金属切削的基本规律及其实际应用

第二章金属切削过程的基本规律2)

切削力

掌握切削力的来源、切削合力、分力及切削功率；

牢固掌握影响切削力的主要因素。4)

刀具磨损、破损牢固掌握刀具的磨损形态及刀具磨损的主要原因；牢固掌握刀具磨钝标准及刀具寿命的概念；掌握切削参数与刀具寿命的关系及合理寿命的选择原则；掌握刀具破损形态及破损原因。第一节金属切削过程中的变形

金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。即被加工工件的切削层在刀具前面推挤下产生塑性变形，形成切屑而被切下来的过程。切削过程中诸如切削力、切削热和切削温度、刀具磨损等规律的重要理论基础一、挤压与变形刀具前刀面对金属层进行挤压，金属层材料产生剪切滑移。第一节金属切削过程中的变形

二、切削层金属的变形1.变形区的划分（以直角自由切削方式切削塑性材料为例）。根据实验，切削层金属在刀具作用下变成切屑，大体可划分为三个变形区。

切屑根部金相照片（l）第一变形区（Ⅰ）或剪切区从OA线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到OM线（终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束，AOM区域叫第一变形区或剪切区。是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。（2）第二变形区（Ⅱ）：刀屑接触区切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶粒进一步剪切滑移。特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前刀面，有时有滞流层。（3）第三变形区（Ⅲ）：刀工接触区。已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦。有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工硬化和回弹现象。三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三个变形区内的变形又相互影响。2.第一变形区内金属的剪切变形金属在第一变形区滑移过程刀具挤压工件，产生变形滑移挤裂切离位置P12（3）44以后应力状态<s=s>s>s无剪应力流动方向切削速度v合成运动合成运动合成运动前刀面区域切削层金属第一变形区切屑金属在第一变形区滑移过程切削层金属是在AOM区内通过剪应力产生滑移变成切屑(Chip)的。AOM区叫做第一变形区。OA线叫始滑移线,OM线叫终滑移线。其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.20.02mm，所以可看成一个面—即剪切面。剪切面与切削速度之间夹角叫剪切角，以表示。o滑移与晶粒伸长

切削层金属的变形，从晶体结构看，就是沿晶格中晶面的滑移。假定金属晶粒为圆形，受剪应力作用后，晶格中晶面产生滑移，晶粒变椭圆形。切屑形成过程卡片模型切削层金属就象一摞卡片，在刀具作用下受剪应力后，沿刀具前刀面滑移而成为切屑。滑移方向就是剪切面方向。卡片模型切屑形成过程FEM模拟切屑形成过程FEM模拟切屑形成过程FEM模拟研究切削变形的实验方法侧面变形观察法高速摄影法快速落刀法SEM观察法光弹性、光塑性实验法其它方法，如：X射线衍射等卡片模型SEM观察法3.变形程度的表示方法剪切角φ

(希腊字母[fai])

剪应变

(希腊字母epsilon)变形系数Λh

(希腊字母[ksai]克赛)(1)剪切角：剪切面与切削速度之间夹角。在相同切削条件下，剪切角越大，剪切面积越小，切屑厚度越小，变形越小。剪切角可采用快速落刀实验获得切屑根部照片再测量得到。(2)变形系数Λh（克赛）由实验和生产可知，切屑厚度hch大于切削层厚度hD，切屑长度lch小于切削层长度lD。变形系数：

长度变形系数：切削层长度与切屑长度之比l=lD/lch(>1)

厚度变形系数：Λh

=hch/hD(>1)变形系数能直观反映切屑的变形程度，且容易求得，生产中常用。变形系数Λh求法lchhDhchlD(3)剪应变剪应变与相对滑移关系为=s/y，s=NP，y=MK故=NP/MK=(NK+KP)/MK=ctg

