刀具磨损与耐用度

1.3　刀具磨损与耐用度

1.3.1　刀具磨损形式及过程

1.刀具磨损形式

刀具磨钝后往往会产生一些直觉的变化，例如，已加工表面光洁面恶化或在工件上出现挤亮的表面；切屑的形状和颜色发生变化；切削的声音发生变化，产生一种沉重的感觉，甚至出现振动，等等。在刀具上，切削刃钝圆半径增大，后刀面上出现磨损带，前刀面上可能出现月牙状的凹坑。刀具磨损的一般形态如图1－56所示。

刀具的磨损形式有下面三种：

1）前刀面磨损（月牙洼磨损）

加工塑性金属时，如果切削速度较快和切削厚度较大，切屑会逐渐在前刀面上磨出一个月牙状的小凹坑（见图1－57）。随着切削时间的增加，月牙洼的深度逐渐增大，而宽度的变化较小。在前刀面磨损部位的中间处垂直切削刃作一法剖面，在这剖面内月牙洼在不同切削时间的变化如图1－56所示。月牙洼的表示方法如图1－57中的A—A剖面所示。

图1－56　刀具磨损的一般状态

图1－57　外圆车刀典型的磨损形式示意图

2）后刀面磨损

由于切削刃钝圆半径部位对加工表面的挤压与摩擦，在切削刃下方会磨出一狭条后角等于零的棱面，这就是后刀面磨损。切削塑性金属，如果切削厚度较小和切削速度低；或者切削脆性金属，一般不产生月牙洼磨损。但在一般情况下都有后刀面磨损。后刀面磨损平均值以VB表示（图1－59），以VBmax表示切削刃中部的最大磨损值。在刀尖部位C区及切削刃靠近工件外表面的N区，由于和周围介质（空气或切削液）接触与切削刃中间的B区不同，氧化或与切削液中活泼元素的化学反应比较严重，以及其他原因，往往使后刀面的磨损量大于VB或VBmax，分别以VC及VN表示。

图1－58　前刀面月牙洼的磨损过程

刀具材料：硬质合金；工件材料：含硫易切钢（0.08%C，0.25%S）切削用量：v＝305m／min f＝0.117mm／rev，a_p＝2.54mm

图1－59　后刀面磨损

由于在各类刀具上都有后刀面磨损，而且容易测量，故通常以它表示磨损的大小。但当前刀面磨损较后刀面严重时，应以月牙磨损量表示磨损的大小。

3）前刀面和后刀面同时磨损

这是一种兼有前两种磨损的形式。切削塑性金属时，经常会发生这种磨损。

2.刀具磨损过程

随着切削时间的延长，刀具的磨损也逐渐增大。磨损的速度主要取决于刀具材料、工件材料与切削速度。图1－60中曲线a是切削性能较好的刀具材料加工容易切削的工件材料，或者切削速度不太高、刀具磨损很缓慢时的磨损曲线。图中曲线c是耐热性较差的刀具材料（如高速钢）以较高的切削速度切削黑色金属，或者切削速度很高刀具很快磨损的磨损曲线。如果刀具材料是高速钢，而切削区的平均温度超过了高速钢的允许温度（一般在600～700℃左右），则刀具切削区的硬度很快下降，使刀具在短时间内就已磨损。

图1－60　几种类型的磨损曲线

图中曲线b是典型的磨损曲线，常见于一般切削情况中。这条曲线可划分为三个阶段：

（1）初期磨损阶段（OH段） 这一阶段磨损速度较快，达到不大的值（通常VB＝0.05～0.1mm）后即稳定下来。

（2）正常磨损阶段（HI段） 这一阶段磨损速度较慢，VB随切削时间的延长而均匀增加。对粗加工刀具，常充分利用这一阶段。

（3）剧烈磨损阶段（IJ段） 当正常磨损达到一定限度后，磨损速度有时会突然加快。在这种情况下，应在VB到达I点前就终止切削，取下重磨。在正常的切削速度下用硬质合金切削灰铸铁，当VB相当大时，可能也不出现这一阶段。这时VB也不应过大，以免造成重磨困难。

3.刀具磨钝标准

刀具磨损到一定程度应该取下重磨，一般以后刀面磨损值VB达到一定数值作为磨钝标准。粗加工时，一般将磨钝标准定在正常磨损阶段的后期临近剧烈磨损阶段以前。随着后刀面磨损值的加大，切削力将增大，尤以走刀抗力F_x与吃刀抗力Fy增大得更为显著（见切削力一章），所以当机床－刀具－工件系统刚度差时，刀具磨钝标准应适当减小。

