切削时间时间T，单位为，单位为min。衡量刀具切削性能的重要指标。衡量刀具切削性

18、能的重要指标。2 2刀具耐用度的经验公式刀具耐用度的经验公式 与刀具耐用度的关系：与刀具耐用度的关系：一定切削条件下，一定切削条件下， ， 。 按按ISO国际标准对单刃车刀耐用度试验规定：国际标准对单刃车刀耐用度试验规定： 当切削刃磨损均匀，取当切削刃磨损均匀，取 ； 若磨损不均匀，若磨损不均匀， 。 固定其它条件，在常用速度范围内，取不同切削速固定其它条件，在常用速度范围内，取不同切削速 度度 ，进行刀具磨损试验。，进行刀具磨损试验。cvTmmVB3 . 0mmVB6 . 0max.,4321cccccvvvvv cv整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具耐用度

19、试验刀具耐用度试验 整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 直线斜率，直线斜率， A 切削速度值，得：切削速度值，得： 关系：关系： 或或 高速钢刀具：高速钢刀具： 硬质合金刀具：硬质合金刀具： 陶瓷刀具：陶瓷刀具：ATmvclglglgtgm min1sT TvcATvmcmcvCT11125. 01 . 0m3 . 02 . 0m4 . 0m整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 和和 与刀具耐用度之间的关系：与刀具耐用度之间的关系： 在一定切削条件下，在一定切削条件下， 和和 ， （ ）。）。 关系：关系： 关系：关系： 切削用量对刀具

20、耐用度的影响指数；切削用量对刀具耐用度的影响指数； 耐用度系数，与刀具、工件材料和切削条件有关。耐用度系数，与刀具、工件材料和切削条件有关。 fpafpaTTf TapBfTnnfCT12CTappppaCT13zpyxcTppnmcTafvCafvCT111zy、xTC整理课件3-13-1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 用硬质合金车刀切削用硬质合金车刀切削 的碳钢，当的碳钢，当 经验公式为：经验公式为： 结论：结论： 对刀具耐用度影响最大；其次是对刀具耐用度影响最大；其次是 ； 影响最小。影响最小。 所以在优选切削用量以提高生产率时，所以在优选切削用量以提高生产率时，选择先后顺

21、序：选择先后顺序： 首先尽量选用大首先尽量选用大 ; ; 其次根据加工条件和加工要求选取允许的最大其次根据加工条件和加工要求选取允许的最大 ; ; 最后选取刀具耐用度或机床功率所允许的最大的最后选取刀具耐用度或机床功率所允许的最大的 。abGP75. 0rmmf/75. 075. 025. 25pcTafvCT cvfpapafcv整理课件3刀具耐用度的选择1）最高生产率耐用度 ：以加工一个零件（或完成一道工序）所花的时间最短（生产率最高）为原则确定的刀具耐用度。完成一道工序所用的时间为： 切削时间（min/件）， 辅助时间（不包括换刀时间）， 换刀时间（min/次）。pTTtttttmctmprmtttct整理课件 对车外圆： （ ） ，整理后得： 切削条件一定时，为常数，令 得：pcwmfavdLt1000wcwpwdvnanL1000ATvmctmcpwmpwprtTtfAadLTfAadLt110001000tmcmtTKtKT1