+tg(-0)剪切变形示意图变形系数、剪切角和剪应变的关系

以上是按纯剪切观点提出的，而切削过程是复杂的，既有剪切又有挤压和摩擦的作用。显然以上理论有局限性。如Λh

=1时，hch=hD，似乎切屑没有变形，但事实上切屑有相对滑移存在。

三、刀屑接触区的变形与摩擦切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，靠近前刀面的切屑底层进一步变形成为第二变形区。刀—屑接触区的变形与摩擦切屑底层晶粒纤维化，流速减慢甚至会停滞在前刀面上；切屑发生弯曲；刀—屑接触区温度升高；第二变形区的挤压和摩擦影响切屑的流出，从而影响第一变形区金属的变形，影响剪切角的大小。1.剪切角与前刀面上摩擦角的关系前刀面上：法向力Fn和摩擦力Ff剪切面上：正压力Fns剪切力FsFr切削合力；Fn与Fr的夹角，即摩擦角；作用在切屑上的力及其与角度关系两对力的合力平衡Fc

Fr在切削运动方向的分力；Fp

Fr与切削运动方向垂直的分力。切削合力Fr与剪切力Fs之夹角为(+-0)，(-0)为切削合力Fr

与切削速度方向的夹角，称作用角，以[omega]表示。

或前角o增大时，

增大，变形减小。故在保证刀刃强度条件下增大前角可以改善切削过程（降低切削力、温度、提高表面质量等）；摩擦角

增大时，

减小，变形增大。故提高刀具刃磨质量、使用切削液可减小前刀面上的摩擦，对切削过程有利。或2.前刀面上的摩擦与积屑瘤现象(1)前刀面上的摩擦:在高温、高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘接，也称为“冷焊”。此时，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。粘结区：高温、高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层金属与上层金属之间产生相对剪切滑移，其间的摩擦属于内摩擦。滑动区：切屑在脱离前刀面之前，只与前刀面上的一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。

切屑与前刀面摩擦示意图lfolfi（1）工件材料的性质塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；

切削区的温度和压力很低时，不会产生积屑瘤；切削区的温度太高时，由于材料变软，也不会产生积屑瘤。2）积屑瘤的成因（2）切削区的温度分布和压力分布有关。（3）刀具前角增大刀具前角可以有效抑制积屑瘤的形成。（4）冷却润滑条件加注切削液可以有效抑制积屑瘤的形成。

根据积屑瘤的有无及生长高度Hb与切削速度关系，可分为四个区：（5）切削速度I区：切削速度很低，形成粒状或节状切屑，没有积屑瘤生成；Ⅱ区：形成带状切屑，冷焊条件逐渐形成，随着切削速度的提高，积屑瘤高度也增加。摩擦阻力Ff与切削流动推力T：Ff>T积屑瘤高度增大；Ff<T积屑瘤被推走；Ff＝T积屑瘤达到临界高度。Ⅲ区：积屑瘤的高度随切削速度的增加而减小，当到达边界时，积屑瘤消失。速度高，切屑温度高被软化，摩擦阻力下降，滞留倾向减弱。Ⅳ区：切削速度进一步提高，由于切削速度较高而冷焊消失，此时积屑瘤不再存在，当切屑底部的纤维化依然存在，切屑的滞留倾向也依然存在。材料硬化指数愈大（塑性越高），愈易形成积屑瘤。实验证明：形成积屑瘤有一最佳切削温度，此时积屑瘤高度Hb最大，当温度高于或低于此温度时，积屑瘤高度皆减小。积屑瘤的作用有利方面可增大实际前角，减少变形和切削力；可保护切削刃、降低刀具磨损。

不利方面积屑瘤不稳定时（脱落时），有可能使脆性刀具颗粒剥落，反而加剧刀具磨损；产生积屑瘤后使切削厚度增大，影响工件尺寸精度；当积屑瘤不稳定时，由于积屑瘤产生—成长—脱落周期动态变化，易引起振动；脱落的积屑瘤碎片影响工件表面粗糙度，也容易划伤刀具，使刀具寿命降低。

抑制积屑瘤的措施降低切削速度，使温度降低到不易产生粘结现象；

采用高速切削，使温度高于积屑瘤消失的极限温度；

增大刀具前角，减小刀-屑接触压力；

使用润滑性好的切削液和精研刀具表面，降低刀-屑接触压力；

提高工件材料硬度，减小材料硬化指数。

四、切屑变形的规律由第一和第二变形区的分析可知，变形和摩擦是影响切削过程的关键。影响切屑变形的主要因素可从以下四方面分析：2.1.5影响切屑变形的因素1．工件材料的影响工件材料的硬度和强度越大，剪切角将随之越大，变形系数越小，切屑的变形越小。

