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刀 具在切削过程中将逐渐产生磨损。当刀具磨损量达到一定程度时，可以明显地发现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，甚至产生振动。同时，工件尺寸可能 会超出公差范围，已加工表面质量也明显恶化。此时，必须对刀具进行重磨或更换新刀。有时，刀具也可能在切削过程中会突然损坏而失效，造成刀具破损。刀具的 磨损、破损及其使用寿命(也称耐用度)关系到切削加工的效率、质量和成本，因此它是切削加工中极为重要的问题之一。本章着重研究：刀具磨损的形态，刀具磨 损的机理，刀具磨钝标准和刀具合理寿命的制订，刀具磨损和使用寿命的试验方法，刀具的破损，刀具使用寿命的分布，等等。
§6—l 刀具磨损的形态
刀具失效的形式分为磨损和破损两类。本节只介绍刀具磨损的形态。破损将在§6—6中介绍。
在切削过程中，前刀面、后刀面不断与切屑、工件接触，在接触区里发生着强烈的摩擦，同时，在这接触区里又有很高的温度和压力。因此，前刀面和后刀面随着切削的进行都会逐渐产生磨损。
1．前刀面磨损(月牙洼磨损)
在切削速度较高、切削厚度较大的情况下加工塑性金属，当刀具的耐热性和耐磨性稍有不足时，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼(图6—1及图6—2)。在 前刀面上相应于产生月牙洼的地方，其切削温度最高，因此磨损也最大，从而形成一个凹窝(月牙洼)。月牙洼和切削刃之间有一条小棱边。在磨损的过程中，月牙 洼宽度逐渐扩展。当月牙洼扩展到使棱边变得很窄时，切削刃的强度大为削弱，极易导致崩刃。月牙洼磨损量以其深度KT表示。
2．后万面磨损
由于加工表面和后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，这种磨损形式叫做后刀面磨损(图6—2)。在切削速度较低、切削厚度较小的情况下切削塑性金属以及加工脆性金属时，一般不产生月牙洼磨损，但都存在着后刀面磨损。
在切削刃参加切削工作的各点上，后刀面磨损是不均匀的。从图6—2可见，在刀尖部分(即图a中的C区)由于强度和散热条件较差，因此磨损较为剧烈，其最大 值为VC。在切削刃上靠近工件外表面处(N区)，由于上道工序的加工硬化层或毛坯表面硬层的影响及该区刀具上因有急剧的应力梯度和温度梯度[143]等原 因，往往使该区切削刃连同后刀面产生较大的磨损沟，而形成缺口。该区域的磨损量以VN表示。在很多文献[97][143]中，称刀具在N区的磨损为边界磨 损。在参与切削的切削刃中部(B区)，其磨损比较均匀。在B区，以VB表示平均磨损值，以VBmax表示最大磨损值。
3．前刀面和后刀面同时磨损
这是一种兼有上述两种情况的磨损形式。在切削塑性金属时，经常会发生这种磨损。
刀具磨损的原因
6-1刀具磨损的形态
6-2刀具磨损的原因
一、磨料磨损
二、冷焊磨损
三、扩散磨损
四、氧化磨损
五、热电磨损
6-3刀具磨损过程及磨钝标准
6-4刀具使用寿命的经验公式及概率分布
６-5刀具合理使用寿命的选择
6-6刀具的破损及破损寿命分布
为了减小和控制刀具的磨损，为了研制新的刀具材料，必须研究刀其磨损的原因和本质。切削过程中的刀具磨损具有下列特点：
(1)刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。
(2)接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。
(3)接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达800—1000℃，对于高速钢刀具可达300—600℃。
在上述条件下工作，刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种作用的综合结果，可以产生磨料磨损、冷焊磨损(有的文献称为粘结磨损，关于冷焊的概念参阅第三章有关叙述)、扩散磨损和氧化磨损等。
一、磨料磨损
切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，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。硬质点有碳化物(如 Fe3C、TiC、VC等)、氮化物(如TiN、Si3N4等)、氧化物(如Si02、A12O3等)和金属间化合物。
图6—3所示为高速钢车刀切削含Ti的奥氏体不锈钢工件时，切屑与前刀面的摩擦情况。切屑中的Ti(C，N)颗粒在刀具表面上起耕犁作用。除了前刀面会有磨料磨损外，在后刀面上，同样可以发现有由于磨料磨损而产生的沟纹。
