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數(shù)控車床加工中刀具選用的分析

2024-1-26 來(lái)源：四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院作者：蔣毅，蔣俊飛

摘要：數(shù)控車床加工中選擇正確、合適的刀具可使加工更加經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定，選擇刀具時(shí)可從車刀的使用要求和刀具本身特性兩方面考慮，其中車刀的使用要求包括強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性、使用壽命、可更換性等；車刀的特性包括了刀具材料、刀尖圓弧半徑、刀尖的角度和形狀等。課題組通過(guò)對(duì)車刀的使用要求和刀具特性兩方面的分析，結(jié)合實(shí)際使用情況，介紹了數(shù)控車床加工中刀具的應(yīng)用情況。結(jié)果表明，車刀選擇的合理與否直接影響到刀具使用壽命和加工效率，也將影響到加工成本，車刀的選擇需結(jié)合多方面因素綜合決定，再采用合理的切削參數(shù)，才能使加工達(dá)到質(zhì)量最優(yōu)、速度最快、成本最低的目的。

關(guān)鍵詞：車刀；刀具材料；剛性

數(shù)控車床加工作為機(jī)械加工中常見(jiàn)的一種方式，由于零件材料各不相同，切削特性存在差異，應(yīng)根據(jù)加工情況選擇最合適的刀具。選擇正確、合適的車刀有利于保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定，減少刀具磨損，降低加工成本。選擇合適的刀具，可從車刀的使用要求和車刀本身特性兩方面考慮。

1、車刀的使用要求

在刀具切削加工的過(guò)程中工件受到摩擦、變形，刀具也承受著對(duì)應(yīng)的切削力，刀具的選擇將直接影響工件質(zhì)量[1]。為保證數(shù)控車床的加工達(dá)到高效、節(jié)能、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和可快速更換刀具的目的，對(duì)數(shù)控車床使用的刀具有如下要求。

1.1 刀具的強(qiáng)度和剛性

刀具應(yīng)有較高的強(qiáng)度、較好的剛度和抗振性能，使加工可以在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行，否則會(huì)直接影響加工質(zhì)量。例如，在車削內(nèi)孔時(shí)，零件的孔徑和長(zhǎng)度對(duì)刀具的選擇有較大的限制，深孔切削時(shí)常引起刀桿的振動(dòng)，不但使切削刃磨損，同時(shí)加工表面還可能產(chǎn)生振紋，影響加工表面質(zhì)量，所以通常小直徑孔切削采用硬質(zhì)合金或鎢鋼刀桿，中等以上直徑采用減振刀桿[2]。

1.2 經(jīng)濟(jì)性

刀具應(yīng)具有較高的經(jīng)濟(jì)性，有利于控制加工成本。選擇刀具時(shí)，在滿足加工要求的前提下盡量選用性價(jià)比較高的刀具。例如，鋒鋼材質(zhì)的刀具不但價(jià)格低廉，而且便于磨削，可反復(fù)磨削使用，在滿足加工要求前提下，無(wú)需采用合金或其他較為昂貴的刀具，降低加工成本。

1.3 高精度和較強(qiáng)的適應(yīng)性

在選用刀具時(shí)應(yīng)根據(jù)加工材料的特性選用合適的刀具，所選刀具應(yīng)對(duì)加工具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，保證加工的精度和質(zhì)量。例如，加工鋁等韌性相對(duì)較好的材料時(shí)，為獲得較好的表面質(zhì)量和尺寸精度，應(yīng)考慮加工時(shí)工件與刀具之間產(chǎn)生的擠壓力對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生的影響；當(dāng)加工尼龍或其他高分子材料時(shí)還應(yīng)考慮材料的低熔點(diǎn)特性，在選用刀具時(shí)應(yīng)盡量減少加工產(chǎn)生的熱量，避免加工熱量給工件表面帶來(lái)的影響。