刀具前角增大，剪切角将随之增大；变形系数随着刀具的前角增大而减小。切屑的变形减小。2刀具前角的影响工件材料强度对变形系数的影响工件材料的硬度和强度越大，剪切角将随之越大，变形系数越小，切屑的变形越小。3．切削速度的影响A段：

积屑瘤随着切削速度的增大逐渐形成，前角逐渐增大，所以变形系数减小。B段：

积屑瘤随着vc的增大逐渐消失，前角逐渐减小，所以变形系数增大。

积屑瘤消失，随着vc的增大，切削温度增高，使切屑底层材料的剪切屈服强度τs下降，导致前刀面摩擦系数μ减小，摩擦角随之减小，剪切角增大，故变形系数减小。C段：切削塑性金属时vc是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。切削铸铁等脆性金属时，一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变形系数逐渐地减小。

4．切削层公称厚度的影响

进给量增大，切削层厚度增大;在无积屑瘤的切削速度范围内(Vc=200)，切削厚度越大，变形系数越小。5．刀尖圆弧半径的影响

刀尖圆弧半径r

越大，变形系数越大，切削变形越大。第二节切屑的类型及控制2.1切屑的类型（从变形观点出发）1带状切屑2挤裂(节状)切屑。产生条件：加工塑性金属，且切削厚度较小，切削速度较高、刀具前角较大。优点：切削过程平稳，切削力波动范围小，已加工表面粗糙度较小。缺点：容易缠绕刀具或工件，影响加工过程。产生条件：加工塑性金属，在低速、切削厚度较大、刀具前角较小特点：切削过程不平稳，切削力有波动，已加工表面粗糙度较大。带状切屑挤裂切屑3单元(粒状)切屑产生条件：加工塑性金属，切削速度极低时，增大进给量，减小前角。特点：切削过程不平稳，切削力波动大，已加工表面粗糙度大。粒状切屑切塑性材料带状切屑挤裂切屑单元切屑

↑γ0↑v↓hD↓γ0↓v↑hD↓γ0↓v↑hD↑γ0↑v↓hD4崩碎切屑

切脆性材料，工件材料越是脆硬、进给量越大则越容易产生这种切屑。

切削力的幅度小，但波动大，切削过程不平稳，易损坏刀具，已加工表面粗糙。应↑γ0↑v↓hD崩碎切屑2.2切屑的控制1采用断屑槽

对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。增大刀具主偏角切削厚度变大，有利于断屑。2改变刀具角度3调整切削用量减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断。

即据实际条件适当选择切削用量。

刃倾角正值切屑常卷曲后碰到后刀面折断负值切屑常卷曲后碰到已加工表面折断

进给量切削厚度对断屑有利加工表面粗糙度

切削速度切削变形利于断屑切除效率第2节切削力

切削力是金属切削过程中一个重要的物理现象。是计算切削功率、设计刀具、机床和装具以及制定切削用量的重要依据。是自动化生产中用作监控参数之一。研究切削力的变化规律是非常重要的。一、切削力的来源、切削合力、分力及切削功率（1）切削力的来源切削力金属切削时，刀具切除工件上切削层金属，使之成为切屑，所需要的力。

来源于：

（1）克服工件材料弹性变形的力；

（2）克服工件材料塑性变形的力；

（3）克服刀-屑、刀-工接触面上的摩擦力。合力Fr可分解成三个分力：1)

Fc—主切削力或切向力。是主切削力在主运动方向上的投影，垂直于基面。是计算切削功率的主要力，也是设计机床零件和计算刀具强度的重要依据。(2)切削合力与分力2)

Fp—径向力或背向力。在基面内并垂直进给方向的分力，使工件产生弯曲变形并可能引起振动。3)

