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1、模块二：切削过程及控制,第三单元 金属切削过程及控制 四、刀具磨损和刀具耐用度,注：课件内部分图片、动画、视频为引用，来源不详。,1.刀具磨损的原因： 刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。 接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。 接触表面的温度很高，硬质合金刀具可达8001000，高速钢刀具可达300600。 刀具磨损是高温和高压下受到机械和热化学作用的结果。包括机械磨粒磨损、粘接磨损、扩散磨损以及氧化磨损等。对刀具磨损起决定性作用的是切削温度。一般情况下，高温时主要出现氧化和扩散磨损，中低温时粘接磨损占主导地位，机械磨粒磨损则在不同温度下都存在。,磨粒磨损：切屑、工件的硬度虽
2、然低于刀具的硬度，但其结构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。 粘结磨损(冷焊磨损)：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，因而它们之间会发生冷焊。由于摩擦副之间有相对运动，冷焊结处产生破裂被一方带走，造成冷焊磨损。 扩散磨损：在高温下产生。切削金属时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了材料原来的成分与结构，使刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。 氧化磨损：当切削温度达700800时，空气中的氧便与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物(如Co304、Co0、W03、
3、TiO2等)被切屑或工件擦掉而形成磨损。,前刀面磨损,2、刀具磨损的形态,磨损后前刀面出现月牙形洼坑，又称月牙洼磨损。 磨损程度用月牙洼的深度KT表示。 磨损中，月牙洼逐渐加深加宽，接近刃口时，使刃口忽然崩去。,一般发生在切削速度较高，切削厚度较大（进给量增大导致切削温度升高），切削塑性材料时。 影响磨损最主要的因素：切屑和刀具前刀面接触区域的切削温度、刀具和工件材料之间的化学亲和性。,后刀面磨损,磨损后在后刀面上靠近刃口处形成后角为零的棱面； 沿刀刃各处磨损不均匀，刀尖处强度低散热差，磨损较严重； 切深线为刀具与被切材料接触边界，加工中的振动加速了切深线处的磨损，有明显磨损沟槽和凹口。中间部
4、位磨损较均匀（平均高度为VB），局部出现最大磨损量VBmax。 主要发生在切削脆性材料或以较低速度和较小的切削厚度切削塑性材料的情况下。 对后刀面磨损影响较大的是切削速度和工件材料的组织机械性能。,图2-40 刀具磨损的测量位置,边界磨损,切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外表皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹。,3、刀具磨损过程及磨钝标准,1）初期磨损阶段（AB段） 新刃磨刀具表面粗糙不平，单位面积接触应力较大，故表面磨损较快。初期磨损量大小与刀具刃磨质量有很大关系。 2）正常磨损阶段（BC段） 刀具经过初期磨损后，表面的粗糙不平和不耐磨层已被磨去，刀面上单位面积的压力减小且
5、比较均匀，磨损速度变得较初期磨损阶段缓慢。其磨损量与切削时间基本成正比例关系。,3）急剧磨损阶段（CD段） 磨损量积累到一定程度后，刀具变钝，切削力和切削温度迅速上升，继续使用会使刀具磨损量急剧增加，加工质量恶化，刀具失去切削能力。因此，切削加工中应在这个阶段到来之前就要换刀或重磨。,刀具的磨钝标准：,刀具磨损到不能再继续使用的最大限度，称为刀具的磨钝标准。,一般刀具的后刀面都发生磨损，对加工精度和表面粗糙度影响较大，测量也较方便，因此国际标准ISO规定：以1/2背吃刀量处后刀面上测量的磨损棱带高度VB作为刀具磨钝标准。在自动化生产中用的精加工刀具，为保证加工精度，常以沿工件径向的刀具磨损量作
