數控（kòng）車床加工中刀具（jù）選用的分（fèn）析 -數控（kòng）機（jī）床市場網（wǎng）

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數控車（chē）床加工中刀具選用（yòng）的分析

2024-1-26 來（lái）源：四川職業技（jì）術學院作者：蔣毅，蔣俊飛

摘（zhāi）要：數控車床加工中（zhōng）選（xuǎn）擇正確、合適的刀具可使（shǐ）加工（gōng）更（gèng）加（jiā）經濟（jì）、穩定，選擇刀具時（shí）可從（cóng）車（chē）刀（dāo）的使用要求和刀具本身特性兩方麵（miàn）考慮，其（qí）中車（chē）刀的使用要求（qiú）包括（kuò）強度、經濟性、適應性、使用壽命、可（kě）更換性等；車刀的特性包括了刀具（jù）材料、刀尖圓弧半徑、刀尖的角度和形狀等。課題（tí）組通（tōng）過對車（chē）刀的使用要求和刀具特性兩方麵的（de）分（fèn）析，結合實際使用（yòng）情況，介紹了（le）數控車床加工中刀具的應用情（qíng）況（kuàng）。結果表明，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（yě）將影響到（dào）加工成本（běn），車（chē）刀的選擇需結合多（duō）方（fāng）麵因素綜（zōng）合決定（dìng），再采用合理的切削參數（shù），才能使加工達到（dào）質（zhì）量（liàng）最優、速度最快、成本最低的目的。

關鍵詞：車刀；刀具材料；剛性

數控車床加工作為機械加工中常見的一種方式，由於零件材料各不相同，切削特性存在差異，應根據加工情況選擇最合適的刀具。選（xuǎn）擇正確、合適的車刀有利於保證加工質量的穩定，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（hé）車刀本身特（tè）性兩方麵（miàn）考慮。

1、車刀的使用要求

在刀具切削加工的過程中工件（jiàn）受到摩擦、變形，刀具也承受（shòu）著對應的切削力，刀具的選（xuǎn）擇將直接影（yǐng）響工件（jiàn）質量[1]。為保證數控車床的加工達到高效、節能、穩定、經濟和（hé）可快速更換刀具的目的，對數（shù）控車床使用的刀（dāo）具有如下要求。

1.1 刀具的強度和剛（gāng）性

刀具應有較（jiào）高的強度、較好的（de）剛度和抗（kàng）振性（xìng）能，使加工可以在一個穩定（dìng）狀態進行，否則會直接影響加（jiā）工質量。例如，在（zài）車削內孔時，零（líng）件的孔徑和長度對刀具的選擇有較大的限製（zhì），深孔切削時常引（yǐn）起刀杆的振動，不但使切削刃磨損，同時加工（gōng）表麵還可能產（chǎn）生振紋，影響加工表麵質量，所以通常小直（zhí）徑孔切削采用硬質（zhì）合金或鎢鋼刀杆，中等以上直徑采用減振刀杆（gǎn）[2]。

1.2 經濟性

刀具（jù）應具有較高的經濟性（xìng），有（yǒu）利於控製加工成本。選擇（zé）刀具時，在滿足加工要求的前提下盡量選用性價比較高的刀具。例如，鋒鋼（gāng）材（cái）質的刀具不但價格低廉，而且便於磨削，可反複磨削使用，在（zài）滿足加工（gōng）要求前提（tí）下，無需采用合金或其他較（jiào）為（wéi）昂貴的刀具，降低加工成本（běn）。

1.3 高精度和（hé）較強的適應性

在選用刀具時應根據加工材料的特性選用合適的刀具，所選刀具應對加工具有較強的適應性，保證加工（gōng）的精度（dù）和質量。例如（rú），加工鋁等韌性相對較好（hǎo）的材料時，為獲得較好的表麵質量和尺寸精度（dù），應考慮加工時工件與刀具之（zhī）間產生的擠壓力對表麵質量產生的影響；當加工尼龍或其他高（gāo）分子材料時還應考慮材料的低熔點特性，在選用刀具時應盡量減少加工產生的熱（rè）量（liàng），避免加工熱量給工件表麵帶來的影響。