Ff—进给力或轴向力。在基面内并平行于进给方向的分力。是设计进给机构和计算进给功率的依据。

注意：Fc、Fp、Ff之间比例关系随刀具材料、几何参数、工件材料及刀具磨损状态不同在较大范围内变化。

（3）切削功率

切削功率Pm切削力在切削过程中所消耗的功率。即

式中Fc—主切削力（N）；v—切削速度（m/s）；Ff—进给力（N）；nw—工件转速（r/s）；

f—进给量（mm/r）。

式中第二项相对第一项很小（＜1～2％）可忽略不计，于是

由切削功率Pm可求得机床电机功率PE，即：机床电机功率

式中m机床传动效率，一般为0.75～0.85。

二、切削力的求法（1）测量机床功率利用功率表直测量机床的功率，然后求得切削力的大小。该方法较粗糙，误差大。（2）测量切削力电阻应变片测力仪：测量切削力压电晶体测力仪：测量切削力这两种测力仪都可以测出Fz、Fx、Fy三个分力，精度较高。电阻应变片测力仪测量切削力压电晶体测力仪测量切削力切削力的测量切削力的测量（3）利用经验公式计算切削力通过大量实验，将测力仪测得的切削力数据，用数学方法进行处理，得到切削力的实验公式。CFz、CFy、CFx—工件材料和切削条件对三个分力影响系数；xFz、yFz、nFz、xFy、yFy、nFy、xFx、yFx、nFx—切削用量分别对三个分力影响的系数；KFz、KFy、KFx—实际切削条件与经验公式不符时的修正系数。通常采用切削力的指数公式，如下式：

（4）用单位切削力计算切削力单位切削力：单位切削面积上的切削力。

(5)切削力FEM分析计算(5)切削力FEM分析计算三、影响切削力的主要因素工件材料切削用量（V,f,ap）刀具几何参数刀具材料切削液刀具磨损机床和装夹1.工件材料方面工件材料物理力学性能、化学成分、热处理状态和切削前材料的加工状态都影响切削力的大小。工件材料强度、硬度愈大、切削力愈大。工件材料化学成份不同，如含碳量多少，是否含有合金元素等，切削力不同。热处理状态不同，硬度不同，切削力也不同（淬火、调质、正火）。材料硬化指数不同，如不锈钢硬化指数大，切削力大，铜、铝硬化指数小，铸铁及脆性材料硬化指数小，切削力就小。

2.切削用量方面（l）背吃刀量ap和进给量f当ap和f增加时，切削面积增加，切削变形抗力增大，因而切削力都增加。ap增加一倍时，hD不变，bD增大一倍，而变形系数不变，所以切削力成倍增加；f

增加一倍时，hD增大一倍，但bD增大使变形系数减小，有使切削力降低的趋势。因此，切削力不成倍增加。（2）切削速度v切削速度对切削力的影响规律与对切屑变形的影响基本相同（驼峰形规律）。切削塑性金属时，在积屑瘤区，积屑瘤使刀具实际前角增大，切屑变形减小，切削力减小；在无积屑瘤时，随v的增加而切削力减小。切削脆性金属时，v增加，切削力减小，但变化不大。主要是由于产生崩碎切屑，刀-屑接触面摩擦力很小所致。图2-18YT15硬质合金车刀加工45钢时切削速度v对切削力的影响3.刀具几何参数方面前角切塑性金属时，Fz随前角增大而降低。原因：前角增大增大减小切屑流出阻力减小

Fz降低。加工脆性材料时，前角对Fz的影响不明显。(2)负倒棱：在锋利切削刃上磨出负倒棱，可以提高刃区强度，从而提高刀具使用寿命。但负倒棱切削力增大。通过负倒棱宽度b1与刀-屑接触长度lf之比来影响切削力：b1<lf时，切屑沿前刀面流出，正前角仍起作用，Fr比无负倒棱大一些b1>lf时，切屑沿负倒棱而不是前刀面流出，相当于0=01负前角车刀的切削力。(3)主偏角

