1、1,機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ),第1章 切削與磨削過程,2,1.5 刀具磨損與耐用度,內(nèi)容提要 1. 刀具的磨損方式； 2. 刀具的磨損原因； 3. 刀具的磨損過程； 4. 刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)； 5. 刀具耐用度； 6. 刀具的破損。 重點(diǎn)難點(diǎn) 1. 刀具的磨損原因； 2. 刀具耐用度的概念及影響因素。 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1. 掌握刀具的磨損方式及原因； 2. 掌握刀具耐用度的概念及影響因素； 3. 了解刀具的破損。,3,刀具失效形式： 磨損 （正常工作時逐漸產(chǎn)生的損耗。磨損是連續(xù)的、逐漸的發(fā)展過程。） 破損 （突發(fā)的破壞，隨機(jī)的）,1.5.1 刀具的磨損方式,4,（1）正常磨損,切削塑性材料時，如果切削速度和切削

2、厚度較大，在刀具前刀面上經(jīng)常會磨出一個月牙洼。,正常磨損是指隨著切削時間增加，磨損逐漸擴(kuò)大的磨損。 刀具的刀面和切削刃上的金屬微粒被工件、切屑帶走而使刀具喪失切削能力的現(xiàn)象。,1）前刀面磨損,1.5.1 刀具的磨損方式,5,1.前刀面磨損 月牙洼磨損的形成過程： 切削塑性材料時，如果切削速度和切削厚度較大，由于切屑與前刀面完全是新鮮表面相互接觸和摩擦，化學(xué)活性很高，反應(yīng)很強(qiáng)烈，接觸面又有很高的壓力和溫度，接觸面積中有80%以上是實(shí)際接觸，空氣或切削液滲入比較困難，因此在前刀面上形成月牙洼磨損。使刀刃強(qiáng)度降低，易導(dǎo)致刀刃破損。,1.5.1 刀具的磨損方式,6,1.5.1 刀具的磨損方式,7,2）

3、后刀面磨損,加工脆性材料或在切削塑性材料、速度較低、切削厚度較?。╤D0.1mm），由于前刀面上刀屑間的作用相對較弱，主要發(fā)生后刀面磨損。,3）前刀面和后刀面同時磨損,一般在以中等切削用量加工塑性金屬材料時會出現(xiàn)這種形式磨損。,1.5.1 刀具的磨損方式,8,刀具的磨損形態(tài),1.5.1 刀具的磨損方式,9,刀具磨損方式, 正常磨損,前刀面磨損,形式：月牙洼 形成條件：加工塑性材料，v大，hD大 影響：削弱刀刃強(qiáng)度，降低加工質(zhì)量,后刀面磨損,形式：后角=0的磨損面（參數(shù)VB，VBmax） 形成條件：加工塑性材料, v 較小, hD 較??；加工脆性材料 影響：切削力, 切削溫度, 產(chǎn)生振動，降低加

4、工質(zhì)量,前、后刀面磨損,1.5.1 刀具的磨損方式,課堂問題？,刀具的磨損方式有幾種？,11,1.磨粒磨損,2.粘結(jié)磨損,3.擴(kuò)散磨損,切削時，切屑、工件材料中含有一些碳化物、氮化物和氧化物等硬質(zhì)點(diǎn)以及積屑瘤碎片等，可在刀具表面刻劃出溝紋，這就是磨粒磨損。,切削時，切屑、工件與前、后刀面之間存在很大的壓力和強(qiáng)烈的摩擦，形成新鮮表面接觸而發(fā)生冷焊粘結(jié)。由于切屑在滑移過程中產(chǎn)生剪切破壞，帶走刀具材料，從而造成粘結(jié)磨損。,在切削高溫下，使工件與刀具材料中的合金元素在固態(tài)下相互擴(kuò)散置換造成的刀具磨損，稱為擴(kuò)散磨損,1.5.2 刀具的磨損原因,12,（5）相變磨損,（4）氧化磨損,在一定溫度下，刀具材料

