1.5　刀具使用寿命

在切削过程中，刀具在切除工件材料的同时，本身也在被磨损。当刀具磨损达到一定程度时，出现切削力增大，切削温度升高，产生切削振动等不良现象，这时刀具便失去切削能力。刀具从开始使用到失去切削能力的这段时间称刀具的使用寿命（或耐用度）。由于冲击、振动、热效应等原因，致使刀具崩刃、卷刃、破裂、表层剥落而损坏的非正常情况称为刀具破损。

1.5.1　刀具磨损的形态

在切削过程中，刀面的材料微粒会逐渐被工件或切屑带走的现象称为刀具的正常磨损，简称刀具磨损。刀具正常磨损的一般状态如图1.27所示，常见的形式有前刀面磨损、后刀面磨损、前后刀面同时磨损三种情况。

（1）前刀面磨损（月牙洼磨损）

当切削速度较高、切削厚度较大、切削较大塑性材料时，切屑在前刀面上磨出一个月牙洼，如图1.28所示。月牙洼处的切削温度较高，在磨损过程中，月牙洼逐渐加深、加宽，使切削刃棱边变窄，强度削弱，导致崩刃，这种磨损形式为前刀面磨损。月牙洼的磨损量用深度参数KT表示，其宽度和位置用KB、KM表示。

（2） 后刀面磨损

后刀面磨损是指在刀具后刀面上邻近切削刃处被磨出后角为零的小棱面，如图1.28所示。在切削脆性金属或以较低的切削速度、较小的切削厚度切削塑性材料时，由于切屑与前刀面的接触长度较短，压力较小，温度较低，摩擦也较小，所以磨损主要发生在后刀面上。在刀具后刀面的不同部位，其磨损程度不一样。

靠近刀尖部分（C区），由于该部位的强度低、散热条件差，磨损较大，其最大磨损值用VC表示。

在刀刃与工件待加工表面接触处（N区），由于毛坯的氧化层硬度高等原因，致使该部位的磨损也较大，其最大磨损值用VN表示。

在刀具切削刃的中部（B区），其磨损比较均匀，平均磨损值用VB表示。一般情况下，刀具后刀面的磨损用VB来衡量。

（3）前后刀面同时磨损

当用较高的切削速度和较大的切削厚度切削塑性金属材料时将会发生前、后刀面同时磨损。

1.5.2　刀具的磨损原因和磨损过程

由于刀具的工作情况比较复杂，其磨损原因主要有机械磨损、热、化学磨损。在特定的切削条件下，一种或多种磨损原因起主要作用，主要表现为：磨料磨损、黏结磨损、扩散磨损和氧化磨损。

（1）磨料磨损

由于切屑或工件的摩擦面上有一些微小的硬质点，在刀具表面刻划出沟纹的现象称为磨料磨损。硬质点如碳化物、积屑瘤碎片等。磨料磨损在各种切削速度下都会发生，对于切削脆性材料和在低速条件下工作的刀具，如拉刀、丝锥、板牙等，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。

（2）黏结磨损

黏结磨损（也称冷焊）是指切屑或工件的表面与刀具表面之间发生的黏结现象。在切削过程中，由于切屑或工件与刀具表面之间存在着巨大的压力和摩擦，因而它们之间会发生黏结现象。由于摩擦副表面的相对运动，使刀具表面上的材料微粒被切屑或工件带走而造成的刀具磨损。刀具与工件材料之间的亲合力越强，越容易发生黏结磨损。

（3）扩散磨损

在高温作用下，刀具材料与工件材料的化学元素在固态下相互扩散造成的磨损称为扩散磨损。用硬质合金刀具切削钢料时的扩散情况如图1.29所示。在高温900～1000℃下，刀具中的Ti、W、Co等元素向切屑或工件中扩散，工件中的Fe元素也向刀具中扩散，这样改变了刀具材料的化学成分和力学性能，从而加速了刀具的磨损。扩散磨损主要取决于刀具与工件材料化学成分和两接触面上的温度。

（4）氧化磨损

当切削温度在700～800℃时，空气中的氧与刀具中的元素发生氧化作用，在刀具表面上形成一层硬度、强度较低的氧化层薄膜，如TiO₂、WO₃、CoO，很容易被工件或切屑带走或摩擦掉引起刀具的磨损，这种磨损方式称为氧化磨损。

总之，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损的原因和磨损强度是不同的。图1.30所示的是硬质合金刀具加工钢材料时，在不同切削速度（切削温度）下，各类磨损所占的比重。

（5）刀具磨损过程

刀具后刀面的磨损量随时间的变化规律如图1.31所示，整个磨损过程分为三个阶段。

①初期磨损阶段　在刀具开始使用的短时间内，后刀面上即产生一个磨损量为0.05～0.1mm的小棱带，称为初期磨损阶段。在此阶段，磨损速率较大，时间很短，总磨损量不大。磨损速率较大的原因是，新刃磨过的刀具后刀面上存在凹凸不平、氧化或脱碳层等缺陷，使刀面表层上的材料耐磨性较差。