主偏角变化影响切削厚度ac和刀尖圆弧曲线长度，从而影响切削力。主偏角对切削力的影响Kr

<60时：

KrhD

Fz降低；Kr>75时：虽然KrhD，但是Kr但刀尖圆弧刃工作长度，且占主导作用Fz增大KrFyKrFx(4)刀尖圆弧半径r一般情况下，r对切削力影响较小。

r

hD

Fz增大r

Fyr

Fx(5)刃倾角s实验证明，s在（-40+40）内变化，Fz没有什么变化。但s变化引起切削合力方向变化，随s增大，Fy，

Fx

生产实际中还有许多因素，如刀具材料摩擦系数、刀具磨损状态、是否使用切削液、切削液的润滑性能等也会影响切削力的变化。切削力的理论研究（自学）剪切角()理论

(从固体力学出发)LeeandShaffer理论：最大主应力和最大剪应力之间的夹角为/4

=/4+o-Merchant理论：剪切面位于要求剪切能量最小的位置

=/4+(o-)/2MCShaw理论：剪切面不一定与最大剪应力平面一致=/4+o-+Oxley理论：考虑加工硬化、应变效应……佐列夫理论位错理论

(从位错的观点研究切削力)第3节切削热和切削温度

切削过程中所做的功几乎都转化为热，比例高达（98%99%）。切削热：使切削区温度升高；直接影响到前刀面上的摩擦系数、积屑瘤的产生、刀具的磨损、工件的加工精度、加工质量等。所以掌握切削热、切削温度的变化规律非常重要。一、切削热的来源来源：切屑的变形功和前、后刀面的摩擦功。切削塑性材料：变形和摩擦功都较大，切削热量大；切削脆性材料：主要是刀-工接触区的摩擦，发热量较小。切削热的产生与传出

切削热的传出：切屑、刀具、工件以及周围介质。按切削热的来源，单位时间产生的热量q：

q=Fzv当用硬质合金车刀切削=0.637GPa结构钢时：可知，切削用量三要素中ap对q影响最大，其次是v，f最小从切削热的传出可知，工件、刀具材料导热系数、热容量大小直接影响工件、刀具传出热量的多少，切削速度大小影响切屑带走热量多少。

车削与钻削时各因素散热的比例大小1．车削切屑带走50-86％，车刀传出10-40%，工件传出3-9%，周围介质（空气）传出1%。切削速度愈高、切削厚度愈大，切屑带走热量愈多。2．钻削切屑带走28%，刀具传出14.5%，工件传出52.5%，周围介质传出5%。如果采用切削液，介质传出的热量大大增加。二、切削区的温度及其分布

切削温度：切削区的平均温度。是切削过程中产生的切削热与切屑、工件、刀具和介质传出的热两者综合后，在切削区形成的温度。切削温度计算经验公式（查手册）理论公式（计算与预报）FEM分析计算切削温度的测量自然热电偶法人工热电偶法。切削温度的FEM计算

测量切削温度—自然热电偶法在切削时，化学成份不同的刀具材料和工件材料，在切削高温作用下形成一热端，与刀具、工件保持室温的一端（冷端）必然有热电势产生（叫塞贝克效应），用仪表（毫伏计）测出这一热电势，再与这两种材料的标定曲线进行对照，就可知道切削区温度平均值。温度标定曲线1.车刀2.工件3.机床主轴尾部4.铜销5.铜顶尖（与支架绝缘）6.毫伏计

测量切削温度—人工热电偶法将两种预先标定的金属丝组成热电偶（或标准的热电偶），热端焊接在被测点上，两冷端用仪器连接起来，仪器可测得切削条件下热电势数值，再参照该标准热电偶的标定曲线，便可知道被测点的温度值了。

人工热电偶法可以测量切削区任一点的温度。因此，用人工热电偶法可以测量切屑、刀具和工件上不同点的温度，可以绘制三者的温度分布曲线图。

切削温度的分布自然热电偶法切削区的平均温度；人工热电偶法工件、刀具和切屑上各点的温度分布，也就是温度场。二维切削中的温度分布

图为用人工热电偶法测得的工件、刀具、和切屑二维切削温度分布。

切削不同材料的温度分布145钢-YT152GCr15-YT143钛合金BT2-YG84BT2-YT15由切削温度分布图可以看出：刀屑接触面上温度高且梯度很大。原因：切削速度较高，切削热来不及传导所致。前刀面和后刀面上的温度最高点不是切削刃而是离切削刃有一定距离的地方。原因：摩擦热沿刀面逐渐积累，而摩擦后半段散热条件改善，前刀面滑动区为外摩擦，摩擦减小且散热改善，故温度又下降所致。剪切面上温度几乎相同。工件材料塑性越高，刀屑接触面长度越大，切削温度分布较均匀；工件脆性越高，则最高温度点离刀刃越近。