磨料磨损在各种切削速度下都存在，但对低速切削的刀具(如拉刀、板牙等)，磨料磨损是磨损的主要原因。这是因为低速切削时，切削温度比较低，由于其他原因产生的磨损尚不显著，因而不是主要的。高速钢刀具的硬度和耐磨性低于硬质合金、陶瓷等，故其磨料磨损所占的比重较大。
二、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，冷焊结特产生破裂被一方带定，从而造成冷焊磨损。
一般说来，工件材科或切屑的硬度较刀具材料的硬度为低，冷焊结的破裂往往发生在工件或切屑这一方。但由于交变应力、接触疲劳、热应力以及刀具表层结构缺陷 等原因，冷焊结的破裂也可能发生在刀具这—方，这时，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而造成刀具磨损。图6—4为硬质合金刀具前刀面上的冷焊坑。
冷焊磨损一般在中等偏低的切削速度下比较严重。研究表明：脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；相同的金属或晶格类型、晶格间距、电子密以、电化学性质相近 的金属，其冷焊倾向大；多相金属比单相金属冷焊倾向小；金屑化合物比单相固溶体冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。
在高速钢刀具正常工作的切削速度和硬质合金刀具偏低的切削速度下，正能满足产生 冷焊的条件，故此时冷焊磨损所占的出重较大。提高切削速度后，硬质合金刀具冷焊磨损减轻。
三、扩散磨损
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。例如用硬质合金切钢时，从800℃开始，硬质合金中的钴便迅 速地扩散到切屑、工件中去，WC分解为钨和碳后扩散到钢中(图6—5)。因切屑、工件都在高速运动；它们和刀具的表面在接触区保持着扩散元素的浓度梯度， 从而使扩散现象持续进行。于是，硬质合金表面发生贫碳、贫钨现象。粘结相钴的减少，又使硬质合金中硬质相(WC，TiC)的粘结强度降低。切屑、工件中的 铁和碳则向硬质合金中扩散，形成新的低硬度、高脆性的复合碳化物。所有这些，都使刀具磨损加剧。
碳化物能溶解到钢(切屑、工件)中，这是扩散的另一种形式。图6—6揭示了硬质合金中WC转移的情况，图中上面是钢，下面是硬质合金，中间白色的区域是滞流层，硬质合金中的WC颗粒已进入到钢层中而将被切屑带走。
除刀具、工件材料自身的性质以外，温度是影响扩散磨损的最主要的因素。根据金属物理学的理论，固态下金属原子从浓度高的区域向浓度低的区域流动的的规律，可用菲克(Fick)方程来描述[88][84]。取x轴平行于浓度梯度，则该方程可用下式表示：
(6—1)
式中 J——扩散通量，表示单位时间内通过垂直于x轴的单位面积平面的原子通量；
——沿x轴的浓度梯度；
D——扩散系数，表示浓度梯度为1时的扩散通量。
扩散系数D与温度有如下关系；
D＝D。exp(-Q/Rθ) (6—2)
式中D。—扩散常数，它与金属的晶格类型和扩散的原子振动频率有关；
R——气体常数；
θ—绝对温度；
Q——扩散激活能。它是使原于脱离某位置所必须逾越的能垒值。
由式6—2可知，扩散系数随着温度的升高而大幅度增大。
硬质合金中，钛元素的扩散率远低于钴、钨，TiC又不易分解，故在切钢时YT类合金的抗扩散磨损能力优于YG类合金。TiC基、Ti(C，N)基合金和涂 层合金(涂覆TiC或TiN)则更佳；硬质合金中添加钽、铌后形成固镕体(W，Ti，Ta，Nb)C，也不易扩散，从而提高了刀具的耐磨性。
扩散磨损往往与冷焊磨损、磨料磨损同时产生，此时磨损率很高。从第五章§5—4得知，前刀面上离切削刃有一定距离处的温度最高；该处的扩散作用最强烈；于 是在该处形成月牙洼。高速钢刀具的工作温度较低，与切屑、工件之间的扩散作用进行得比较缓慢，故其扩散磨损所占的比重远小于硬质合金刀具。
用金刚石刀具切削钢、铁材料，当切削温度高于700℃时，金钢石中的碳原子将以很大的扩散强度转移到工件表面层形成新的铁碳合金，而刀具表面石墨化，从而形成严重的扩散磨损。但金刚石刀具与钛合金之间的扩散作用较小。
用氧化铝陶瓷和立方氮化硼刀具切削钢材，当切削温度高达1000—1300℃时，扩散磨损尚不显著。
四、氧化磨损
当切削温度达700—800℃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、 TiO2等)被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。氧化磨损与氧化膜的粘附强度有关，粘附强度越低，则磨损越快；反之则可减轻这种磨损。一般空气 不易进入刀—屑接触区，氧化磨损最容易在主、副切削刃的工作边界处形成，在这里的后刀面(有时在前刀面)上划出较深的沟槽(图6—7)，这是造成“边界磨 损”的原因之一。
