刀具磨損、刀具壽命與切削用量的選擇一、刀具磨損形態和磨損機制

1．刀具磨損的形態

（1）前刀面磨損（月牙洼磨損）切削塑性材料時，假如切削速度和切削厚度較大，切屑在前刀面上常常會磨出一個月牙洼，這種磨損形式稱作前刀面磨損。消失月牙洼的部位就是切削溫度最高的部位。月牙洼和切削刃之間有一條小棱邊，月牙洼隨著刀具磨損不斷變大，當月牙洼擴展到使棱邊變得很窄時，切削刃強度降低，極易導致崩刃。月牙洼磨損量以其深度KT表示。

（2）后刀面磨損由于后刀面和加工表面間的劇烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位會漸漸地被磨成后角為零的小棱面，這種磨損形式稱作后刀面磨損。切削鑄鐵和以較小的切削厚度、較低的切削速度切削塑性材料時，后刀面磨損是主要形態。后刀面上的磨損棱帶往往不勻稱，刀尖四周（C區）因強度較差，散熱條件不好，磨損較大；中間區域（B區）磨損較勻稱，其平均磨損寬度以VB表示。

（3）邊界磨損切削鋼料時，常在主切削刃靠近工件外皮處和副切削刃靠近刀尖處的后刀面上磨出較深的溝紋，這種磨損稱作邊界磨損。溝紋的位置在主切削刃與工件待加工表面、副切削刃與已加工表面接觸的部位。

2．刀具磨損機制

（1）硬質點劃痕由工件材料中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬質點以及積屑瘤碎片等在刀具表面上劃出一條條溝紋，造成機械磨損。硬質點劃痕在各種切削速度下都存在，它是低速切削刀具（如拉刀、板牙等）產生磨損的主要緣由。

（2）冷焊粘結切削時，切屑與前刀面之間由于高正壓力和高溫度的作用，切屑底面材料與前刀面發生冷焊粘結形成冷焊粘結點，在切屑相對于刀具前刀面的運動中冷焊粘結點處刀具材料表面微粒會被切屑粘走，造成粘結磨損。上述冷焊粘結磨損機制在工件與刀具后刀面之間也同樣存在。在中等偏低的切削速度條件下，冷焊粘結是產生磨損的主要緣由。

（3）集中磨損切削過程中，刀具后刀面與已加工表面、刀具前刀面與切屑底面相接觸，由于高溫柔高壓的作用，刀具材料和工件材料中的化學元素相互集中，使刀具材料化學成分發生變化，耐磨性能下降，造成集中磨損。例如，用硬質合金刀具切削鋼質工件時，切削溫度超過800℃，硬質合金刀具中的Co、C、W等元素就會集中到切屑和工件中去，由于Co元素削減，硬質相（WC、TiC）的粘結強度下降，導致刀具磨損加快。集中磨損在高溫下產生，且隨溫度上升而加劇。

（4）化學磨損在肯定溫度作用下，刀具材料與四周介質（例如空氣中的氧，切削液中的極壓添加劑硫、氯等）起化學作用，在刀具表面形成硬度較低的化合物，易被切屑和工件擦掉造成刀具材料損失，由此產生的刀具磨損稱為化學磨損。化學磨損主要發生在較高的切削速度條件下。

二、刀具磨損過程及磨鈍標準

1．刀具磨損過程

刀具磨損試驗結果表明，刀具磨損過程可以分為三個階段：

（1）初期磨損階段新刃磨的刀具剛投入使用，后刀面與工件的實際接觸面積很小，再加上剛刃磨后的后刀面微觀凸凹不平，單位接觸面積上承受的正壓力極大，刀具磨損速度極快，此階段稱為刀具的初期磨損階段。刀具刃磨以后如能用細粒度磨粒的油石對刃磨面進行研磨，可以顯著降低刀具的初期磨損量。

（2）正常磨損階段經過初期磨損后，刀具后刀面的微觀粗糙表面已經磨平，刀具后刀面與工件的接觸面積漸漸增大，單位接觸面積上承受的壓力漸漸減小，磨損速度趨緩。此階段的刀具磨損稱為正常磨損階段，它是刀具的有效工作階段。