刀具材料和工件材料的导热系数愈小，前、后刀面上的温度愈高。像高温合金和钛合金导热系数低，切削温度高，故切削时易采用低的切削速度，降低刀具上的温度。

三、影响切削温度的主要因素工件材料切削用量（V,f,ap）刀具几何参数刀具材料切削液刀具磨损（一）切削用量

实验得出的切削温度经验公式如下：

式中实验时测得的切削区平均温度；C切削温度系数；z、y、x为v、f、ap影响切削温度的指数。

当硬质合金刀具切削中碳钢时，切削经验温度为：

=Cv

0.410.26f

0.15ap0.05

切削速度对切削温度影响最大。原因：随v增加，摩擦热增加，又来不及传出，产生热积聚现象，但切削速度提高使变形减小，因此切削温度不随v增加成正比。进给量f对切削温度影响较次。原因：f增加时，单位时间切削体积增加，但f增加时ac增加，变形减小，热容量增大，故对切削温度影响不及v。背吃刀量ap对切削温度影响为三者最小。原因：虽然ap对产生热成正比增加，但随ap增加aw增加，散热条件大大改善，故影响最小。所以，切削用量三要素对切削温度的影响规律与对切削力的影响规律顺序相反。（二）刀具几何参数（l）前角前角增大变形减小→切削力↓→产生热量↓→切削温度↓。但当o大于18～20时，虽然变形减小，产生热量少，但散热条件恶化，故切削温度不但不降低，反而有可能升高。（二）刀具几何参数（2）主偏角主要是依据对切削刃工作长度和刀尖角变化而影响的。

Kr↑→aw↓→散热面积↓→切削温度↑。（三）工件材料方面取决于工件材料的强度、硬度、导热性等。合金钢强度高、导热系数小，因此比普通钢消耗功率大，散热性差，故切削温度高。切削脆性材料时由于形成崩碎切屑，变形与摩擦都小，故切削温度也低。（四）刀具磨损的影响刀具磨损较严重时，刀具刀口变钝，刃前区变形增大，同时后刀面与工件之间摩擦增大，故切削温度增大。第4节刀具磨损、破损及寿命刀具的损坏(Failure)形式：磨损Wear：刀具在切削过程中将会被逐渐磨损。使切削力增大，切削温度升高，甚至产生振动，因此影响已加工表面质量和生产率。破损Fracture：有时刀具尚未磨损到须重新刃磨或更换新刀时会发生突然损坏而失效。也影响已加工表面质量和生产率。刀具磨损与一般机械零件磨损相比的特点：与前刀面接触的切屑底面是活性很高的新鲜表面，不存在氧化膜等污染；前、后刀面上接触压力很高（23GPa）；接触面上的温度很高（8001200℃）；因此刀具损坏存在着机械、热和化学作用以及摩擦、粘结、扩散等现象。一、刀具磨损的形态切削过程中，刀具前刀面与切屑、后刀面与加工表面存在着剧烈的摩擦，使之产生磨损现象。（一）前刀面磨损成因：切削塑性材料，切削厚度较大，前刀面承受巨大的压力和摩擦力，而且温度很高，使前刀面产生月牙洼磨损(CraterWear)。月牙洼离切削刃有一定距离，其长度取决于切屑宽度；随切削进行，月牙洼长度基本不变，宽度向切削刃扩大，深度逐渐加深。月牙洼磨损程度通常用月牙洼深度KT表示。刀具前刀面月牙洼磨损刀具前刀面月牙洼磨损前刀面磨损

前刀面磨损

前刀面磨损

前刀面磨损

（二）后刀面磨损成因：切削过程中，后刀面与工件加工表面存在着压力和摩擦，使之产生磨损。通常加工脆性材料或较小切削厚度切削塑性材料时主要发生后刀面磨损。后刀面磨损切削刃各点工作条件不同，其后刀面磨损带是不均匀的。C区和N区(notch)磨损严重，其磨损带最大宽度分别以VC和VN表示。中间磨损较均匀（B区），以平均磨损带宽度VB表示，而最大磨损宽度以VBmax表示。（三）边界磨损边界磨损实际上属于后刀面磨损的边界部分。在主后刀面上，主切削刃与待加工表面对应位置处的磨损；在副后刀面上，副切削刃与已加工表面对应位置处的磨损。边界磨损在后刀面磨损带中最为严重。