5、與某些周圍介質(zhì)起氧化反應(yīng)，在刀具表面形成一層硬度較低的氧化物，被切屑或工件擦掉而形成磨損，稱為氧化磨損。,當(dāng)切削溫度達(dá)到或超過刀具材料的相變溫度時，刀具材料中的金相組織將發(fā)生變化，硬度顯著下降，引起的刀具磨損稱為相變磨損。,1.5.2 刀具的磨損原因,13,（7）塑性變形,（6）熱電磨損,切削時，刀具與工件構(gòu)成自然熱電偶，產(chǎn)生熱電勢，在刀具切入或切出時，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，會電蝕刀具，造成刀具磨損。,切削溫度很高時，切削刃會發(fā)生塑性變形而改變原有的幾何形狀，喪失或削弱切削能力。,1.5.2 刀具的磨損原因,14,切削速度對刀具磨損強(qiáng)度的影響 1-硬質(zhì)點(diǎn)磨損； 2-粘結(jié)磨損；3-擴(kuò)散磨損；4-氧化磨損

6、,15, 磨粒磨損 各種切速下均存在 低速情況下刀具磨損的主要原因 粘結(jié)磨損（冷焊） 刀具材料與工件材料親和力大 刀具材料與工件材料硬度比小 中等偏低切速,粘結(jié)磨損加劇, 擴(kuò)散磨損 高溫下發(fā)生 氧化磨損 高溫情況下，在切削刃工作邊界發(fā)生,刀具磨損原因,1.5.2 刀具的磨損原因,16,1.5.3 刀具的磨損過程,17,刀具的磨損過程:,初期磨損階段,正常磨損階段,急劇磨損階段,刃磨后的刀具其前、后刀面上的高低不平，受到切屑的沖擊和摩擦?xí)r，將“凸峰”很快磨去，時間很短,刀具上的高低不平已被磨去，磨損量增加緩慢且比較穩(wěn)定,切削刃變鈍，刀具與工件之間的摩擦變大，切削力增大，切削溫度上升，磨損加劇，刀

7、具失去正常的切削能力,18,刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn) ： 刀具磨損到一定程度后，切削力、切削溫度顯著增加，加工表面變得粗糙，工件尺寸可能會超出公差范圍，切屑顏色、形狀發(fā)生明顯變化，甚至產(chǎn)生振動或出現(xiàn)不正常的噪聲等。需要根據(jù)加工要求規(guī)定一個最大的允許磨損值，這就是刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。 通常以主后刀面中間部分平均磨損量VB作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。,1.5.4 刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn),19,國際標(biāo)準(zhǔn)ISO推薦硬質(zhì)合金外圓車刀的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，可以是以下任何一種： （1） VB=0.3mm； （2）如果主后刀面為無規(guī)則磨損，取VB max=0.6mm； （3）前面磨損量KT=0.06+0.3f（f為進(jìn)給量）,在金屬切削的科學(xué)研究中多數(shù)按后

8、刀面磨損寬度VB來制定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的兩點(diǎn)考慮： 充分利用正常磨損階段的磨損量，適用于粗加工和半精加工。 根據(jù)加工精度和表面質(zhì)量要求規(guī)定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。,1.5.4 刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn),20,自動化生產(chǎn)中的精加工刀具，常以沿工件徑向的刀具磨損量作為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，稱為刀具徑向磨損量NB值。,21,制定刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)需考慮被加工對象的特點(diǎn)和加工條件的具體情況 ： 工藝系統(tǒng)剛性差，規(guī)定小的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)； 切削難加工材料時，小的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)； 加工精度及表面質(zhì)量要求高時，小的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)； 加工大型工件，適當(dāng)增大磨鈍標(biāo)準(zhǔn)；,1.5.4 刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn),22,刀具耐用度概念, 刀具耐用度刀具從切削開始至磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的切削

9、時間，用T 表示。 刀具壽命 一把新刀從投入切削開始至報廢為止的總切削時間，其間包括多次重磨。,1.5.5 刀具耐用度,刀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幾何參數(shù)是否合理的重要參數(shù)。,23,2.刀具耐用度的影響因素, 切削用量：切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量 刀具幾何參數(shù)：主偏角、前角 工件材料：強(qiáng)度、硬度、伸長率及導(dǎo)熱系數(shù),1.5.5 刀具耐用度,24,1）切削用量對刀具耐用度的影響,a. 切削速度與刀具耐用度的關(guān)系,各種切削速度下的刀具磨損曲線,刀具Tv關(guān)系曲線，該直線方程為：,Lgv=-mlgT+lgA,式中， m=tg，即該直線的斜率；,A 當(dāng)T1s（或1min）