刀具磨损后将恶化加工零件的表层质量，降低尺寸精度，故半精加工与精加工的磨钝标准一般低于粗加工的，并且应根据零件表层质量及精度的要求确定。对表层质量要求严格（特别是防止出现过大的残余拉应力或避免在表层出现微裂纹等缺陷）的重要零件，对后刀面的磨损量应该严格控制。表1－10是硬质合金车刀的磨钝标准参考值。

表1－10　　　　硬质合金车刀的磨钝标准

1.3.2　刀具磨损的原因及本质

由于刀具－工件材料副及切削用量的多种多样，刀具磨损的原因也有好几种，分述如下：

1.粘结磨损

粘附是金属切削中的一个普遍现象。当切屑流出时，切削、切屑底层粘附在前刀面上，迫使较软的一方——切屑底层内部发生很大的剪切变形。刀具材料的硬度总是超过切屑的硬度。但连续不断流出的切屑始终作用在一块不大的刀具表面上，粘附层周期性地局部破坏，导致了刀具表层材料内的交变应力，使粘附的刀具表层内也会发生塑性变形。

当塑性变形进一步加大，粘结点处刀具材料会产生破裂，使刀具前刀面上出现凹坑。图1－61为YG8产生粘结磨损时的凹坑。

粘结磨损速度与下列因素有关；

1）刀具材料与工件材料粘结的牢固程度，粘结越牢越易磨损。

2）刀具材料表层的微观强度，如微裂纹、空隙、杂质、残余应力等等。显然，随着表层缺陷的增多，粘结磨损也随之增加。

3）刀具材料与工件材料的硬度比。假如刀具材料与工件材料都不变化，仅改变切削速度，则刀具材料与工件材料的硬度都随之变化。假如切削速度的变化使工件材料的硬度下降而硬质合金的硬度基本没有下降，则粘结磨损会减少。

图1－61　硬质合金YG8在磨损的WC晶

2.扩散磨损

扩散磨损是在更高温度下产生的一种现象。

当温度足够高时，相互间有亲和作用的元素原子从浓度高处向浓度低处迁移，这种现象称为扩散。例如高速切削时，硬质合金中的C、W、Co向钢中扩散而钢中的Fe向硬质合金中扩散。图1－62是YT15硬质合金刀具切削40钢时前刀面接触区斜切面的照片，在硬质合金与切屑之间可以看到一层黑色的富碳层，还可以看到一些刀具的碳化物晶粒已嵌在富碳层中间。

图1－62　WC－TiC－Co硬质合金车刀切削40钢时前刀面接触区的斜切面

切削用量：v＝260m／min，f＝2.17mm／r a_p＝1mm：与前入面倾斜5～6℃；放大倍数：1140

刀具的扩散磨损除了刀具材料的组成元素在高温作用下直接扩散到工件材料中去以外，还会由于相互扩散使刀具表层的强度下降，使碳化物晶粒从刀具基体中被切屑带走，从而加剧了粘结磨损。因此扩散磨损往往同粘结磨损一起发生。

扩散磨损的速度与下列因素有关：

（1）刀具与工件两种材料之间是否容易起化学反应。不同材料之间有不同的化学亲和性，有的材料之间在相当高的温度下会发生激烈的化学反应，如WC与碳钢之间。在相同的条件下，有的则不发生反应，如Al₂O₃与碳钢之间。有的则发生轻微反应，如TiC与碳钢之间。这个静态时所做的试验与切削时刀具的磨损规律基本上是一致的。也就是：切削碳钢时在相同的条件下，WC－Co硬质合金刀具的磨损最快，Al₂O₃陶瓷刀具磨损最慢，而WC－TiC－Co硬质合金刀具介于二者之间。

（2）接触面的温度。由扩散定律可知，单位时间内通过横截面扩散量与温度之间成e^－c

θ的关系，其中θ——绝对温度，c—随材料而异的常数。这表明对一定材料，随着温度的上升，扩散量先是较缓慢地增大，而后则越来越迅猛地增大。

3.磨料磨损

工件材料中含有一些氧化物（SiO₂，Al₂O₃，TiO等），碳化物（Fe₃C，Cr₂₃C₆，Fe₃W3C，Fe₃MO₃C，VC，TiC，Fe₃（C，B）等）及氮化物（Si₂N₄，Cr₂N，TiN，VN，BN，AlN）等硬质点。这些合金元素有些是杂质，有些是在炼钢时作为还原剂加进去的，有些是为改善钢的性能有意识添加进去的。这些硬质点的硬度如果超过了刀具材料基体的硬度，当进入刀－屑接触面时，就会像磨料一样在刀具表面上划出一条条沟槽，称为磨粒磨损。图1－63表示奥氏体不锈钢中的Ti（C、N）硬质点从左向右移动时，在高速钢前刀面上划出了沟槽。