1.4 滿足工藝參數(shù)的要求

所選刀具能夠滿足切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量等方面的工藝要求。在加工時(shí)加工效率是一項(xiàng)重要參考因素，特別是粗加工時(shí)，為盡快在較短時(shí)間內(nèi)切削掉應(yīng)切削部分，往往采用較大的切削速度、進(jìn)給速度和背吃刀量來(lái)有效提高加工效率，縮短加工時(shí)間，在此過(guò)程中刀具需承受較大的切削力，這對(duì)刀具的材質(zhì)和刀尖半徑有一定的要求[3]。

1.5 使用壽命

刀具較好的耐磨性及較長(zhǎng)的使用壽命不但可直接降低更換刀具的頻率和加工成本，還可保證工件的尺寸穩(wěn)定和表面質(zhì)量[4]。為減少刀具磨損，刀具的硬度應(yīng)盡可能大于工件材料的硬度，這樣才能減少刀具的磨損，例如加工尼龍等硬度較低的工件時(shí)，采用鋒鋼刀和合金刀兩者的磨損差別可能不大，但加工 45鋼或其他硬度較大的工件時(shí)，合金刀的磨損會(huì)明顯小于鋒鋼刀具；為保證刀具的使用壽命，還應(yīng)根據(jù)待加工件材料合理選擇刀具材料和切削參數(shù)。例如，在加工不銹鋼工件時(shí)，由于不銹鋼韌性較好，但在加工過(guò)程中切削下來(lái)的鐵屑容易粘附在刀刃上，降低了刀具的切削性能，導(dǎo)致出現(xiàn)崩刀現(xiàn)象，所以在加工不銹鋼材料時(shí)往往選用不易崩刀材質(zhì)的刀具，同時(shí)采用小背吃刀量和低進(jìn)給速度加工。

1.6 可更換性

在批量加工時(shí)，更換刀具或刀片是不可避免的，為減少更換刀具或刀片給加工尺寸和加工效率帶來(lái)的影響，避免對(duì)刀是一個(gè)有效的辦法，要求刀具便于更換或拆裝，刀片與刀柄要通用化、規(guī)格化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，更換刀具或刀片后，刀尖位置不會(huì)出現(xiàn)較大變化，相對(duì)刀架要有較高位置精度。

2、刀具的特性

2.1 刀具材料

加工零件材料不同，選用刀具的材料也不同。刀具材料選用又主要考慮材料的三種性能：冷硬性、紅硬性、韌性。冷硬性簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)指的是材料在冷態(tài)，即常溫時(shí)的硬度，又名耐磨性；紅硬性指刀具在高溫時(shí)的硬度；韌性指刀具能承受振動(dòng)和沖擊載荷的性能。在切削過(guò)程中，刀頭必須承受較高的壓力和溫度。因此，刀頭材料除了足夠的強(qiáng)度、韌性和耐磨性外，還必須具有較高的紅硬性。常見(jiàn)車刀材料包括高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層刀具。

2.1.1高速鋼

高速鋼是一種含鎢和鉻較多的合金鋼，又名白鋼、鋒鋼，硬度較高，62 HRC~65 HRC，約為45號(hào)鋼硬度的 2.7 倍。具有一定的紅熱硬度，耐溫程度可達(dá) 560 ℃~600 ℃，韌性和加工性能較好，高速鋼刀具制造簡(jiǎn)單，刃磨方便，可根據(jù)具體的加工要求磨成各種角度、形狀的刀具，特別是加工一些成型面時(shí)，其便于磨削成型的優(yōu)點(diǎn)尤為突出。高速鋼通過(guò)磨削和打磨后，可獲得較為鋒利的刀刃，加工時(shí)產(chǎn)生的加工熱較小，適合用于加工塑料類熔點(diǎn)較低的工件。高速鋼價(jià)格便宜，可反復(fù)磨削使用，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，可很好地控

制使用成本。但因紅硬性不如硬質(zhì)合金，在高速切削時(shí)容易磨損，故在加工鋼件時(shí)不適用于高速切削，從而導(dǎo)致鋼件表面加工質(zhì)量常常不如合金刀具。所以在加工硬度不高、熔點(diǎn)較低材料時(shí)，比如尼龍和一些高分子材料時(shí)，高速鋼刀具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)，但在加工較硬材料的工件時(shí)盡量不選用高速鋼刀具。