10、時直線在縱坐標(biāo)上的截距。,V = A / T m,1.5.5 刀具耐用度,25,各種切削速度下的刀具磨損曲線,1.5.5 刀具耐用度,26,在雙對數(shù)坐標(biāo)上的Tv曲線,1.5.5 刀具耐用度,T -V關(guān)系式反映了切削速度與刀具耐用度之間的關(guān)系，是選擇切削速度的重要依據(jù)。指數(shù)m表示切削速度對刀具耐用度的影響程度。高速鋼：m=0.10.125； 硬質(zhì)合金：m=0.20.3; 陶瓷刀具：m=0.4。,27,b. 進(jìn)給量、背吃刀量與刀具耐用度的關(guān)系,f= B / Tn ap= C/Tp,綜合以上三式，可以得到切削用量三要素與耐用度的關(guān)系：,1.5.5 刀具耐用度,1）切削用量對刀具耐用度的影響,28,例

11、如，當(dāng)用硬質(zhì)合金車刀車削sb=0.63GPa的中碳鋼時，切削用量與刀具耐用度的關(guān)系為：,1.5.5 刀具耐用度,1）切削用量對刀具耐用度的影響,29,切削用量對刀具壽命T 的影響程度與切削用量對切削溫度的影響程度是一致的，切削速度對刀具壽命的影響最大，其次是進(jìn)給量，背吃刀量的影響最小。 影響順序：vcfap,1.5.5 刀具耐用度,1）切削用量對刀具耐用度的影響,30,增大前角o，切削力減小，切削溫度降低，刀具耐用度提高。不過前角太大，刀具強(qiáng)度變低，散熱變差，刀具耐用度反而下降。 減小主偏角r與增大刀尖圓弧半徑r，能增加刀具強(qiáng)度，降低切削溫度，從而提高刀具耐用度。但過分減小r，由于背向力Fp的

12、增大可能會引起振動而降低耐用度。,1.5.5 刀具耐用度,2）刀具幾何參數(shù)對刀具耐用度的影響,31,工件材料的硬度、強(qiáng)度和韌性越高，刀具在切削過程中的產(chǎn)生的溫度也越高，刀具耐用度也越低。 硬度、強(qiáng)度和韌性刀具耐用度 工件材料的延伸率愈大或?qū)嵯禂?shù)愈小，切削溫度升高，刀具耐用度下降。,1.5.5 刀具耐用度,3）工件材料對刀具耐用度的影響,工件材料的延伸率刀具耐用度,課堂問題？,刀具耐用度的影響因素？,33,合理選擇刀具耐用度，可以提高生產(chǎn)率和降低加工成本。刀具耐用度定得過高，就要選取較小的切削用量，從而降低了金屬切除率，降低了生產(chǎn)率，提高了加工成本。反之耐用度定得過低，雖然可以采取較大的切削用

13、量，但卻因刀具磨損快，換刀、磨刀時間增加，刀具費(fèi)用增大，同樣會使生產(chǎn)率降低和成本提高。,1.5.5 刀具耐用度,4）合理刀具耐用度的選擇原則,34,刀具耐用度對生產(chǎn)率和加工成本的影響,35,式中to 、 tm 、 ta 、 tc 分別為工序時間、基本時間、輔助時間和換刀時間；T 為刀具耐用度。令f，ap為常數(shù)，有：,使工序時間最短的刀具耐用度。以車削為例，工序時間：,將上式代入式（4-14），對T求導(dǎo)，并令其為0，可得到最大生產(chǎn)率刀具耐用度為：,又：,1.5.5 刀具耐用度,4）合理刀具耐用度的選擇原則,36,（3-18）,式中 C0 工序成本； Cm 機(jī)時費(fèi)； Ct 刀具費(fèi)用； tm ，ta