图1－63　切削Ti奥氏体不锈钢时高速钢前刀面的磨粒磨损

4.其他类型的磨损

1）塑性变形

高速钢刀具只能耐600～700℃的高温，温度再高，高速钢的金相组织发生变化，硬度下降，就会产生塑性变形而形成磨损。换言之，在切削的重负荷与高温作用下，刀具切削部分的局部形状发生了变化，这种磨损称为由塑性变形造成的磨损。

2）周围介质化学作用引起的磨损

周围介质指切削液或不加切削液时空气中的氧。由于周围介质的化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，容易被擦去，加剧了磨损。这就是由于周围介质化学作用引起的磨损。

一般情况下，周围介质不容易进入后刀面与加工表面接触区的中央部分，但是容易与接触区的边缘部分起化学反应，故介质化学磨损容易表现为边缘部分的沟槽磨损。

3）热电磨损

在切削区高温作用下刀具与工件这两种不同材料之间会产生一种热电势，在1～20mV之间。这个数值根据不同的刀具－工件材料副及不同的切削温度而异。如果机床与工件之间或机床与刀具之间没有绝缘，则在机床—工件—刀具—机床回路中会产生一个微弱的电流。这个电流的大小除与热电势有关外，还与这一回路中的电阻（称为机床电阻）有关。静态的机床电阻都很小，一般小于1Ω。切削时，机床电阻与转速有关，不同机床的变化规律并不相同。试验表明，热电势产生的电流在几十毫安以内，这个热电流会加速刀具的磨损。这种磨损就是热电化学磨损。

5.磨损原因综述

磨损的原因很多，但是，不同的刀具材料切削不同的工件材料，在不同的切削条件下，某几种原因会显得更加重要，因其他原因仅仅起次要作用。此外，各种磨损原因相互间也有影响，例如由于扩散磨损使刀具表层的硬度下降，则粘结磨损、塑性变形与磨粒磨损也会加剧。图1－64是硬质合金刀具切削钢及其合金时五种磨损原因在总的相对磨损（即单位切削路程的刀具磨损量）中所占比例的示意图。低速时，硬质合金容易碎裂，形成不正常磨损，在图中未画出；高速时，主要磨损原因是粘结磨损与扩散磨损。在高速区域，扩散磨损增加很快，粘结磨损仍占有相当比例，总的相对磨损随切削速度或温度的增加而增加；在中速区域，当扩散磨损还没有急剧增加以前，假如工件材料的硬度下降而硬质合金的硬度基本没有下降，则粘结磨损会相应减少，于是在总的相对磨损曲线上出现一个最低点，关于这一点在切削用量选择一章中还会讲到。

图1－64　不同切削速度时硬质合金刀具磨损原因在总的相对磨损中所占比例的示意图

1—粘结磨损　2—扩散磨损　3—磨粒磨损　4—塑性变形　5—氧化磨损

此外，关于各种磨损原因还可归纳成下列几点：

（1）高速钢刀具的耐热性及硬度比硬质合金低，故塑性变形（当切削温度超过高速钢的回火温度后，金相组织变化，硬度下降，塑性变形增大，也可称为相变磨损）、粘结磨损及磨粒磨损占的比例大，而扩散磨损占的比例不大。当用高速钢切削高温合金等难切削材料时，应选用提高耐热性与提高硬度的高性能高速钢。

（2）刀具与工件材料粘结强烈，则粘结磨损占的比例增大。

（3）工件中硬质点数增加，则磨粒磨损占的比例增大。

（4）周围介质化学作用容易引起切削刃边缘部位的沟槽磨损。

（5）切削一些难加工材料时热电磨损占有一定比例。

从各种磨损原因中还可以看到，多数原因都是随着切削温度的升高而加剧磨损，例如扩散磨损、塑性变形、热电磨损及磨粒磨损等。所以切削温度是确定磨损快慢的一个重要指标。当达到一定温度后，温度越高，磨损越快。

1.3.3　切削用量与耐用度的关系

1.刀具耐用度

刀具由刃磨后开始切削一直到磨损量达到磨钝标准的总切削时间为刀具耐用度（用T表示）。一般地，磨钝标准为后刀面磨损高度VB。

2.切削用量与耐用度之间的关系

1）切削速度v与刀具耐用度T的关系

一般情况下，切削速度越高，刀具耐用度越低。它们之间的关系可由实验方法求得，其形式为

vT^m＝A　　　　　　　（1－45）

式中，m和A为试验常数。

图1－65，图1－66为切削速度v和耐用度T的试验曲线。显然：m＝tanφ。

图1－65　切削时间与后刀面磨损之间的关系

2）切削用量和刀具耐用度之关系

v－T关系是在固定a_c与a_w的条件下求得的。如果固定v与aw，则用同样方法可求得

a_cTⁿ＝B　　　　　　（1－46）

图1－66　双对数坐标中刀具耐用度与切削速度的关系

固定v与a_c，可求得

a_wT^P＝C　　　　　　　（1－47）

综合式（1－61）、（1－62）、（1－63），得

式中，m＜n＜p。这表示在切削用量中，切削速度对刀具耐用度的影响最大，其次是切削厚度，切削宽度的影响最小。例如用硬质合金车刀车削σ＝0.637GPa的碳钢时，若以f代a_c，以a_p代a_w，则得