3.边界磨损：属于后刀面磨损的边界部分，即在主、副刀面上，主切削刃与待加工表面对应位置、副切削刃与已加工表面对应位置的磨损。边界磨损在后刀面磨损带中最为严重。原因：

边界处属切削刃受力（压应力和剪应力）极限位置，存在很大的应力（机械应力）；

边界处属于切削刃参与切削极限位置，存在很大的温度梯度，引起很大的热应力；

边界处受到周围介质（如切削液）中元素的作用加剧了磨损；边界处受到待加工表面硬皮或硬化层作用加剧了磨损。刀具磨损主要原因刀具正常磨损机械作用、热、化学综合作用。（一）硬质点磨损（磨料磨损、磨粒磨损）原因：由工件材料中的硬质点或积屑瘤碎片对刀具表面的机械划伤，从而使刀具磨损。（一）硬质点磨损（磨料磨损、磨粒磨损）各种刀具都会产生硬质点磨损；磨损量与切削路程成正比；硬质点磨损是硬度较低的刀具材料或低速刀具，如高速钢刀具及手工刀具等主要磨损原因。

硬质点磨损（二）粘结磨损刀具与工件材料（或切屑）接触面上，在压力和温度作用下，产生所谓的冷焊现象，粘结点因相对运动，晶粒或晶粒群受剪或受拉被对方带走而造成的磨损。粘结点的分离面通常在硬度较低的一方，即工件上。但刀具材料往往组织不均匀，存在内应力以及疲劳微裂纹等缺陷，分离面也会发生在刀具一方，造成刀具磨损。刀具与工件的粘结强度,与温度有关；与两种材料亲和性有关。

粘结磨损（三）扩散磨损原因：刀具表面与被切出的新鲜表面相接触，在高温下，两摩擦面的化学元素获得足够的能量，相互扩散，改变接触面各方的化学成份，削弱了刀具材料性能，从而造成刀具的磨损。与化学成分有关。与温度有关，扩散磨损随温度升高而增加。与材料中化学元素活泼性有关。(四）化学磨损（或氧化磨损）原因：刀具与周围介质（如空气中的氧、切削液中的极压添加剂硫、氯等），在一定的温度下起化学作用，在刀具表面形成硬度低、耐磨性差的化合物，加速刀具的磨损。化学磨损强度决定于：刀具材料中元素的化学稳定性以及温度的影响。

氧化磨损（五）热电磨损

原因：刀具与工件材料在高温下形成热电势，当形成闭合回路时将有热电流产生，在热电流的作用下，加快了元素的扩散速度，使刀具磨损加快。刀具磨损机理由于刀具材料、工件材料及切削条件不同，磨损原因不同，具体磨损原因可能属于其中一种，也可能几种原因同时作用。高速钢与硬质合金相比，硬度、耐热性较差，高速钢主要磨损原因是硬质点、粘结磨损；硬质合金刀具主要是扩散、粘结磨损或化学磨损。磨损原因之间相互作用，热电磨损促使扩散磨损加剧，扩散磨损又促使粘结、硬质点磨损加剧。刀具磨损与温度有至关重要的联系。低温（速）区，以机械磨损（硬质点）为主；高温（速）区，热、化学磨损（粘结、扩散、氧化等）为主。切削速度对刀具磨损强度的影响三、刀具磨损过程及磨钝标准

（一）刀具磨损过程

刀具磨损过程分三个阶段：

初期磨损、正常磨损和急剧磨损。初期磨损阶段：刀具磨损率较大。主要是新刃磨的刀面较粗糙、刀工接触面小造成压应力大以及变质层的影响。正常磨损阶段：经过初期磨损阶段之后，刀面处于良好状态，刀具后刀面磨损均匀而缓慢，切削时间较长。急剧磨损阶段：当磨损带宽度增加到一定限度之后，切削力与切削温度迅速升高，磨损带宽度急剧增加。为合理使用刀具和保证加工质量，应在此阶段之前及时更换刀具。（二）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，这个磨损限度称为磨钝标准。生产中怎样判断刀具是否达到磨钝标准？粗加工时观察切屑的颜色，加工表面是否出现挤压亮带、摩擦尖叫声以及切削振动情况等；精加工时常以表面粗糙度及尺寸精度为依据判断刀具是否达到磨钝标准。国际标准ISO统一规定以1/2背吃刀量处后刀面磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。自动化生产中的精加工刀具常以工件径向上刀具磨损尺寸做为衡量刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量NB。国际标准ISO推荐的车刀寿命试验磨钝标准如下：高速钢和陶瓷刀具，下列任何一种：破损；后刀面B区规则磨损，取VB