2.1.2硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金由難熔材料的碳化鎢、碳化鈦和鈷的粉末在高壓下成形，經(jīng) 1 350 ℃~1 560 ℃ 高溫?zé)Y(jié)而成。具有極高的硬度，常溫下可達(dá) 92 HRA，僅次于金剛石。同時(shí)紅硬性很好，在1 000 ℃左右仍能保持良好的切削性能，具有較高使用強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度高達(dá)100 kg/mm3~170 kg/mm3。所以在加工一些硬度高的材料時(shí)，硬質(zhì)合金刀具被廣泛應(yīng)用。硬質(zhì)合金刀具又分為焊接式和機(jī)架式：焊接式刀具只有刀頭部分為硬質(zhì)合金，其優(yōu)點(diǎn)在于可以如同高速鋼刀具一樣通過(guò)磨削得到想要的形狀或角度，也可反復(fù)打磨使用；其缺點(diǎn)在于當(dāng)?shù)毒咧匦虏鹧b之后，刀尖相對(duì)于刀臺(tái)的位置發(fā)生了變化，必須重新對(duì)刀后方可繼續(xù)加工，故往往不適用于批量加工。機(jī)架式刀具是將刀頭的切削部分制作成標(biāo)準(zhǔn)合金刀片，當(dāng)?shù)镀p或者損壞時(shí)可直接更換刀片，更換刀片后刀尖位置相對(duì)于刀臺(tái)變化不大，只需簡(jiǎn)單調(diào)整刀具補(bǔ)償便可繼續(xù)加工使用；其缺點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)合金刀片往往不便于磨削打磨，通常刀尖磨損之后只能報(bào)廢，經(jīng)濟(jì)性不如焊接式刀具。

2.1.3涂層刀具

刀具性能的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)即硬度和韌性之間似乎總是存在著矛盾關(guān)系，硬度高的材料往往韌性低，而要提高韌性往往是以犧牲硬度為代價(jià)。在較軟的刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜組成的涂層刀具，較好地解決了刀具存在的強(qiáng)度和韌性之間的矛盾。

常用的涂層刀具是指在高速鋼、硬質(zhì)合金或其他韌性較好材質(zhì)的刀具表面進(jìn)行涂層，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層 [5]。在切削的時(shí)候，涂層區(qū)形成了一層化學(xué)屏障和熱屏障的保護(hù)區(qū)，減少了刀具材料本身與工件直接接觸，從而減少了刀刃的磨損。與未涂層刀具相比，涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等優(yōu)點(diǎn)，切削時(shí)比未涂層刀具提高刀具壽命 3~5 倍以上。涂層刀具根據(jù)涂層材料的不同可分為 TiC、TiN、Al2O3等涂層，不同材質(zhì)的涂層硬度、韌性、耐磨性等性能也存在差異，應(yīng)根據(jù)不同的加工要求選用合適的涂層刀具。例如，TiCN 基涂層適于加工普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵等材料，用它加工工件時(shí)的材料切除率可提高 2~3 倍；CrN 是一種無(wú)鈦涂層，適于切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其他軟材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，不產(chǎn)生粘屑問(wèn)題。

涂層刀具現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于金屬切削加工中。但涂層刀具也存在一定缺點(diǎn)，由于涂覆材料覆蓋于刀具表面，在提高刀具加工特性的同時(shí)，一定程度上也降低了刀具刃口的鋒利性，其切削區(qū)域產(chǎn)生的加工熱明顯增加，刀具本身通常可以承受這種熱量，但在加工一些低熔點(diǎn)的材料時(shí)，這部分熱量有可能使工件的加工表面出現(xiàn)熱熔現(xiàn)象，會(huì)直接影響工件的尺寸精度和表面質(zhì)量。

