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數控車床加工中刀具（jù）選用的分析

2024-1-26 來源：四川職業技術（shù）學院作者：蔣毅（yì），蔣俊（jun4）飛

摘要：數控車床加工中選擇正確、合適的刀具可使加工更加經濟、穩定，選擇刀具時（shí）可從車刀的使用要求（qiú）和刀具本身特性兩方麵考慮，其中車刀的（de）使用要求包括強度（dù）、經濟性、適（shì）應性（xìng）、使用壽命、可更換性等；車刀（dāo）的特性包括了刀具材料、刀尖圓弧半徑、刀（dāo）尖的角度和形狀等。課題組通過對車刀的使用要求和刀具特性兩方麵的分析，結合實際使用情況（kuàng），介紹（shào）了數控（kòng）車（chē）床加工（gōng）中（zhōng）刀具的應用情況。結果表明，車刀選擇的合（hé）理與否（fǒu）直接影響到刀具使用（yòng）壽命和加工（gōng）效率，也將影響到加工成本（běn），車刀的選擇需結（jié）合（hé）多方麵因素綜合決定，再采用合理的切削參數，才能使加工達到質（zhì）量最優、速度最快、成本最低的目的。

關鍵（jiàn）詞：車刀；刀具材料；剛（gāng）性

數控車床加工作為機械加（jiā）工中常見（jiàn）的（de）一種方（fāng）式，由於零件材（cái）料各不相（xiàng）同，切削特性存（cún）在差異，應根據加工情況選擇最合適的刀具。選擇正確、合適的車刀有利於保證加工質（zhì）量的穩定，減少刀具磨損，降低加工（gōng）成本（běn）。選擇合適的刀具，可從車刀的使用要求和車刀本身特（tè）性兩方（fāng）麵考慮。

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）應的切削力，刀具的選擇將直（zhí）接影響工件質量[1]。為保證數控車床的加工達（dá）到高效、節能、穩（wěn）定、經濟和可快速更（gèng）換刀具的目的，對數控車床使用的刀具有如下要求。

1.1 刀具的強度和剛性

刀具應有（yǒu）較高的強度、較好的剛度和抗振性能，使加工可（kě）以在一個穩定狀態進行，否則會直接影響加工質量。例如，在車削內孔時，零件的孔徑和長度對（duì）刀具的選擇有較大的限製，深孔切（qiē）削時常引起刀杆的振動，不但使切削刃磨損，同時加（jiā）工表麵還可能（néng）產生振紋，影響（xiǎng）加工表（biǎo）麵質量，所以通常小直徑孔切削采（cǎi）用硬質（zhì）合金或鎢鋼刀杆，中等以上直徑采用減振刀杆[2]。

1.2 經濟性

刀具應具（jù）有（yǒu）較高的經濟性，有利於控製加工成本。選擇刀具時，在滿足加工要求的前提下盡量選用（yòng）性價比較（jiào）高的刀具。例如，鋒鋼材質（zhì）的刀具不但價格低廉，而且（qiě）便於磨削，可反複磨削使用，在滿足加工（gōng）要求前提下，無需采用合金或其他（tā）較（jiào）為昂貴的刀具，降低加工成本。

1.3 高精度和較強的適應性

在（zài）選用刀具時應根據（jù）加工（gōng）材料的特性選用合適的刀具，所選刀具應對加工具有較（jiào）強的（de）適應性，保證加工的精度和質量。例如，加工鋁等韌性相對較好的材料時，為獲得較好的表麵質量和尺寸精度，應考慮加工（gōng）時工件與刀具之間產生的（de）擠壓力對表（biǎo）麵質量（liàng）產生的影響；當加工尼（ní）龍或其他高分子材料時還（hái）應考慮（lǜ）材料的（de）低熔點特性，在選（xuǎn）用刀具時應盡量減少加工產生的熱量，避免（miǎn）加工熱量（liàng）給（gěi）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（néng）夠（gòu）滿足切削速度、進給量、背吃（chī）刀量等方麵的工藝要（yào）求。在加工時加工效率（lǜ）是一項（xiàng）重要參考因（yīn）素，特別是粗加工時，為盡快在較（jiào）短時間內切削掉應切削部分，往往采用較（jiào）大的切削速度、進給速度和背吃刀量（liàng）來有效提高加工效率，縮短加工時間，在此過（guò）程中刀具需承受較（jiào）大的切削力，這對刀（dāo）具的材質和刀尖半徑有一定的要求[3]。