式中，v的单位为m／s；f单位为mm／r；a_p单位为mm。

比较切削用量v、a_c、a_w对耐用度T及对切削θ的影响可知，都是v的影响最大，a_w的影响最小，即影响程度的次序是相同的。这是很自然的。因为如前所述，当达到某一温度界限以后，温度对刀具磨损有直接而显著的影响。

在做T－v关系的切削试验或切削一批相同的零件时，由于使用的刀具材料及工件材料不可能完全一样，而它们性能上的一些差异对刀具耐用度的影响又很显著，再加上其他一些不能完全严格控制的因素，如刃磨质量等等，所以即使在相同条件下，刀具耐用度往往有相当大的波动。换言之，刀具耐用度有随机变动的性质。所以在已知T－v关系的基础上，若要估计与某一个切削速度相应的耐用度数值，应该用数理统计方法估计它的置信区间。

1.3.4　刀具破损

上面叙述的刀具磨损是逐渐增加的。但生产中常常会出现刀具的突然损坏，俗称崩刃或打刀，可统称为破损。破损较多在硬质合金、陶瓷刀等脆性材料中发生，特别在铣削等断续切削的场合，当工件材料是硬度较高的钢件时更为常见。破损的刀具修磨困难，甚至不可能修复。对破损的研究在生产中有很大意义。

1.刀具破损形成

（1）崩刃。这是指刀片表面较薄的一层材料剥离基体，或者沿前刀面，或者沿后刀面（见图1－67）。一般是早期破损，即刚刃磨过的刀具切削不久就会发生。硬质合金刀具低速断续切削时容易发生这种破坏形式，特别是切屑粘在刀齿上再切入时更易发生。

（2）碎裂。刀具较大块的碎裂，有时在使用不长时间发生，也有时在使用了长时间后突然发生，属于脆性材料以较大的进给量断续切削，在较大的冲击载荷下容易发生的破坏形式。连续切削时，如进给量过大，也会发生这种破坏。

（3）裂纹。这是一种在较高切削速度下硬质合金刀具的疲劳破坏，一般在断续切削相当时间后出现。疲劳破坏或是由于热应力引起，或是由于变化的机械负载造成。前者主要产生垂直切削刃的梳状裂纹，（如图1－68所示），但也会有少量平行切削刃方向的裂纹；后者主要是平行切削刃方向的裂纹，其中以热裂更为常见。

（4）塌陷。这是一种塑性变形的磨损形式。

图1－67　硬质合金铣刀铣钢时沿后刀面的崩刃刀具材料：YT15；工件材料：1%C碳钢铣削用量：v＝56m／min，a_f＝0.21mm／Z铣削深度a_p＝2mm；铣刀直径：φ177mm工件宽度：82；切削次数：50次

图1－68　TiC基硬质合金铣灰铸铁时的热裂工件材料：灰铸铁HB184；工件宽：40mm铣削用量：v＝420m／min，a_f＝0.4mm／Z铣削深度a_p／2mm；铣刀：单齿端铣刀直径φ150mm，进给平面前角（径向前角）γ_f＝5切深平面前角（轴向前角）γ_p＝5°；铣削方式：对称铣

2.刀具破损的原因

1）机械破损

刀具切削的受力过程是一个动载过程，当刀具内的最大应力超过了强度极限，就会产生裂纹而引起破损。

2）热应力引起的裂纹

在断续切削的情况下，刚切入时，前刀面接触区的温度在几毫秒至几十毫秒的瞬间内升高到稳态时的切削温度；但离前刀面稍深处的温度还是切入前的温度，因此存在很大的温度梯度，使前刀面不能自由膨胀，这时前刀面受压应力。切出后前刀面很快冷却，到第二次切入前已经冷却到相当低的温度；但这时稍离前刀面下层的温度却没有表层冷得这样快，故前刀面不能自由收缩，这时前刀面受拉应力。当切削速度很高时，切削温度很高，热应力达到相当高的数值。每一切入切出过程，应力就变化一次。频繁变化的应力如果超过了疲劳极限，就会产生热裂纹。