2.2 刀尖圓弧半徑的選擇

制造或刃磨車刀時(shí)，為保護(hù)刀尖，在其刀尖部分都保留一個(gè)刀尖圓弧，它的半徑是一個(gè)難以準(zhǔn)確測(cè)量的數(shù)值，常見(jiàn)的半徑值約為0.2 mm~0.8 mm。若以假想的刀尖位置為切削點(diǎn)，則在數(shù)控車削中編程很簡(jiǎn)單。但因?yàn)槿魏蔚毒叨即嬖谥都鈭A弧，所以當(dāng)車削外圓柱面或端面時(shí)，刀尖圓弧的大小并不起作用。但當(dāng)車倒角、錐面、圓弧或曲面時(shí)，將會(huì)影響零件的加工精度，以假想刀尖位置編程時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)切現(xiàn)象和欠切現(xiàn)象。

不同半徑的刀尖圓弧加工性能也不一樣。刀尖圓弧半徑越小，刀具越鋒利，加工摩擦越小，產(chǎn)生的加工熱量也就越小，同時(shí)可減少加工振動(dòng)，在提高了加工表面質(zhì)量的同時(shí)加工尺寸也越精準(zhǔn)和穩(wěn)定；但由于刀尖圓弧半徑越小，刀尖越尖細(xì)，容易產(chǎn)生磨損，甚至產(chǎn)生崩刀現(xiàn)象，壽命也就越短，不適合大背吃刀量的切削，故常用于精加工刀具。圓弧半徑過(guò)小還會(huì)對(duì)加工表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，在加工表面會(huì)產(chǎn)生明顯的溝紋，降低加工表面的質(zhì)量[6]。

刀尖圓弧半徑越大，切削刀尖的強(qiáng)度越強(qiáng)，刀尖也就更加堅(jiān)固，更加耐磨損，不易崩刃，可用于大背吃刀量和高進(jìn)給速度的切削，有利于提高加工效率。但刀尖半徑越大，刀具和工件接觸面也越大，加工區(qū)域的摩擦面和擠壓力也就越大，會(huì)產(chǎn)生震顫，不利于保證加工尺寸的穩(wěn)定，故常用于粗加工[7]。

2.3 刀尖的角度和形狀

刀具角度是用來(lái)確定刀具切削部分幾何形狀的重要參數(shù)。刀片形狀的選擇，需要綜合考慮加工形態(tài)、切削刃強(qiáng)度、夾緊強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性等 [8]。以外圓車刀為例，外圓車刀形狀多種多樣，包括正六邊形的120°、正方形的90°、正三角形的60°、菱形35°、55°、85° 等等。其中菱形 35°、85° 和正三角形的 60° 這三種刀片尤為常見(jiàn)，它們雖都是外圓刀片，均可加工外圓，但它們的加工特點(diǎn)又存在一定差異。

菱形 35° 刀片副偏角較大，可減少副切削刃和已加工表面的干涉，加工外圓表面時(shí)適用性廣，可加工非單調(diào)性外圓輪廓。但菱形 35°刀片刀尖較細(xì)，切削刃強(qiáng)度較差，不適合長(zhǎng)時(shí)間承受較大的切削力，不適合偏端面的加工[9]。

菱形 85° 刀片切削刃強(qiáng)度較好，可承受較大的切削力，能同時(shí)滿足外面與端面的加工，粗、精加工的使用領(lǐng)域廣泛，但由于副偏角較小，不適合加工非單調(diào)性輪廓的外圓。

正三角形的 60° 刀片性能介于菱形 35° 和 85° 刀片性能之間，它既有較好強(qiáng)度的切削刃，又有一定角度的副偏角，可用于部分非單調(diào)性外圓的加工 [10]。且正三角形的 60°刀片相比菱形刀片，使用刀尖數(shù)量也不同：通常菱形刀片單面只有兩個(gè)刀尖可以使用，正三角形的 60° 刀片單面便具有三個(gè)刀尖可以使用，故正三角形的60°刀片利用率高，使用成本更低。

3、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，影響數(shù)控車床加工的因素很多，包括車床、刀具、程序等多方面因素，需要全面綜合考量。其中，僅僅車刀的選擇因素便遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止以上所分析的幾項(xiàng)，車刀的選擇合理與否直接影響到刀具使用壽命和加工效率，也將影響到加工成本，車刀的選擇也需結(jié)合多方面因素綜合決定，再采用合理的切削參數(shù)，才能使加工達(dá)到質(zhì)量最優(yōu)、速度最快、成本最低的目的。

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