（3）急劇磨損階段當刀具磨損量增加到肯定限度時，切削力、切削溫度將急劇增高，刀具磨損速度加快，直至丟失切削力量，此階段稱為刀具的急劇磨損階段。在急劇磨損階段讓刀具連續工作是一件得不償失的事情，既保證不了加工質量，又將大量消耗刀具材料，如消失刀刃崩裂的狀況，損失就更大。刀具在進入急劇磨損階段之前必需更換。

2．刀具的磨鈍標準

刀具磨損到肯定限度就不能連續使用了，這個磨損限度稱為刀具的磨鈍標準。

由于一般刀具的后刀面都會發生磨損，而且測量也較便利，因此國際標準ISO統一規定以1/2背吃刀量處后刀面上測量的磨損帶寬度作為刀具的磨鈍標準。

自動化生產中使用的精加工刀具，從保證工件尺寸精度考慮，常以刀具的徑向尺寸磨損量作為衡量刀具的磨鈍標準。

制訂刀具的磨鈍標準時，既要考慮充分發揮刀具的切削力量，又要考慮保證工件的加工質量。精加工時磨鈍標準取較小值，粗加工時取較大值；工藝系統剛性差時，磨鈍標準取較小值；切削難加工材料時，磨鈍標準也要取較小值。

國際標準ISO推舉硬質合金車刀刀具壽命試驗的磨鈍標準，有下列三種可供選擇：

（1）；

（2）假如主后刀面為無規章磨損，取；

（3）前刀面磨損量,式中f為以mm/r為單位的進給量值。

三、刀具壽命

1．刀具壽命的定義

刃磨后的刀具自開頭切削直到磨損量達到磨鈍標準為止所經受的總切削時間，稱為刀具壽命，用表示。一把新刀往往要經過多次重磨，才會報廢，刀具壽命指的是兩次刃磨之間所經受的切削時間。刀具壽命乘刃磨次數，就是刀具總壽命。

2．刀具壽命的閱歷計算公式

切削速度對刀具壽命的影響最大，進給量次之，背吃刀量最小。這與它們對切削溫度的影響挨次完全全都，表明切削溫度與刀具壽命之間有著緊密的內在聯系。

切削用量與刀具壽命親密相關。刀具壽命T定得高，切削用量就要取得低，雖然換刀次數少，刀具消耗少了，但切削效率下降，經濟效益未必好；刀具壽命T定得低，切削用量可以取得高，切削效率是提高了，但換刀次數多，刀具消耗變大，調整刀具耗時長，經濟效益也未必好。在生產中，確定刀具壽命有兩種不同的原則，按單件時間最少原則確定的刀具壽命叫最大生產率刀具壽命；按單件工藝成本最低的原則確定的刀具壽命叫最小成本刀具壽命。

一般狀況下，應采納最小成本刀具壽命。在生產任務緊迫或生產中消失節拍不平衡時，可選用最高生產率刀具壽命。

制訂刀具壽命時，還應詳細考慮以下幾點：

1）刀具構造簡單、制造和磨刀費用高時，刀具壽命應規定得高些。

2）多刀車床上的車刀，組合機床上的鉆頭、絲錐和銑刀，自動機及自動線上的刀具，由于調整簡單，刀具壽命應規定得高些。

3）某工序的生產成為生產線上的瓶頸時，刀具壽命應定得低些，這樣可以選用較大的切削用量，以加快該工序生產節拍；某工序單位時間的生產成本較高時，刀具壽命應規定得低些，這樣可以選用較大的切削用量，縮短加工時間。

4）精加工大型工件時，刀具壽命應規定得高些，至少保證在一次走刀中不換刀。

四、刀具的破損及刀具狀態監控

在切削加工中，刀具有時沒有經過正常磨損，而在很短時間內突然損壞，這種狀況稱為刀具破損。磨損是漸漸進展的過程，而破損是突發的。破損的突發性很簡單在生產過程中造成較大的危害和經濟損失。