1.4 滿足工藝參數的要求

所選刀具能夠滿足切削（xuē）速度、進給量、背（bèi）吃（chī）刀量等方麵的工藝要求。在加工時（shí）加工效率是一（yī）項重（chóng）要參考因素，特別是（shì）粗加（jiā）工時（shí），為盡快在較短時（shí）間內（nèi）切削掉應切削部（bù）分，往往（wǎng）采用較大的切削速（sù）度、進給速度和背吃刀量來有效提高（gāo）加工效率，縮短加工時（shí）間，在此過程中刀具需承受較大的切（qiē）削力（lì），這對（duì）刀具（jù）的材質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的使用壽命不但可直接降低更換（huàn）刀（dāo）具的頻（pín）率和加工成本（běn），還可保證工件的尺寸穩定和表麵質量[4]。為減少刀具磨損，刀具的硬度應盡可能大於工件材料的硬度，這樣才能減少刀具的磨損，例如加工尼龍等硬度較低的工（gōng）件時，采用鋒鋼刀和合金刀兩者的磨損（sǔn）差別可能不大，但（dàn）加工 45鋼或其（qí）他硬度較大（dà）的工件時，合金刀的磨損會明顯小於鋒鋼（gāng）刀具（jù）；為保證刀具的使用壽命，還應根據待加工件材（cái）料合理選擇刀具材料（liào）和切削參數。例如，在加工不鏽鋼工件時，由（yóu）於不鏽鋼韌性較好，但在加工過程中切削下來的鐵屑容易粘附在刀（dāo）刃上，降低了刀具（jù）的切削性（xìng）能，導致出現崩刀現象，所以在加工不鏽鋼材料時往往選用不易崩刀材（cái）質的刀具，同時采用小背吃刀量和低進給速度加工（gōng）。

1.6 可更換性

在批量加工時，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，避免對刀是一個有效的辦（bàn）法，要求（qiú）刀（dāo）具便於（yú）更換或拆（chāi）裝（zhuāng），刀片與刀柄要通用化、規格化、係列化、標準化，更換刀具或刀片後，刀尖（jiān）位置不會出現較（jiào）大變化，相對刀架要有較高（gāo）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（yě）不同。刀具材料選用又主要考慮材料的（de）三種性能：冷硬性、紅硬性、韌性。冷硬性簡單來說指的是材料在冷態，即（jí）常溫時的硬度，又名耐（nài）磨性；紅硬性指刀（dāo）具在高（gāo）溫時的硬度；韌性指刀具能承受振動和衝擊載荷的性能。在切削過程中，刀頭必須承受較高的壓力和溫度。因此（cǐ），刀頭材料除了足夠的強（qiáng）度、韌性和耐磨性（xìng）外，還必須具有較高的紅硬性。常見車刀材料包括高速鋼、硬質合金、塗層刀具。

2.1.1高速鋼（gāng）

高速鋼是一種含鎢和鉻較多的合金鋼，又名白鋼、鋒鋼，硬（yìng）度較高，62 HRC~65 HRC，約為45號鋼硬度的（de） 2.7 倍。具有一定的紅熱硬度（dù），耐溫程度可（kě）達 560 ℃~600 ℃，韌性和加（jiā）工（gōng）性能較好，高速鋼刀具製造簡單，刃磨方便（biàn），可根據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麵（miàn）時，其便於磨削成型的優點尤為突出。高（gāo）速鋼通過磨（mó）削和打磨後，可獲得較為鋒利的刀刃，加工時產生的加工熱（rè）較小，適合用於加工（gōng）塑料類熔點較低的工件。高速鋼價格便宜，可反複磨削（xuē）使用，具（jù）有較高的經濟性，可很好地控

製（zhì）使用成本。但因紅硬性不如硬質合（hé）金，在高速切削時容（róng）易磨（mó）損，故在加工鋼件時不適用於高（gāo）速切削，從而導致鋼件表麵加工質量常常不如合金刀具（jù）。所以在（zài）加工硬度不高、熔點較低（dī）材料時，比如尼龍和一些高分子材料時，高速鋼刀具有明顯的綜合優勢，但在加（jiā）工較硬材料的工件時盡量不選（xuǎn）用（yòng）高速（sù）鋼刀具。