1.5 使用壽命（mìng）

刀具較好的耐磨性及較長的使用（yòng）壽命不但可直接（jiē）降低更換刀具的頻率（lǜ）和加工成本，還可保證工件的尺（chǐ）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（cái）料的硬度，這樣才能減少刀具的磨損（sǔn），例如加工尼龍等硬度較低的工件時，采用鋒（fēng）鋼刀和合金刀兩者的磨損差別（bié）可能不大，但加工 45鋼或其他硬（yìng）度較大（dà）的工件（jiàn）時，合金刀的磨損會明顯小於鋒鋼刀具；為保證刀具的使用（yòng）壽命，還應根（gēn）據待（dài）加工件材料合理選擇刀具材料和切削參數。例如，在加工不（bú）鏽鋼（gāng）工件時，由於不鏽鋼韌性較好，但在加工過程中切削下來（lái）的鐵屑（xiè）容易粘附在（zài）刀刃上，降低了刀具（jù）的切削性能，導致出（chū）現崩刀現象，所以在加（jiā）工不鏽鋼材料時（shí）往往選（xuǎn）用不易崩刀材質的刀具，同（tóng）時（shí）采用小背吃刀量和低進給（gěi）速度加（jiā）工。

1.6 可（kě）更（gèng）換性

在批量加（jiā）工時，更換刀（dāo）具或刀片是不可避免的，為減少更換刀（dāo）具或刀片給加工尺寸和加工效（xiào）率帶來的影響，避免對刀是一個有效的辦法，要求刀具便於更（gèng）換或拆裝，刀片與刀柄要通用化、規格化、係列化、標準化（huà），更換刀具或刀片（piàn）後，刀尖位置不會出（chū）現較大變化，相對刀架要有較高位置精度（dù）。

2、刀（dāo）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（yòng）又主要考慮（lǜ）材料（liào）的三種性能：冷硬性、紅硬性、韌性。冷硬性簡單來說指的（de）是材料（liào）在冷態，即常溫時的硬度，又名耐磨性；紅硬性指刀具在高溫（wēn）時的硬度；韌（rèn）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（yīn）此，刀頭材料除（chú）了足夠的強（qiáng）度、韌性和耐磨（mó）性外，還必須具有較高的紅硬性。常見車刀材（cái）料包括高速鋼、硬質合金、塗層刀具。

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（yìng）度較高（gāo），62 HRC~65 HRC，約為（wéi）45號（hào）鋼（gāng）硬度（dù）的 2.7 倍。具有（yǒu）一定的紅熱硬（yìng）度，耐溫程度可達 560 ℃~600 ℃，韌（rèn）性和加工性能較（jiào）好，高速鋼刀具製（zhì）造簡單，刃磨方便，可根據具（jù）體的（de）加工要（yào）求磨成各（gè）種角度（dù）、形狀的刀具，特別是加工一些成型麵時，其便於磨削成型的優點（diǎn）尤為突出（chū）。高速鋼通過磨削和打磨後，可獲得較為鋒利的（de）刀刃，加工時產（chǎn）生（shēng）的加（jiā）工熱較小，適合用（yòng）於加工塑料類熔點較低的工件。高（gāo）速鋼價（jià）格（gé）便宜，可（kě）反複磨削使用，具有較高的經濟性，可很（hěn）好地控

製使用成本。但因紅硬性不如硬質（zhì）合金，在高速切削時容易磨損，故在加工鋼件時不適用於高速切削，從而導致鋼件表麵加工質量常常不如合金刀具。所以在加工硬度不高、熔點較（jiào）低材料時（shí），比如（rú）尼龍和一些高（gāo）分子材料時，高速鋼刀（dāo）具有明顯的綜合優勢，但在加工較硬材料的工件時盡量不選用高速鋼刀具。