②正常磨损阶段　刀具经过初期磨损阶段，后刀面的粗糙度已减小，承压面积增大，刀具磨损进入正常磨损阶段。

③剧烈磨损阶段　随着刀具切削过程的继续，磨损量VB不断增大，到一定数值后，切削力和切削温度急剧上升，刀具磨损率急剧增大，刀具迅速失去切削能力，该阶段称为剧烈磨损阶段。

1.5.3　影响刀具使用寿命（耐用度）的因素

影响刀具耐用度的因素很多，主要影响因素有工件材料、刀具角度、切削用量以及切削液等。

（1）切削速度与刀具使用寿命的关系

切削速度与刀具使用寿命的关系是用试验方法求得的。在其他切削条件固定的情况下，只改变切削速度做磨损试验，得出在各种速度下刀具磨损曲线，如图1.32所示，然后根据选定的磨钝标准VB以及各种切削速度下所对应的刀具使用寿命（T₁，v_c1）、（T₂，v_c2）、（T₃，v_c3）、（T₄，v_c4），在双对数坐标纸上画出T-v_c的关系，如图1.33所示。

试验结果表明，在常用切削速度范围内，上述各组数据对应的点在双对数坐标中基本上分布在一条直线上，它可以表示为

lgv_c=-mlgT+lgA　　即v_c= A/T^m 

式中　m——指数，双对数坐标中的直线斜率，m=tanφ；

A——系数，当T=1s（秒）或1min（分）时，双对数坐标中的直线在纵坐标上的截距。

这个关系式是20世纪初由美国工程师泰勒（F.W.Taylor）建立的，称泰勒公式。指数m表示了切削速度对刀具使用寿命的影响程度，例如，设m=0.2，当切削速度提高一倍时，刀具的使用寿命就要降低到原来的1/32，m值大，表示切削速度对刀具使用寿命的影响程度小。高速钢刀具的m=0.1～0.125；硬质合金刀具的m=0.1～0.4；陶瓷刀具的m=0.2～0.4。

（2）进给量、切削深度与刀具使用寿命的关系

同样的方法，可以求得f-T和a_p-T的关系为

f=B/Tⁿ

a_p=C/T^p

式中　B，C——系数；

n，p——指数。

则可得切削用量与刀具使用寿命的关系式为

式中　C_T，C_v——与工件材料、刀具材料和其他切削条件有关的系数。

对于不同的工件材料和刀具材料，在不同的切削条件下，上式中的系数和指数，可用来选择切削用量或对切削速度进行预报。

例如，硬质合金外圆车刀车削碳钢时的经验公式为，可见，切削速度对刀具的使用寿命影响最大，其次是进给量，切削深度影响最小。

在选择切削用量时，为了提高生产率，在机床功率足够的条件下，首先选择尽量大的切削深度，其次是进给量，最后在刀具寿命允许的条件下选择切削速度。

1.5.4　刀具的磨钝标准和使用寿命的合理选择

（1）刀具磨钝标准

刀具磨损量达到一定程度就要重磨或换刀，这个允许的限度称为磨钝标准。

制订磨钝标准，主要根据刀具磨损的状态和加工要求决定。

当后刀面磨损为主时，用后刀面磨损棱带的平均宽度VB为指标，作为刀具的磨钝标准。

当刀具以月牙洼磨损为主要形式时，可用月牙洼深度KT、宽度KB和位置KM的值作为磨钝标准。对于一次性对刀的自动线或精加工刀具，则用径向磨损量NB作为磨钝标准，如图1.34所示。

在生产中，刀具的磨钝标准一般以VB为指标，其推荐值如表1.31～表1.33所示。

（2）使用寿命选择

在自动线、多刀切削、大批量生产中，一般都要求定时换刀，究竟切削时间应当多长，即刀具的使用寿命取多大才合理，一般遵循两种原则：一种是根据单件工序工时最短的原则来确定刀具使用寿命，即最大生产率使用寿命（T_p）；另一种是根据单件工序成本最低的原则来确定刀具的使用寿命，即经济使用寿命（T_c）。

式中　m——系数；

t_ct——刀具磨钝后，换一次刀所消耗的时间（包括卸刀、装刀、对刀等）；

C_t——刀具成本；

M——该工序单位时间内机床折旧费及所分担的全厂开支。

当需要完成紧急任务时，采用最大生产率原则，将刀具使用寿命定得小一点。一般情况采用刀具的经济寿命原则，并结合生产经验资料确定。

在生产中，刀具的使用寿命的推荐值如表1.34～表1.36所示。