五、热电磨损
工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。这种热电势的作用下产生的扩散磨损，称为“热电磨损”。 试验证明，若在刀—工接触处通以与热电势相反的电动势，可减少热电磨损。
总 之，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损原因和磨损强度是不同的。图6-8所示为硬质合金刀具加工钢料时，在不同的切削速度(切削温度)下各类 磨损所占的比重。由图可得也结论：对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。高温时扩散和氧化磨损强度高；在中低温时，冷焊磨损占 主导地位；磨料磨损则在不同的切削温度下都存在。
刀具磨损过程及磨钝标准
6-1刀具磨损的形态
6-2刀具磨损的原因
6-3刀具磨损过程及磨钝标准
一、刀具磨损过程
二、刀具的磨钝标准
6-4刀具使用寿命的经验公式及概率分布
6-5刀具合理使用寿命的选择
6-6刀具的破损及破损寿命分布
刀具磨损到一定程度就不能继续使用，否则将降低工件的尺寸精度和已加工表面质量，同时也要增加刀具的消耗和加工成本。那么，刀具磨损到什么程度就不能使用呢？这需要制订一个磨钝标准。为此，先研究刀具的磨损过程。
一、刀具磨损过程
后刀面磨损量VB随切削时间t的延长而增大。图6—9为典型的刀具磨损曲线；其磨损过程分三个阶段：
1．初期磨损阶段
这一阶段磨损曲线的斜率较大。由于刃磨后的新刀具，其后刀面与加工表面间的实际接触面积很小，压强很大，故磨损很快。新刃磨后的刀面上的微观粗糙度也加速 了磨损。初期磨损量的大小与刀具刃磨质量有很大关系，通常在VB＝0.05—0.1mm之间。经过研磨的刀具，其初期磨损量小，而且要耐用得多。
2.正常磨损阶段
经 过初期磨损，后刀面上被磨出一条狭窄的棱面；压强减小，故磨损量的增加也缓慢下来，并且比较稳定。这就是正常磨损阶段，也是刀具工作的有效阶段。这一阶段 中磨损曲线基本上是一条向上的斜线，其斜率代表刀具正常工作时的磨损强度。磨损强度是比较刀具切削性能的重要指标之一。
3.剧烈磨损阶段
刀具经过正常磨损阶段后，切削刃显著变钝，切削力增大，切削温度升高。这时刀具的磨损情况发生了质的变化而进入剧烈磨损阶段。这一阶段的磨损曲线斜率很 大，即磨损强度很大。此时刀具如继续工作，则不但不能保证加工质量，而且刀具材料消耗多，经济上是不合算的。故应当使刀具避免发生剧烈磨损。
观测前刀面磨损量(月牙洼深度KT)，其磨损曲线也可出现类似上述伪三个磨损阶段。
二、刀具的磨钝标准
刀具磨损后将影响切削力、切削温度和加工质量，因此必须根据加工情况规定一个最大的允许磨损值，这就是刀具的磨钝标准。一般刀具的后刀面上都有磨损，它对 加工精度和切削力的影响比前刀面磨损显著，同时后刀面磨损量比较容易测量，因此在刀具管理和金属切削的科学研究中多按后刀面磨损尺寸来制定磨钝标准。通常 所谓磨钝标准是指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值，以VB表示。
制订磨钝标准需考虑被加工对象的特点和加工条件的具体情况。
工艺系统的刚性较差时应规定较小的磨钝标准。因为当后刀面磨损后，切削力将增大，尤以切深抗力Fp最为显著。与新磨过的车刀相比，VB＝0.4mm时， Fp增加12％—30％；VB＝0.8mm时，Fp增加30％—50％。故车削刚性差的工件时，应控制在VB＝0.3mm左右；而车削刚性好的工件时，磨 钝标准可取得大一些。
后刀面磨损后，切削温度升高。加工不同的工件材料，切削温度的升高也不相同。在相同的切削条件下，加工合金钢的切削温度高于碳素钢，加工高温合金及不锈钢 的切削温度又高于一般合金钢。在切削难加工材料时，一般应选用较小的磨钝标推；加工一般材料，磨钝标准可以大一些。
加工精度及表面质量要求较高时，应当减小磨钝标准，以确保加工质量。例如在精车时，应控制VB＝0.1—0.3mm的范围内。
加工大型工件，为避免中途换刀，一般采用较低的切削速度以延长刀具使用寿命。此时切削温度较低，故可适当加大磨钝标准。在自动化生产中使用的精加工刀具， 一般都根据工件精度要求制订刀具磨钝标准。在这种情况下，常以刀具的径向磨损量NB（图6—10）作为衡量标准。此外还需考虑工艺系统的弹性变形、刀具调 整误差、工件尺寸的分布规律以及工件材料性质不均匀等因素。因此要用数理统计方法来确定刀具的磨钝标准。
根据生产实践中的调查资料，硬质合金车刀的磨钝标准推荐值列于表6—1。ISO已规定了外圆车刀使用寿命实验中的刀具磨钝标准[106]，这个规定只用于切削实验，生产现场中的刀具磨钝标准往往要大一些(精加工除外)。