2.1.2硬質（zhì）合金

硬（yìng）質合金由（yóu）難熔材料的碳化鎢、碳（tàn）化鈦和鈷的（de）粉末在高壓下成形，經 1 350 ℃~1 560 ℃ 高（gāo）溫燒（shāo）結而成。具（jù）有極高的硬（yìng）度，常溫下可達 92 HRA，僅次於金剛石。同時紅硬性（xìng）很好，在1 000 ℃左右仍能保持良好的切削性能，具有較高使用強度，抗彎（wān）強度（dù）高達（dá）100 kg/mm3~170 kg/mm3。所以在加工一些硬度高（gāo）的材料時，硬質合金刀具被廣泛應用。硬質合金刀具又分為焊（hàn）接式和機架式：焊接式刀具隻有刀頭部分為硬質合金，其優（yōu）點在於可以如同高速鋼刀具一樣通（tōng）過（guò）磨削得到想要（yào）的形狀或角度，也可（kě）反複打磨使（shǐ）用；其缺點在（zài）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，必須重新（xīn）對刀後方（fāng）可繼續加工，故往往不（bú）適用於批量加工。機架式刀具是將刀頭的（de）切削（xuē）部分製作（zuò）成標準合金刀片，當刀（dāo）片磨損或者損壞時可（kě）直接更換刀片，更換（huàn）刀片後刀尖位置相對於刀台變化不大，隻需簡單調整刀具補償便可繼續加（jiā）工使用；其缺點在於標準合金刀片往往不便於磨削打磨，通常刀（dāo）尖磨損之後隻能報廢，經濟性不如焊接式刀具（jù）。

2.1.3塗層刀具

刀具性能的兩（liǎng）個關鍵指標即硬度和韌性之間似乎總是存在（zài）著矛盾（dùn）關係，硬度高的材料往往韌性低，而要提高韌性往往是以犧（xī）牲硬度為代價。在較軟的刀（dāo）具基體上塗覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金（jīn）屬或非金屬化合物薄膜組（zǔ）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（máo）盾（dùn）。

常用的塗層刀具是（shì）指在高速鋼、硬質合（hé）金或其他（tā）韌性較好材質的（de）刀具表麵進（jìn）行塗層，塗覆具有高硬度、高耐磨性、耐（nài）高溫材料的薄層（céng） [5]。在切削的時候，塗層區形成了一層化學屏障和熱屏障的保護區，減少了（le）刀具材料本身（shēn）與工件直接接觸，從而減少了刀刃的磨損。與未塗層（céng）刀（dāo）具相比，塗層刀具具有表麵硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦因數小和熱（rè）導率低（dī）等優點，切削時比（bǐ）未塗層刀具提高刀具壽命 3~5 倍以上。塗層刀具（jù）根據塗層材料（liào）的不同可（kě）分為 TiC、TiN、Al2O3等塗（tú）層，不同材質（zhì）的塗層硬（yìng）度、韌性（xìng）、耐磨性等性能也存在差異，應根據（jù）不同的加（jiā）工要求選用合適的塗層刀具。例（lì）如，TiCN 基塗層（céng）適於加工普通（tōng）鋼、合金鋼、不鏽鋼和耐磨鑄鐵等材料，用它加（jiā）工工件時的材料切（qiē）除率可提高（gāo） 2~3 倍；CrN 是一種無鈦塗層，適於切削鈦和鈦合金（jīn）、銅、鋁以及其他軟材（cái）料，化學（xué）穩定性好，不產生粘屑問題。

塗層刀具現已被廣泛應用於金屬（shǔ）切削加工（gōng）中。但塗層刀具也（yě）存在一定缺點，由於塗覆材料（liào）覆蓋於刀具表麵，在（zài）提高刀具加工特性（xìng）的同時（shí），一定程度上也降低了刀具刃口的鋒利性，其切削區域產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（róng）點的材料時（shí），這部分熱量有可能使工件的加工表（biǎo）麵出現熱熔（róng）現象（xiàng），會（huì）直接影響工（gōng）件的尺（chǐ）寸精度和表麵質量。

