一、刀具磨損形態(tài)和磨損機(jī)制

1．刀具磨損的形態(tài)

（1）前刀面磨損（月牙洼磨損） 切削塑性材料時(shí)，如果切削速度和切削厚度較大，切屑在前刀面上經(jīng)常會(huì)磨出一個(gè)月牙洼，這種磨損形式稱作前刀面磨損。出現(xiàn)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(dāng)月牙洼擴(kuò)展到使棱邊變得很窄時(shí)，切削刃強(qiáng)度降低，極易導(dǎo)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強(qiáng)烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位會(huì)逐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(shí)，后刀面磨損是主要形態(tài)。后刀面上的磨損棱帶往往不均勻，刀尖附近（C區(qū)）因強(qiáng)度較差，散熱條件不好，磨損較大；中間區(qū)域（B區(qū)）磨損較均勻，其平均磨損寬度以VB 表示。

（3）邊界磨損 切削鋼料時(shí)，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(jī)制

（1）硬質(zhì)點(diǎn)劃痕 由工件材料中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬質(zhì)點(diǎn)以及積屑瘤碎片等在刀具表面上劃出一條條溝紋，造成機(jī)械磨損。硬質(zhì)點(diǎn)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(chǎn)生磨損的主要原因。

（2）冷焊粘結(jié) 切削時(shí)，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(fā)生冷焊粘結(jié)形成冷焊粘結(jié)點(diǎn)，在切屑相對(duì)于刀具前刀面的運(yùn)動(dòng)中冷焊粘結(jié)點(diǎn)處刀具材料表面微粒會(huì)被切屑粘走，造成粘結(jié)磨損。上述冷焊粘結(jié)磨損機(jī)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(jié)是產(chǎn)生磨損的主要原因。

（3）擴(kuò)散磨損 切削過(guò)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， 由于高溫和高壓的作用，刀具材料和工件材料中的化學(xué)元素相互擴(kuò)散，使刀具材料化學(xué)成分發(fā)生變化，耐磨性能下降，造成擴(kuò)散磨損。例如，用硬質(zhì)合金刀具切削鋼質(zhì)工件時(shí)，切削溫度超過(guò)800℃，硬質(zhì)合金刀具中的Co、C、W等元素就會(huì)擴(kuò)散到切屑和工件中去，由于Co元素減少，硬質(zhì)相（WC 、TiC ）的粘結(jié)強(qiáng)度下降，導(dǎo)致刀具磨損加快。擴(kuò)散磨損在高溫下產(chǎn)生，且隨溫度升高而加劇。

（4）化學(xué)磨損 在一定溫度作用下，刀具材料與周圍介質(zhì)（例如空氣中的氧，切削液中的極壓添加劑硫、氯等）起化學(xué)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(chǎn)生的刀具磨損稱為化學(xué)磨損?；瘜W(xué)磨損主要發(fā)生在較高的切削速度條件下。

二、刀具磨損過(guò)程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)

1．刀具磨損過(guò)程

刀具磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，刀具磨損過(guò)程可以分為三個(gè)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(shí)際接觸面積很小，再加上剛?cè)心ズ蟮暮蟮睹嫖⒂^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(xì)粒度磨粒的油石對(duì)刃磨面進(jìn)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(jīng)過(guò)初期磨損后，刀具后刀面的微觀粗糙表面已經(jīng)磨平，刀具后刀面與工件的接觸面積逐漸增大，單位接觸面積上承受的壓力逐漸減小，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(dāng)?shù)毒吣p量增加到一定限度時(shí)，切削力、切削溫度將急劇增高，刀具磨損速度加快，直至喪失切削能力，此階段稱為刀具的急劇磨損階段。在急劇磨損階段讓刀具繼續(xù)工作是一件得不償失的事情，既保證不了加工質(zhì)量，又將大量消耗刀具材料，如出現(xiàn)刀刃崩裂的情況，損失就更大。刀具在進(jìn)入急劇磨損階段之前必須更換。

2．刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)

刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用了，這個(gè)磨損限度稱為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。 因?yàn)橐话愕毒叩暮蟮睹娑紩?huì)發(fā)生磨損，而且測(cè)量也較方便，因此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO統(tǒng)一規(guī)定以 1/2背吃刀量處后刀面上測(cè)量的磨損帶寬度 作為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。 自動(dòng)化生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)。

制訂刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，既要考慮充分發(fā)揮刀具的切削能力，又要考慮保證工件的加工質(zhì)量。精加工時(shí)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)取較小值，粗加工時(shí)取較大值；工藝系統(tǒng)剛性差時(shí)，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)取較小值；切削難加工材料時(shí)，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)也要取較小值。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO推薦硬質(zhì)合金車刀刀具壽命試驗(yàn)的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，有下列三種可供選擇：

（1）VB=0.3mm ；

（2）如果主后刀面為無(wú)規(guī)則磨損，取VBmax=0.6mm ；

（3）前刀面磨損量 ,式中f為以mm/r為單位的進(jìn)給量值。

三、刀具壽命

1．刀具壽命的定義

刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止所經(jīng)歷的總切削時(shí)間，稱為刀具壽命，用表示。一把新刀往往要經(jīng)過(guò)多次重磨，才會(huì)報(bào)廢，刀具壽命指的是兩次刃磨之間所經(jīng)歷的切削時(shí)間。刀具壽命乘刃磨次數(shù)，就是刀具總壽命。