2.1.2硬質合金

硬質合金由難熔材料的碳化（huà）鎢、碳化鈦和（hé）鈷的粉末在高壓下成形，經（jīng） 1 350 ℃~1 560 ℃ 高溫燒結（jié）而成。具有極（jí）高（gāo）的硬度，常溫下可達 92 HRA，僅次於金剛石。同時紅硬性很好，在1 000 ℃左右仍能（néng）保持良好的切削性能，具有較高使用強度，抗彎強度高達100 kg/mm3~170 kg/mm3。所以在加工一（yī）些硬度高的材料時，硬質合金刀具被廣泛應用。硬質合金刀（dāo）具又分為焊接（jiē）式和機架式：焊接式刀具（jù）隻有刀頭部（bù）分為硬質合金，其優點在於可以如（rú）同高速鋼刀具一樣通過磨削得到想要的形狀或（huò）角度，也可（kě）反複打磨使用；其缺點在於當刀具重新拆裝之後，刀尖相對於刀台的位置發生了變化，必（bì）須重新對刀後方可繼續加工，故往往不適用於批（pī）量加工。機架式刀具（jù）是將刀頭的切削部分製作成標（biāo）準合金刀片，當刀片磨損或者損壞時可直接更（gèng）換刀（dāo）片，更換刀片（piàn）後刀尖位置（zhì）相（xiàng）對於刀台變化不（bú）大，隻需（xū）簡單調整刀具補償便可繼續加工使用；其缺點在（zài）於（yú）標準合金刀片往往不便於磨削打磨，通常刀尖磨損之後（hòu）隻能報廢，經（jīng）濟性不（bú）如焊接式刀具。

2.1.3塗層刀具

刀具性能的兩個關鍵指標即硬度和韌（rèn）性之間似乎總是存在著（zhe）矛盾關係，硬度高的材料（liào）往往韌性低，而要（yào）提高（gāo）韌性往往是以犧牲硬度為（wéi）代價。在較軟的刀具基體（tǐ）上塗覆一層或（huò）多層（céng）硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化（huà）合（hé）物薄膜組成的塗層刀具，較好地解決了刀具存在的強度和韌性之間的矛盾。

常用的塗層刀具是指（zhǐ）在高速鋼、硬（yìng）質合金或其他韌性較好材質的刀具表麵進行塗層，塗覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層 [5]。在切削的時候（hòu），塗層區形成了一層化（huà）學屏障和熱屏障的保護區，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（sǔn）。與未塗層刀（dāo）具相比，塗層刀具具（jù）有表麵（miàn）硬度高、耐磨性好（hǎo）、化學（xué）性能穩定、耐熱耐氧化（huà）、摩擦因數小和熱導率低等優點，切（qiē）削時比未塗層刀具提高刀具（jù）壽命 3~5 倍以上。塗層刀具根據塗層（céng）材料的不同可分為 TiC、TiN、Al2O3等塗層，不同材質的塗（tú）層（céng）硬度（dù）、韌性（xìng）、耐磨性等性能也存（cún）在差（chà）異，應（yīng）根據不（bú）同的加工要求選用合適的塗層刀具。例如，TiCN 基塗層適於加工普通鋼（gāng）、合金鋼、不鏽鋼和耐（nài）磨鑄鐵（tiě）等材料，用它加工工（gōng）件時的材料切除（chú）率可提高 2~3 倍；CrN 是一種無鈦塗層，適於切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其（qí）他軟材料，化學穩定性好，不產（chǎn）生粘（zhān）屑問題。

塗層（céng）刀具現已被廣泛應用於金屬切削加工中。但塗（tú）層（céng）刀具也存在一定缺點，由於塗覆材料覆蓋於刀具表麵，在提高刀（dāo）具（jù）加（jiā）工特性（xìng）的同時，一定程度上也（yě）降低了刀具刃口的鋒利性，其切削區域產（chǎn）生的加工熱明顯增加，刀具本身（shēn）通常（cháng）可以承受這種熱量，但在加工一些（xiē）低（dī）熔點的材料時，這部分熱量有（yǒu）可能使工件的加工（gōng）表麵出現熱熔現象，會直接影響工件的尺寸精度和表麵質量。

2.2 刀尖（jiān）圓弧（hú）半徑的選擇

製造或刃磨車刀時，為保護刀尖，在其刀尖部分都保留一個刀尖圓弧，它的半徑是一個難以準確測量的數值，常（cháng）見的半徑值約為0.2 mm~0.8 mm。若以假想的刀尖位置為切（qiē）削點，則在數控車削中編程很簡單。但因為任何（hé）刀具（jù）都存在著刀尖圓弧，所以當車（chē）削外圓柱麵或端麵（miàn）時，刀尖（jiān）圓弧的大小並不起作用。但當車倒角（jiǎo）、錐麵、圓弧或曲麵時，將會（huì）影響零件的加工精度，以假想刀尖位置編程時會出現過切現象和欠切現象。