1．刀具的破損形式

刀具的破損形式分為脆性破損和塑性破損。

（1）脆性破損

硬質合金刀具和陶瓷刀具切削時，在機械應力和熱應力沖擊作用下，常常發生以下幾種形態的破損：

1）崩刃切削刃產生小的缺口。在連續切削中，缺口會不斷擴大，導致更大的破損。用陶瓷刀具切削和用硬質合金刀具作斷續切削時，常發生這種破損。

2）碎斷切削刃發生小塊碎裂或大塊斷裂，不能連續進行切削。用硬質合金刀具和陶瓷刀具作斷續切削時，常發生這種破損。

3）剝落在刀具的前、后刀面上消失剝落碎片，常常與切削刃一起剝落，有時也在離切削刃一小段距離處剝落。陶瓷刀具端銑時常發生這種破損。

4）裂紋破損長時間進行斷續切削因疲憊而引起的一種破損。熱沖擊和機械沖擊均會引發裂紋，裂紋不斷擴展合并就會引起切削刃的碎裂或斷裂。

（2）塑性破損

在刀具前刀面與切屑、后刀面與工件間接觸面上，由于過高的溫度和壓力的作用，刀具表層材料將因發生塑性流淌而丟失切削力量，這就是刀具的塑性破損。反抗塑性破損的力量取決于刀具材料的硬度和耐熱性。硬質合金和陶瓷的耐熱性好，一般不易發生這種破損。相比之下，高速鋼耐熱性較差，較易發生塑性破損。

2．刀具破損的防治措施

（1）合理選擇刀具材料用作斷續切削的刀具，刀具材料應具有較高的韌性。

（2）合理選擇刀具幾何參數通過選擇合適的幾何參數，使切削刃和刀尖有較好的強度。在切削刃上磨出負倒棱是防止崩刃的有效措施。

（3）保證刀具的刃磨質量切削刃應平直光滑，不得有缺口，刃口與刀尖部位不允許燒傷。

（4）合理選擇切削用量防止消失切削力過大和切削溫度過高的狀況。

（5）工藝系統應有較好的剛性防止由于產生劇烈振動而損壞刀具。

（6）對刀具狀態進行實時監控監測刀具狀態的方法有測力法、測主電機電流法和聲放射法等。

五、切削用量的選擇

1．切削用量的選擇原則

切削用量的選擇，對生產效率、加工成本和加工質量均有重要影響。所謂合理的切削用量是指在保證加工質量的前提下，能取得較高的生產效率和較低成本的切削用量。約束切削用量選擇的主要條件有：工件的加工要求，包括加工質量要求和生產效率要求；刀具材料的切削性能；機床性能，包括動力特性（功率、扭矩）和運動特性；刀具壽命要求。

（1）切削用量與生產效率、刀具壽命的關系

機床切削效率可以用單位時間內切除的材料體積(mm3/min)表示，切削用量三要素、、均與呈正比關系，三者對機床切削效率影響的權重是完全相同的。從提高生產效率考慮，切削用量三要素、、中任一要素提高一倍，機床切削效率都提高一倍，但提高一倍與提高一倍對刀具壽命帶來的影響卻是完全不相同的。切削用量三要素中對刀具壽命影響最大的是，其次是，再其次是；在保持刀具壽命肯定的條件下，提高背吃刀量比提高進給量的生產效率高，比提高切削速度的生產效率更高。

（2）切削用量的選用原則

選擇切削用量的基本原則是：首先選取盡可能大的背吃刀量；其次依據機床進給機構強度、刀桿剛度等限制條件（粗加工時）或已加工表面粗糙度要求（精加工時），選取盡可能大的進給量f；最終依據“切削用量手冊”查取或依據公式計算確定切削速度。

（3）切削用量三要素的選用

1）背吃刀量背吃刀量依據加工余量確定。粗加工時，只要機床功率許可，粗加工余量應爭取在一次走刀中全部切除。下面幾種狀況，可幾次走刀分切：①加工余量太大，導致機床動力不足或刀具強度不夠；②工藝系統剛性不足；③斷續切削。切削表層有硬皮的鍛鑄件或切削冷硬傾向較為嚴峻的材料（例如不銹鋼）時，應盡量使值超過硬皮或冷硬層深度，以防刀具過快磨損。半精加工時，可取為0.5~2mm。精加工時，可取0.1~0.4。

2）進給量粗加工時，對表面質量沒有太高要求，合理的進給量應是工藝系統所能承受的最大進給量。限制粗加工進給量的因素是：機床進給機構的強度、刀桿的強度和剛度、硬質合金或陶瓷刀片的強度等。限制精加工進給量的主要因素是表面粗糙度和加工精度要求。

實際生產中，常常采納查表法確定進給量。粗加工時，依據加工材料、車刀刀桿尺寸、工件直徑及已確定的背吃刀量等條件由“切削用量手冊”查得進給量