1、1,机械制造技术基础,第1章 切削与磨削过程,2,1.5 刀具磨损与耐用度,内容提要1.刀具的磨损方式；2.刀具的磨损原因；3.刀具的磨损过程；4.刀具的磨钝标准；5.刀具耐用度；6.刀具的破损。重点难点1.刀具的磨损原因；2.刀具耐用度的概念及影响因素。学习目标1.掌握刀具的磨损方式及原因；2.掌握刀具耐用度的概念及影响因素；3.了解刀具的破损。,3,刀具失效形式：磨损（正常工作时逐渐产生的损耗。磨损是连续的、逐渐的发展过程。）破损（突发的破坏，随机的）,1.5.1 刀具的磨损方式,4,（1）正常磨损,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。,正常磨损
2、是指随着切削时间增加，磨损逐渐扩大的磨损。刀具的刀面和切削刃上的金属微粒被工件、切屑带走而使刀具丧失切削能力的现象。,1）前刀面磨损,1.5.1 刀具的磨损方式,5,1.前刀面磨损月牙洼磨损的形成过程：切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，由于切屑与前刀面完全是新鲜表面相互接触和摩擦，化学活性很高，反应很强烈，接触面又有很高的压力和温度，接触面积中有80%以上是实际接触，空气或切削液渗入比较困难，因此在前刀面上形成月牙洼磨损。使刀刃强度降低，易导致刀刃破损。,1.5.1 刀具的磨损方式,6,1.5.1 刀具的磨损方式,7,2）后刀面磨损,加工脆性材料或在切削塑性材料、速度较低、切削厚度较
3、小（hD0.1mm），由于前刀面上刀屑间的作用相对较弱，主要发生后刀面磨损。,3）前刀面和后刀面同时磨损,一般在以中等切削用量加工塑性金属材料时会出现这种形式磨损。,1.5.1 刀具的磨损方式,8,刀具的磨损形态,1.5.1 刀具的磨损方式,9,刀具磨损方式,正常磨损,前刀面磨损,形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，v大，hD大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量,后刀面磨损,形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料,v 较小,hD 较小；加工脆性材料影响：切削力,切削温度,产生振动，降低加工质量,前、后刀面磨损,1.5.1 刀具的磨损方式,课堂问题？,刀具的磨损方式有
4、几种？,11,1.磨粒磨损,2.粘结磨损,3.扩散磨损,切削时，切屑、工件材料中含有一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等，可在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨粒磨损。,切削时，切屑、工件与前、后刀面之间存在很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。由于切屑在滑移过程中产生剪切破坏，带走刀具材料，从而造成粘结磨损。,在切削高温下，使工件与刀具材料中的合金元素在固态下相互扩散置换造成的刀具磨损，称为扩散磨损,1.5.2 刀具的磨损原因,12,（5）相变磨损,（4）氧化磨损,在一定温度下，刀具材料与某些周围介质起氧化反应，在刀具表面形成一层硬度较低的氧化物，被切屑或工件擦掉而
5、形成磨损，称为氧化磨损。,当切削温度达到或超过刀具材料的相变温度时，刀具材料中的金相组织将发生变化，硬度显著下降，引起的刀具磨损称为相变磨损。,1.5.2 刀具的磨损原因,13,（7）塑性变形,（6）热电磨损,切削时，刀具与工件构成自然热电偶，产生热电势，在刀具切入或切出时，产生放电现象，会电蚀刀具，造成刀具磨损。,切削温度很高时，切削刃会发生塑性变形而改变原有的几何形状，丧失或削弱切削能力。,1.5.2 刀具的磨损原因,14,切削速度对刀具磨损强度的影响1-硬质点磨损；2-粘结磨损；3-扩散磨损；4-氧化磨损,15,磨粒磨损 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因 粘结磨损（冷焊）刀
6、具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切速,粘结磨损加剧,扩散磨损 高温下发生 氧化磨损 高温情况下，在切削刃工作边界发生,刀具磨损原因,1.5.2 刀具的磨损原因,16,1.5.3 刀具的磨损过程,17,刀具的磨损过程:,初期磨损阶段,正常磨损阶段,急剧磨损阶段,刃磨后的刀具其前、后刀面上的高低不平，受到切屑的冲击和摩擦时，将“凸峰”很快磨去，时间很短,刀具上的高低不平已被磨去，磨损量增加缓慢且比较稳定,切削刃变钝，刀具与工件之间的摩擦变大，切削力增大，切削温度上升，磨损加剧，刀具失去正常的切削能力,18,刀具的磨钝标准：刀具磨损到一定程度后，切削力、切削温度显著增加