6、为刀具磨钝标准，称为径向磨损量NB。,4、刀具耐用度（刀具寿命）,1 刀具耐用度的定义,刀具耐用度：刀具刃磨或转位后，自开始切削到后刀面磨损量达到磨钝标准所经过的切削时间，称为刀具耐用度，单位为分钟（min），用符号T表示。 刀具耐用度不包括工件夹紧、测量、开车、停车等辅助时间。 刀具寿命：刀具耐用度与刀具总的刃磨或可转位次数的乘积称为刀具的寿命，即刀具从开始使用到完全报废所经过的切削时间。,2 影响刀具耐用度的因素,（1）切削用量 根据切削实验，刀具耐用度和切削用量之间有如下关系：,例：用硬质合金车刀切削中碳钢时，切削用量与刀具耐用度的关系为：,CT 与切削条件有关的常数。 m、n、p 表示
7、影响程度的指数。 公式中的常数和指数可查相关手册。,切削速度对刀具耐用度的影响最大，其次是进给量，背吃刀量影响最小。所以，为保证较长的刀具耐用度及较高的切削效率，确定切削用量时，首先选取大的背吃刀量，根据加工条件和加工要求选取允许的最大进给量，最后再根据刀具耐用度和机床功率确定合理的切削速度。,（2）工件材料 工件材料强度、硬度越高，切削温度越高，刀具磨损越快，耐用度越低。 当工件材料和刀具材料之间易发生高温粘接或元素扩散时，会使刀具磨损增加，耐用度降低。 （3）刀具材料和几何形状 刀具材料的耐磨性、高温硬度越好，耐用度越高。 刀具前角增大，可降低切削温度，刀具耐用度增加，但前角太大会造成刃口
8、强度和散热能力降低。应针对具体加工条件选择刀具耐用度最高的合理的前角值。 刀具主偏角减小或刃口圆弧半径增大，刀刃工作长度增加，散热较好，刀尖强度提高，有利于提高耐用度，但主偏角过小或刃口圆弧半径过大，会使径向力增加。,3 刀具耐用度的确定原则,确定刀具耐用度常用方法： 根据单件平均生产时间最短计算出的最高生产率耐用度； 根据单件平均加工成本最低计算出来的最低成本耐用度。 生产中一般按照加工成本最低的原则来确定刀具耐用度，但在生产任务紧急或提高生产率对成本影响不大的情况下，也可根据最高生产率原则来确定刀具耐用度。 确定刀具耐用度值时考虑因素： 1）刀具构造复杂、制造和磨刀费用高时，刀具寿命应规定
9、得高些; 2）多刀车床上的车刀，组合机床上的钻头、丝锥和铣刀，自动机及自动线上的刀具，因为调整复杂，刀具寿命应规定得高些; 3）某工序的生产成为生产线上的瓶颈时，刀具寿命应定得低些，这样可以选用较大的切削用量，以加快该工序生产节拍；某工序单位时间的生产成本较高时刀具寿命应规定得低些，这样可以选用较大的切削用量，缩短加工时间; 4）精加工大型工件时，刀具寿命应规定得高些，至少保证在一次走刀中不换刀。,5、刀具的破损,破损也是刀具损坏的主要形式之一，破损可认为是一种非正常的磨损，因为破损和磨损都是在切削力和切削热的作用下发生的。 磨损是逐渐发展的过程，而破损是突发的。破损的突然性很容易在生产过程中
10、造成较大的危害和经济损失。,1）刀具的破损及其危害,在切削加工中，刀具有时没有经过正常磨损阶段，而在很短时间内突然损坏，这种情况称为刀具破损。,2）刀具的破损形式 （1）脆性破损 在机械应力和热应力冲击作用下，经常发生以下几种形态的脆性破损： 崩刃 、碎断、剥落 、裂纹破损 。 （2）塑性破损 在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件间接触面上，由于过高的温度和压力的作用，刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力，这就是刀具的塑性破损。抗塑性破损能力取决于刀具材料的硬度和耐热性。 硬质合金和陶瓷的耐热性好，一般易发生脆性破损；高速钢耐热性较差，较易发生塑性破损。,五、刀具的破损,3）防止刀具破损的措施 （1）合理选择刀具材料 用作断续切削的刀具，刀具材料应具有一定的韧性。 （2）合理选择刀具几何参数 通过选择合适的几何参数，使切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱是防止崩刃的有效措施。 （3）保证刀具的刃磨质量 切削刃应平直光滑，不得有缺口，刃口与刀尖部位不允许烧伤。 （4）合理选择切削用量 防止出现切削力过大和切削温度过高的情况。 （5）工艺系统应有较好的刚性 防止因为振动而损坏刀具。,