2．刀具壽命的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

切削速度 對(duì)刀具壽命的影響最大，進(jìn)給量 次之，背吃刀量 最小。這與它們對(duì)切削溫度的影響順序完全一致，表明切削溫度與刀具壽命之間有著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。

切削用量與刀具壽命密切相關(guān)。刀具壽命T定得高，切削用量就要取得低，雖然換刀次數(shù)少，刀具消耗少了，但切削效率下降，經(jīng)濟(jì)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(shù)多，刀具消耗變大，調(diào)整刀具耗時(shí)長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益也未必好。在生產(chǎn)中，確定刀具壽命有兩種不同的原則，按單件時(shí)間最少原則確定的刀具壽命叫最大生產(chǎn)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。

一般情況下，應(yīng)采用最小成本刀具壽命。在生產(chǎn)任務(wù)緊迫或生產(chǎn)中出現(xiàn)節(jié)拍不平衡時(shí)，可選用最高生產(chǎn)率刀具壽命。

制訂刀具壽命時(shí)，還應(yīng)具體考慮以下幾點(diǎn)：

1）刀具構(gòu)造復(fù)雜、制造和磨刀費(fèi)用高時(shí)，刀具壽命應(yīng)規(guī)定得高些。

2）多刀車床上的車刀，組合機(jī)床上的鉆頭、絲錐和銑刀，自動(dòng)機(jī)及自動(dòng)線上的刀具，因?yàn)檎{(diào)整復(fù)雜，刀具壽命應(yīng)規(guī)定得高些。

3）某工序的生產(chǎn)成為生產(chǎn)線上的瓶頸時(shí)，刀具壽命應(yīng)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(chǎn)節(jié)拍；某工序單位時(shí)間的生產(chǎn)成本較高時(shí)，刀具壽命應(yīng)規(guī)定得低些，這樣可以選用較大的切削用量，縮短加工時(shí)間。

4）精加工大型工件時(shí)，刀具壽命應(yīng)規(guī)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(tài)監(jiān)控

在切削加工中，刀具有時(shí)沒有經(jīng)過(guò)正常磨損，而在很短時(shí)間內(nèi)突然損壞，這種情況稱為刀具破損。磨損是逐漸發(fā)展的過(guò)程，而破損是突發(fā)的。破損的突發(fā)性很容易在生產(chǎn)過(guò)程中造成較大的危害和經(jīng)濟(jì)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(zhì)合金刀具和陶瓷刀具切削時(shí)，在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力沖擊作用下，經(jīng)常發(fā)生以下幾種形態(tài)的破損：

1）崩刃切削刃產(chǎn)生小的缺口。在繼續(xù)切削中，缺口會(huì)不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致更大的破損。用陶瓷 刀具切削和用硬質(zhì)合金刀具作斷續(xù)切削時(shí)，常發(fā)生這種破損。

2）碎斷切削刃發(fā)生小塊碎裂或大塊斷裂，不能繼續(xù)進(jìn)行切削。用硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具作斷續(xù)切削時(shí)，常發(fā)生這種破損。

3）剝落在刀具的前、后刀面上出現(xiàn)剝落碎片，經(jīng)常與切削刃一起剝落，有時(shí)也在離切削刃 一小段距離處剝落。陶瓷刀具端銑時(shí)常發(fā)生這種破損。

4）裂紋破損長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行斷續(xù)切削因疲勞而引起的一種破損。熱沖擊和機(jī)械沖擊均會(huì)引發(fā)裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展合并就會(huì)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(guò)高的溫度和壓力的作用，刀具表層材料將因發(fā)生塑性流動(dòng)而喪失切削能力，這就是刀具的塑性破損。抵抗塑性破損的能力取決于刀具材料的硬度和耐熱性。硬質(zhì)合金和陶瓷的耐熱性好，一般不易發(fā)生這種破損。相比之下，高速鋼耐熱性較差，較易發(fā)生塑性破損。

2．刀具破損的防治措施

（1）脆性破損

硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具切削時(shí)，在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力沖擊作用下，經(jīng)常發(fā)生以下幾種形態(tài)的破損：

1）崩刃切削刃產(chǎn)生小的缺口。在繼續(xù)切削中，缺口會(huì)不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致更大的破損。用陶瓷刀具切削和用硬質(zhì)合金刀具作斷續(xù)切削時(shí)，常發(fā)生這種破損。

2）碎斷切削刃發(fā)生小塊碎裂或大塊斷裂，不能繼續(xù)進(jìn)行切削。用硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具作斷續(xù)切削時(shí)，常發(fā)生這種破損。

3）剝落在刀具的前、后刀面上出現(xiàn)剝落碎片，經(jīng)常與切削刃一起剝落，有時(shí)也在離切削刃 一小段距離處剝落。陶瓷刀具端銑時(shí)常發(fā)生這種破損。