7、，加工表面变得粗糙，工件尺寸可能会超出公差范围，切屑颜色、形状发生明显变化，甚至产生振动或出现不正常的噪声等。需要根据加工要求规定一个最大的允许磨损值，这就是刀具的磨钝标准。通常以主后刀面中间部分平均磨损量VB作为磨钝标准。,1.5.4 刀具的磨钝标准,19,国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准，可以是以下任何一种：（1）VB=0.3mm；（2）如果主后刀面为无规则磨损，取VB max=0.6mm；（3）前面磨损量KT=0.06+0.3f（f为进给量）,在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度VB来制定磨钝标准。规定磨钝标准的两点考虑：充分利用正常磨损阶段的磨损量，适用于粗加工和半精
8、加工。根据加工精度和表面质量要求规定磨钝标准。,1.5.4 刀具的磨钝标准,20,自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损量作为刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量NB值。,21,制定刀具磨钝标准需考虑被加工对象的特点和加工条件的具体情况：工艺系统刚性差，规定小的磨钝标准；切削难加工材料时，小的磨钝标准；加工精度及表面质量要求高时，小的磨钝标准；加工大型工件，适当增大磨钝标准；,1.5.4 刀具的磨钝标准,22,刀具耐用度概念,刀具耐用度刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T 表示。刀具寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。,1.5.5 刀具耐用度,刀
9、具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理的重要参数。,23,2.刀具耐用度的影响因素,切削用量：切削速度、背吃刀量和进给量 刀具几何参数：主偏角、前角 工件材料：强度、硬度、伸长率及导热系数,1.5.5 刀具耐用度,24,1）切削用量对刀具耐用度的影响,a.切削速度与刀具耐用度的关系,各种切削速度下的刀具磨损曲线,刀具Tv关系曲线，该直线方程为：,Lgv=-mlgT+lgA,式中，m=tg，即该直线的斜率；,A 当T1s（或1min）时直线在纵坐标上的截距。,V=A/T m,1.5.5 刀具耐用度,25,各种切削速度下的刀具磨损曲线,1.5.5 刀具耐用度,2
10、6,在双对数坐标上的Tv曲线,1.5.5 刀具耐用度,T-V关系式反映了切削速度与刀具耐用度之间的关系，是选择切削速度的重要依据。指数m表示切削速度对刀具耐用度的影响程度。高速钢：m=0.10.125；硬质合金：m=0.20.3;陶瓷刀具：m=0.4。,27,b.进给量、背吃刀量与刀具耐用度的关系,f=B/Tnap=C/Tp,综合以上三式，可以得到切削用量三要素与耐用度的关系：,1.5.5 刀具耐用度,1）切削用量对刀具耐用度的影响,28,例如，当用硬质合金车刀车削sb=0.63GPa的中碳钢时，切削用量与刀具耐用度的关系为：,1.5.5 刀具耐用度,1）切削用量对刀具耐用度的影响,29,切削
11、用量对刀具寿命T 的影响程度与切削用量对切削温度的影响程度是一致的，切削速度对刀具寿命的影响最大，其次是进给量，背吃刀量的影响最小。影响顺序：vcfap,1.5.5 刀具耐用度,1）切削用量对刀具耐用度的影响,30,增大前角o，切削力减小，切削温度降低，刀具耐用度提高。不过前角太大，刀具强度变低，散热变差，刀具耐用度反而下降。减小主偏角r与增大刀尖圆弧半径r，能增加刀具强度，降低切削温度，从而提高刀具耐用度。但过分减小r，由于背向力Fp的增大可能会引起振动而降低耐用度。,1.5.5 刀具耐用度,2）刀具几何参数对刀具耐用度的影响,31,工件材料的硬度、强度和韧性越高，刀具在切削过程中的产生的温
12、度也越高，刀具耐用度也越低。硬度、强度和韧性刀具耐用度工件材料的延伸率愈大或导热系数愈小，切削温度升高，刀具耐用度下降。,1.5.5 刀具耐用度,3）工件材料对刀具耐用度的影响,工件材料的延伸率刀具耐用度,课堂问题？,刀具耐用度的影响因素？,33,合理选择刀具耐用度，可以提高生产率和降低加工成本。刀具耐用度定得过高，就要选取较小的切削用量，从而降低了金属切除率，降低了生产率，提高了加工成本。反之耐用度定得过低，虽然可以采取较大的切削用量，但却因刀具磨损快，换刀、磨刀时间增加，刀具费用增大，同样会使生产率降低和成本提高。,1.5.5 刀具耐用度,4）合理刀具耐用度的选择原则,34,刀具耐用度对生