2.2 刀尖圓弧半徑的選擇

製造或刃磨（mó）車刀時，為保護刀尖（jiān），在（zài）其刀尖部分都保（bǎo）留一個刀尖圓弧（hú），它的半徑是一個難以準確測量的數值，常見的半徑值約為0.2 mm~0.8 mm。若以假想（xiǎng）的刀尖位置為（wéi）切（qiē）削點，則在數控車削中編程很簡（jiǎn）單。但因為任何刀具都存在著刀尖圓弧，所（suǒ）以當車（chē）削外圓柱麵或端麵時（shí），刀尖圓弧的大小並（bìng）不（bú）起作用（yòng）。但當車倒角、錐麵、圓（yuán）弧或（huò）曲麵時，將會影響（xiǎng）零件的加工精度，以假想刀尖位（wèi）置編程時會出現過切現象和欠切現（xiàn）象。

不同（tóng）半徑的刀尖圓弧加工性能也不（bú）一樣。刀尖圓弧半徑越小，刀具越鋒利，加工摩擦越小，產生的加工熱（rè）量也就越小，同時可減少加工振動，在提（tí）高了加工表麵質量的同時加工尺寸也越精準（zhǔn）和穩定；但由於刀尖圓弧（hú）半徑越小，刀尖（jiān）越尖細，容易產生磨損，甚至產（chǎn）生崩刀（dāo）現象，壽命也就越短，不適（shì）合大背吃刀量的切削，故常（cháng）用於精加（jiā）工刀具。圓弧半徑過小還會對加工（gōng）表麵質量產生影響，在加工表麵會產生明顯的（de）溝紋，降低加工表麵的質量[6]。

刀尖圓弧半徑越大，切（qiē）削刀尖（jiān）的強度越強，刀尖也就更加（jiā）堅固，更加耐磨損，不易崩刃，可用於大背吃刀量和高進給速度（dù）的切削，有利於提高（gāo）加工效率。但刀尖半徑越（yuè）大，刀具（jù）和工件（jiàn）接觸麵也越大，加工區域的摩擦麵和擠壓力也就越（yuè）大，會產（chǎn）生震顫，不利於保證加工尺寸（cùn）的穩定，故常用於粗加（jiā）工[7]。

2.3 刀尖的角度和形狀

刀具角（jiǎo）度是用來確定刀（dāo）具切削部（bù）分幾（jǐ）何形狀的重要參數。刀片形狀（zhuàng）的選擇，需要綜合考慮加工形態、切削（xuē）刃強度、夾緊強度、經濟性等 [8]。以外圓車刀為例（lì），外圓車刀形狀多種多（duō）樣，包括正（zhèng）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（líng）形 35°、85° 和正三角（jiǎo）形的 60° 這三種刀片尤為常見，它（tā）們（men）雖（suī）都是外圓刀片，均可加工外圓，但它們（men）的加工特點又存在一定差異。

菱形（xíng） 35° 刀片副偏角較大，可減少副切削刃（rèn）和已加工表麵的幹涉，加工（gōng）外圓表麵時適用性廣，可加工非單調性外圓（yuán）輪廓。但菱（líng）形（xíng） 35°刀（dāo）片刀尖較細，切削刃強度較差，不適合長時間承受較大的切（qiē）削（xuē）力，不適合偏（piān）端麵的加工[9]。

菱形 85° 刀（dāo）片切削刃強度較好，可承受較大（dà）的切削力，能同時滿足外麵與端麵的加工，粗、精加工的使用領域廣泛，但由於副偏角較小，不適合加工非單調性輪廓（kuò）的外圓。

正三角形的 60° 刀片性能介於菱形 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（dìng）角（jiǎo）度的副（fù）偏角，可用於部分非（fēi）單（dān）調性外圓的加工 [10]。且正三角形的 60°刀片相比菱（líng）形（xíng）刀片，使（shǐ）用刀（dāo）尖數量也不同：通常菱形刀片單麵隻有兩個刀尖（jiān）可以使用，正三角形的 60° 刀片單麵便具有三個刀尖可以使用，故（gù）正三角形的（de）60°刀片（piàn）利用率高，使用（yòng）成本更低。

3、結語

綜上所述，影響數控車床（chuáng）加工的因素很（hěn）多，包括車床、刀具、程序等多方（fāng）麵因素（sù），需要全麵綜（zōng）合（hé）考量。其中，僅僅車刀的選擇因素便（biàn）遠遠不止以上所（suǒ）分析的幾項，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（gōng）成本，車刀的選擇也需（xū）結合多方麵因素綜合決定，再采用合理的切削參數，才能使加工達到質量最優、速度最快、成本最低的目的。

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