不同半徑的刀尖圓弧加工性能也不一樣。刀尖圓弧（hú）半徑越小（xiǎo），刀具越鋒利，加工摩擦越小，產生的加工熱量也就（jiù）越小，同時可減少加工振動，在提高了加工表麵質量的同時加工尺寸也越精準和穩定；但由於刀尖圓弧半徑（jìng）越小，刀尖越尖細，容易產生磨損，甚至產（chǎn）生崩刀現象，壽（shòu）命也就越短（duǎn），不適合大（dà）背吃刀（dāo）量的切（qiē）削，故常用於精加工刀（dāo）具。圓弧半（bàn）徑（jìng）過小還會對加工表麵質量產生影響，在（zài）加（jiā）工表麵會產生明顯的溝紋，降低加（jiā）工表麵（miàn）的質量[6]。

刀尖圓弧半徑越大（dà），切削刀尖的強度越強（qiáng），刀尖也就更加堅固，更加耐磨（mó）損，不易崩（bēng）刃（rèn），可（kě）用（yòng）於大背吃刀量和（hé）高進給速度的切削，有利於提高加工效率。但刀尖（jiān）半徑越大，刀具和工件接觸麵也越大，加（jiā）工區域的摩擦麵和擠壓（yā）力也就越大，會產生震顫，不利於保（bǎo）證加工（gōng）尺寸的穩定，故常用於粗加工[7]。

2.3 刀尖的角度和形狀

刀具角度是用來確定刀具切削（xuē）部（bù）分（fèn）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、切削刃強度、夾緊強度、經濟性等 [8]。以外圓（yuán）車（chē）刀為例，外圓車刀形狀多種多樣，包括（kuò）正六邊（biān）形的120°、正（zhèng）方形的90°、正（zhèng）三角形的60°、菱形35°、55°、85° 等等（děng）。其中菱形 35°、85° 和正三角形的 60° 這三種（zhǒng）刀片尤為常見，它們雖（suī）都是外圓刀片，均可加工外圓，但它們的加工特點（diǎn）又（yòu）存（cún）在一定差異。

菱形 35° 刀片副偏角較大，可減少副切削刃和已（yǐ）加工（gōng）表麵的幹涉，加工外圓（yuán）表麵時適用性廣，可加（jiā）工非單調性外圓輪廓。但菱形 35°刀片刀尖較細（xì），切削刃強度較差（chà），不適合長時間承受較大的切削力，不適合偏端麵的加（jiā）工[9]。

菱形 85° 刀片切削刃強度較好，可承受較大的切（qiē）削力，能同時（shí）滿足外麵與端麵（miàn）的加工，粗、精加工的使用（yòng）領域廣泛，但由於副偏角較小，不適合加工（gōng）非單調性輪廓的（de）外圓（yuán）。

正三角形的（de） 60° 刀片性能介於菱形 35° 和 85° 刀片性能之間（jiān），它既有較好強度的切削刃，又有（yǒu）一定角度的副偏角，可用於部分非單調性外圓的加工 [10]。且正三角形（xíng）的（de） 60°刀片相比菱（líng）形刀片，使用刀尖數量也不同：通常（cháng）菱（líng）形刀（dāo）片單麵隻有兩個刀尖可以使用（yòng），正三角形的 60° 刀片單麵便具有三個刀尖可以使用，故正三角形的（de）60°刀片利用率高，使用成本更低。

3、結語

綜上所述（shù），影響數控車床加工的因（yīn）素很多，包（bāo）括（kuò）車床、刀具、程序等多方麵因素，需要全麵綜合考（kǎo）量。其（qí）中，僅僅車刀的（de）選擇因素便遠遠不（bú）止以上所分析的（de）幾項，車刀的選（xuǎn）擇（zé）合（hé）理與（yǔ）否直接影響到刀具使用壽命和加工效率，也將（jiāng）影響到加工成本，車刀的選（xuǎn）擇也需結合多方麵因素綜合決定（dìng），再采用（yòng）合理的切削參數，才能使加工達到質量（liàng）最優、速度最快、成本最低的目的。

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