13、产率和加工成本的影响,35,式中to、tm、ta、tc 分别为工序时间、基本时间、辅助时间和换刀时间；T 为刀具耐用度。令f，ap为常数，有：,使工序时间最短的刀具耐用度。以车削为例，工序时间：,将上式代入式（4-14），对T求导，并令其为0，可得到最大生产率刀具耐用度为：,又：,1.5.5 刀具耐用度,4）合理刀具耐用度的选择原则,36,（3-18）,式中 C0 工序成本；Cm 机时费；Ct 刀具费用；tm，ta，tc，T 含义同前。,使工序成本最小的刀具耐用度。仍以车削为例，工序成本为：,（3-19）,仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到最低成本耐用度为：,1.5.5 刀具耐用度,37
14、,以一定时间内企业能获得最大利润为目标来制定。综上所述，如按最低成本制定耐用度，则会有较长的加工工时；如按最大生产率制定耐用度，则工序成本较高。最大利润耐用度兼顾这两个方面进行考虑。一般生产中，常常采用最低成本耐用度，只有在任务紧迫或生产中出现不平衡环节时，才能采用最大生产率耐用度。关于最大利润耐用度，目前研究得不够。,1.5.5 刀具耐用度,38,复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态，刀具耐用度可选的低些。对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少
15、换刀次数，保证整机和整线的可靠工作。精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应选得高些。,1.5.5 刀具耐用度,39,常用刀具耐用度参考值,高速钢车刀、镗刀 60-90min高速钢钻头 80120 min硬质合金焊接车刀 60 min硬质合金可转位车刀 1530 min硬质合金端铣刀 120180 min齿轮刀具 200300 min加工淬火钢的立方氮化硼车刀 120150 min,1.5.5 刀具耐用度,40,非正常磨损,刀具的非正常磨损是指在切削过程中，刀具的磨损量尚未达到磨钝标准值就突然无法正常使用，即刀具发生破损。,1）
16、脆性破损,2）塑性破损,在振动、冲击切削条件的作用下，刀具尚未发生明显磨损（VB0.1mm），但刀具切削部分却出现了刀刃微崩或刀尖崩碎、刀片或刀具折断、表层剥落、热裂纹等现象，使刀具不能继续工作，这种破损称为脆性破损。,切削时，刀具由于高温高压的作用，使刀具前、后刀面的材料发生塑性变形，刀具丧失切削能力，这种破损称为塑性破损。,1.5.6 刀具的破损,41,破损刀具破损比例较高，硬质合金刀具有5060是破损。特别是用脆性大的刀具连续切削或加工高硬度材料时，破损较严重。它又分为以下几种形式：碎断：小块碎裂或大块断裂。硬质合金和陶瓷刀具断续切削时常出现。崩刃 特点是在切削刃产生小的缺口，尺寸与进给
17、量相当。硬质合金刀具断续切削时容易产生。剥落 特点是前后刀面上平行于切削刃剥落一层碎片，常与切削刃一起剥落。陶瓷刀具端铣常发生剥落，另外硬质合金刀具连续切削也发生。裂纹 特点是垂直或倾斜于切削刃有热裂纹。由于长时间连续切削，刀具疲劳而引起。塑性破损 特点是刀刃发生塌陷。是由于切削时高温高压作用引起的。,1.5.6 刀具的破损,42,针对被加工工件材料和零件的特点，合理选择刀具材料的种类和牌号；合理选择刀具几何参数；合理选择切削用量，避免过大的切削力和过高的切削温度，避免产生积屑瘤；提高工艺系统的刚性，消除可能产生振动的因素，如加工余量不均匀，表面硬度不均匀，铰刀、铣刀等回转类刀具各刀齿的刃尖不
18、在同一圆周上等现象；采用正确的操作方法，尽量使刀具不承受或少承受突变性的载荷，合理使用切削液，为防止热裂效应，不要断续使用切削液冷却硬质合金、陶瓷等脆性大的刀具材料。,3）防止刀具破损的措施,1.5.6 刀具的破损,43,规定刀具切削时间，离线检测,1.5.7 刀具磨损、破损检测与监控,通过切削力（切削功率）变化幅值，判断刀具的磨损程度；当切削力突然增大或突然下降很大幅值时，则表明刀具发生了破损 通过实验确定刀具磨损与破损的“阈值”,切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及刀具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声发射信号小而连续，刀具严重磨损后声发射信号会增大，而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多，达到正常切削时的几倍,44,1.5.7 刀具磨损、破损检测与监控,