14、 ，tc ，T 含義同前。,使工序成本最小的刀具耐用度。仍以車削為例，工序成本為：,（3-19）,仍令f，ap為常數(shù)，采用相同方法，可得到最低成本耐用度為：,1.5.5 刀具耐用度,37,以一定時間內(nèi)企業(yè)能獲得最大利潤為目標(biāo)來制定。 綜上所述，如按最低成本制定耐用度，則會有較長的加工工時；如按最大生產(chǎn)率制定耐用度，則工序成本較高。最大利潤耐用度兼顧這兩個方面進(jìn)行考慮。 一般生產(chǎn)中，常常采用最低成本耐用度，只有在任務(wù)緊迫或生產(chǎn)中出現(xiàn)不平衡環(huán)節(jié)時，才能采用最大生產(chǎn)率耐用度。關(guān)于最大利潤耐用度，目前研究得不夠。,1.5.5 刀具耐用度,38,復(fù)雜的、高精度的、多刃的刀具耐用度應(yīng)選得比簡單的、低精度的

15、、單刃的刀具高。 對于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時間短，為使切削刃始終處于鋒利狀態(tài)，刀具耐用度可選的低些。 對于換刀、調(diào)刀比較復(fù)雜的數(shù)控刀具、自動線刀具以及多刀加工時，刀具耐用度應(yīng)選得高些，以減少換刀次數(shù)，保證整機(jī)和整線的可靠工作。 精加工刀具切削負(fù)荷小，刀具耐用度應(yīng)比粗加工刀具選得高些。 大件加工時，為避免一次進(jìn)給中中途換刀，刀具耐用度應(yīng)選得高些。,1.5.5 刀具耐用度,39,常用刀具耐用度 參考值,高速鋼車刀、鏜刀 60-90min 高速鋼鉆頭 80120 min 硬質(zhì)合金焊接車刀 60 min 硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀 1530 min 硬質(zhì)合金端銑刀 120180 min 齒輪刀具 2003

16、00 min 加工淬火鋼的立方氮化硼車刀 120150 min,1.5.5 刀具耐用度,40,非正常磨損,刀具的非正常磨損是指在切削過程中，刀具的磨損量尚未達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)值就突然無法正常使用，即刀具發(fā)生破損。,1）脆性破損,2）塑性破損,在振動、沖擊切削條件的作用下，刀具尚未發(fā)生明顯磨損（VB0.1mm），但刀具切削部分卻出現(xiàn)了刀刃微崩或刀尖崩碎、刀片或刀具折斷、表層剝落、熱裂紋等現(xiàn)象，使刀具不能繼續(xù)工作，這種破損稱為脆性破損。,切削時，刀具由于高溫高壓的作用，使刀具前、后刀面的材料發(fā)生塑性變形，刀具喪失切削能力，這種破損稱為塑性破損。,1.5.6 刀具的破損,41,破損 刀具破損比例較高，硬質(zhì)

17、合金刀具有5060是破損。特別是用脆性大的刀具連續(xù)切削或加工高硬度材料時，破損較嚴(yán)重。它又分為以下幾種形式： 碎斷：小塊碎裂或大塊斷裂。硬質(zhì)合金和陶瓷刀具斷續(xù)切削時常出現(xiàn)。 崩刃 特點(diǎn)是在切削刃產(chǎn)生小的缺口，尺寸與進(jìn)給量相當(dāng)。硬質(zhì)合金刀具斷續(xù)切削時容易產(chǎn)生。 剝落 特點(diǎn)是前后刀面上平行于切削刃剝落一層碎片，常與切削刃一起剝落。陶瓷刀具端銑常發(fā)生剝落，另外硬質(zhì)合金刀具連續(xù)切削也發(fā)生。 裂紋 特點(diǎn)是垂直或傾斜于切削刃有熱裂紋。由于長時間連續(xù)切削，刀具疲勞而引起。 塑性破損 特點(diǎn)是刀刃發(fā)生塌陷。是由于切削時高溫高壓作用引起的。,1.5.6 刀具的破損,42,針對被加工工件材料和零件的特點(diǎn)，合理選擇刀具材料的種類和牌號； 合理選擇刀具幾何參數(shù)； 合理選擇切削用量，避免過大的切削力和過高的切削溫度，避免產(chǎn)生積屑瘤； 提高工藝系統(tǒng)的剛性，消除可能產(chǎn)生振動的因素，如加工余量不均勻，表面硬度不均勻，鉸刀、銑刀等回轉(zhuǎn)類刀具各刀齒的刃尖不在同一圓周上等現(xiàn)象； 采用正確的操作方法，盡量使刀具不承受或少承受突變性的載荷，合理使用切削液，為防止熱裂效應(yīng)，不要斷續(xù)使用切削液冷卻硬質(zhì)合金