4）裂紋破損長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行斷續(xù)切削因疲勞而引起的一種破損。熱沖擊和機(jī)械沖擊均會(huì)引發(fā)裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展合并就會(huì)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(guò)高的溫度和壓力的作用，刀具表層材料將因發(fā)生塑性流動(dòng)而喪失切削能力，這就是刀具的塑性破損。抵抗塑性破損的能力取決于刀具材料的硬度和耐熱性。硬質(zhì)合金和陶瓷的耐熱性好，一般不易發(fā)生這種破損。相比之下，高速鋼耐熱性較差，較易發(fā)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(xù)切削的刀具，刀具材料應(yīng)具有較高的韌性。

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

（3）保證刀具的刃磨質(zhì)量 切削刃應(yīng)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 防止出現(xiàn)切削力過(guò)大和切削溫度過(guò)高的情況。

（5）工藝系統(tǒng)應(yīng)有較好的剛性 防止因?yàn)楫a(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)而損壞刀具。

（6）對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控 監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài)的方法有測(cè)力法、測(cè)主電機(jī)電流法和聲發(fā)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(duì)生產(chǎn)效率、加工成本和加工質(zhì)量均有重要影響。所謂合理的切削用量是指在保證加工質(zhì)量的前提下，能取得較高的生產(chǎn)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(zhì)量要求和生產(chǎn)效率要求；刀具材料的切削性能；機(jī)床性能，包括動(dòng)力特性（功率、扭矩）和運(yùn)動(dòng)特性；刀具壽命要求。

（1）切削用量與生產(chǎn)效率、刀具壽命的關(guān)系

機(jī)床切削效率可以用單位時(shí)間內(nèi)切除的材料體積 (mm3/min)表示，切削用量三要素均與 呈正比關(guān)系，三者對(duì)機(jī)床切削效率影響的權(quán)重是完全相同的。從提高生產(chǎn)效率考慮，切削用量三要素中任一要素提高一倍，機(jī)床切削效率都提高一倍，但提高 一倍與提高 一倍對(duì)刀具壽命帶來(lái)的影響卻是完全不相同的。切削用量三要素中對(duì)刀具壽命影響最大的是背吃刀量，其次是進(jìn)給量 ，再其次是切削速度；在保持刀具壽命一定的條件下，提高背吃刀量比提高進(jìn)給量的生產(chǎn)效率高，比提高切削速度的生產(chǎn)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 ；其次根據(jù)機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、刀桿剛度等限制條件（粗加工時(shí)）或已加工表面粗糙度要求（精加工時(shí)），選取盡可能大的進(jìn)給量f；最后根據(jù)“切削用量手冊(cè)”查取或根據(jù)公式計(jì)算確定切削速度。

（3）切削用量三要素的選用

1）背吃刀量背吃刀量根據(jù)加工余量確定。粗加工時(shí)，只要機(jī)床功率許可，粗加工余量應(yīng)爭(zhēng)取在一次走刀中全部切除。下面幾種情況，可幾次走刀分切：①加工余量太大，導(dǎo)致機(jī)床動(dòng)力不足或刀具強(qiáng)度不夠；②工藝系統(tǒng)剛性不足；③斷續(xù)切削。切削表層有硬皮的鍛鑄件或切削冷硬傾向較為嚴(yán)重的材料（例如不銹鋼）時(shí)，應(yīng)盡量使值超過(guò)硬皮或冷硬層深度，以防刀具過(guò)快磨損。半精加工時(shí)，可取為0.5~2mm 。精加工時(shí)，可取0.1~0.4 。

2）進(jìn)給量粗加工時(shí)，對(duì)表面質(zhì)量沒有太高要求，合理的進(jìn)給量應(yīng)是工藝系統(tǒng)所能承受的最大進(jìn)給量。限制粗加工進(jìn)給量的因素是：機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、刀桿的強(qiáng)度和剛度、硬質(zhì)合金或陶瓷刀片的強(qiáng)度等。限制精加工進(jìn)給量的主要因素是表面粗糙度和加工精度要求。

實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常采用查表法確定進(jìn)給量。粗加工時(shí)，根據(jù)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(cè)”查得進(jìn)給量的取值。半精加工和精加工時(shí)，則主要根據(jù)加工表面粗糙度要求，選擇進(jìn)給量值。

3）切削速度根據(jù)已經(jīng)選定的背吃刀量、進(jìn)給量及刀具壽命T ，可以用公式計(jì)算或用查表法確定切削速度。

在確定切削速度時(shí)，還應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1）精加工時(shí)，應(yīng)盡量避開產(chǎn)生積屑瘤的速度區(qū)。

2）作斷續(xù)切削，應(yīng)適當(dāng)降低切削速度。

3）在易產(chǎn)生振動(dòng)的情況下，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)選擇能進(jìn)行穩(wěn)定切削的轉(zhuǎn)速區(qū)進(jìn)行。

4）加工大件、細(xì)長(zhǎng)件、薄壁件以及帶鑄、鍛外皮的工件時(shí)，應(yīng)選較低的切削速度。