＝0.3mm；后刀面B区内无规则磨损、划伤、剥落或有严重的沟痕，取VBmax=0.6mm。硬质合金刀具，下列任一种：（1）VB

＝0.3mm；（2）后刀面无规则磨损，VB

max=0.6mm；（3）前刀面磨损量KT＝0.06＋0.3f（进给量）。四、刀具寿命经验公式及其合理选择（一）切削速度与刀具寿命的关系刀具寿命刀具刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具磨钝标准所经过的净切削时间，用T（s或min）表示。在一定切削条件下，切削速度愈高，刀具寿命愈低。原因：切削速度对切削温度影响最大，对刀具磨损影响最大，故对刀具寿命影响也最大。现通过实验方法求得v—T关系：按ISO国际标准对单刃车刀寿命试验规定：当切削刃磨损均匀时，取VB=0.3mm；如果磨损不均匀时，VBmax=0.6mm。固定其他条件，在常用速度范围内，取不同的切削速度v=v1，v2，v3，v4……，进行刀具磨损试验，得到一组磨损曲线。按规定磨钝标准，对应于不同的v有相应的T=T1，T2，T3，T4……。刀具磨损曲线在双对数坐标中确定(vl，T1)、(v2，T2)、(v3，T3)、(v4，T4)……各点，它们呈线性关系。其方程为：

logv=-mlogT

＋logC0

式中：m=tg，即该直线的斜率；C0为T=1s（或min）时的切削速度值。故：vTm

=C0(2-16) 此即为著名的泰勒(Taylor)公式。由图，该直线斜率（m）愈小，说明v对T影响愈大，也就是说v稍微增加，使T下降很大，说明刀具材料耐磨性差。如高速钢刀具材料m=0.l～0.125；硬质合金m=0.2～0.3；陶瓷刀具m=0.4。在较宽的切削速度范围内，特别是在低速区内，v-T关系就不是单调函数。原因：积屑瘤现象影响刀具寿命所致。vTm

=C0（二）进给量和背吃刀量与刀具寿命的关系

与v-T关系一样进行试验，可得到f-T、ap-T关系，即

fTm1

=C1

(2-17)

apTm2＝C2

(2-18)

综合式可得切削用量与刀具寿命的一般关系：令

x=1/m，

y=1/ml，z=1/m2，则式中CT寿命系数，与刀具、工件材料和切削条件有关；x、y、z指数，分别表示切削用量对刀具寿命影响的程度。

用YT5硬质合金车刀切削b=0.637GPa碳钢时，（f＞0.7mm/r）切削用量与刀具寿命的关系为：可见：v对T的影响最大，其次是f，最小的是ap。切削用量对T的影响规律符合对切削温度的影响规律。同时反映出切削温度对刀具的磨损和寿命有重要的影响。(2-19)(2-20)（三）合理寿命的选择刀具寿命与切削用量有密切关系。在生产中，选择刀具寿命的原则：根据优化目标确定。优化目标：最大生产率、最低成本和最大利润。

1．最大生产率寿命（Tp）

最大生产率是指工件(或工序)加工所用时间tw最短。最大生产率寿命是指以工件(工序)加工生产率最大为原则确定的刀具寿命。lw——刀具一次走到长度(mm)，Δ——工件单边加工余量

(mm)，nw——工件转速(r/min)。工序工时tw由切削工时、换刀工时和其他辅助工时组成：tm——工序切削工时(min)，tct——换刀工时(min)，T——刀具寿命(min)，tm/T——换刀次数，tot——其他辅助工时(min)。（2-21）（2-22）vTm

=C0（2-23）（2-24）代入（2-21）（2-25）

与Tp对应的切削速度称为最大生产率切削速度vp，（2-26）M：该工序单位时间内所分担的全厂开支；Ct：刀具成本；tct：换刀时间；tot：除换刀时间以外的其他辅助时间。

零件的某一工序成本C为：（2-27）2．最低成本寿命（Tc）：最低成本寿命是指以每个零件