數控車床加工中刀具選用的分析
2024-1-26 來源： 四川（chuān）職業技術學院 作者：蔣毅 ，蔣俊飛
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，選擇刀具時可從車刀的使用要求和（hé）刀具本身特性兩方麵考慮，其中車刀的使用要求（qiú）包（bāo）括強度、經濟（jì）性、適應性、使用壽命、可更換（huàn）性等；車刀的特（tè）性包括（kuò）了刀具材料、刀尖圓弧半徑、刀尖（jiān）的角度和形狀等。課（kè）題組通過對車刀的使用要求和刀具（jù）特性兩方麵的分析，結合實際使用情況，介紹了數（shù）控車床加（jiā）工中刀（dāo）具的應用情況。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，也將影響到加（jiā）工成本，車刀的選擇需結合多方麵因素綜合決定（dìng），再采用合理的（de）切削參數，才能使加工達到質量（liàng）最優（yōu）、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（yī）種（zhǒng）方式，由於零件材料各不（bú）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（què）、合適的車刀有利於（yú）保證加工（gōng）質量的穩定，減（jiǎn）少（shǎo）刀具磨損，降低加工（gōng）成本。選擇合適的刀具，可從車（chē）刀的使用要求和車刀本身特性兩方麵考慮。
1、車刀的使用要求
在刀具切削（xuē）加（jiā）工的過程中工件受到摩擦、變形，刀具（jù）也承（chéng）受著對應的切（qiē）削（xuē）力，刀具的選擇將直接影響工件（jiàn）質量[1]。為保證數控車床的加（jiā）工達到高效、節能、穩定、經濟（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
刀具應有較（jiào）高的強（qiáng）度、較好的（de）剛度和（hé）抗振性能，使加工可以在（zài）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刀具的選擇有較大的（de）限（xiàn）製，深孔切削時常引起（qǐ）刀杆的振動，不（bú）但使切削（xuē）刃磨損，同（tóng）時加工表麵還可能產生振紋，影響加工表麵質量，所以通常小直徑孔切削采用硬質合金（jīn）或（huò）鎢鋼刀杆，中等（děng）以上直徑采用減振刀杆[2]。
1.2 經濟性
刀具應具有較高（gāo）的經濟性，有（yǒu）利於（yú）控製加（jiā）工成本。選擇（zé）刀（dāo）具時，在滿足加工要求的前（qián）提下盡量選用性價比較（jiào）高的刀具。例如，鋒（fēng）鋼材（cái）質的刀具不但價格低廉，而且便於磨削（xuē），可反複磨削（xuē）使用，在滿足加工要求前提下，無需采用合金或其他較為昂貴的刀具，降低加工成本（běn）。
1.3 高精度和較強的適應性
在選用刀具時應根據加工材料的（de）特性選用合適的刀具，所選刀具（jù）應對（duì）加工具（jù）有較強的適應性（xìng），保證加工的（de）精度和質量。例如，加工鋁等韌（rèn）性相（xiàng）對較好的材料時（shí），為（wéi）獲得較好（hǎo）的表麵質量和尺寸精度，應考慮加工時工件與刀具之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分子材料時還應考慮材料（liào）的低熔點特性，在選（xuǎn）用刀具（jù）時應盡量減少加工產生的熱量，避免加工熱量給工（gōng）件表麵帶來的影響。
1.4 滿（mǎn）足（zú）工藝參數的要求
所選刀具能夠滿足切削速度、進給量、背吃刀（dāo）量等方（fāng）麵的工藝要求。在加工時加工效率是一項（xiàng）重（chóng）要參考因素，特別是粗加工時，為盡快在較短時間（jiān）內切削掉應切削部分，往往（wǎng）采用較大的切削速度、進給速度和背吃刀量（liàng）來（lái）有效提高加工效率，縮短加工時（shí）間，在此過程中刀具需承受較大的切削力，這對刀具的材質和刀尖半徑有一定（dìng）的（de）要求[3]。
1.5 使用壽命
刀具（jù）較好的耐磨性及較長的使用（yòng）壽命不但可（kě）直接降低更換刀具的頻率和加工成本，還可保（bǎo）證工件的尺寸穩定和（hé）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，例如加工尼（ní）龍等硬度較低的工（gōng）件時（shí），采用鋒鋼刀和合（hé）金（jīn）刀兩者（zhě）的磨損差別可能不（bú）大，但加工 45鋼或（huò）其（qí）他硬度較大的工（gōng）件時（shí），合金刀的磨損會明顯（xiǎn）小於鋒鋼刀具；為保證（zhèng）刀具的使用壽命，還（hái）應根據待加工件材料合理選擇刀具材料和切削（xuē）參數。例如，在加工不（bú）鏽（xiù）鋼工件時，由於不鏽鋼韌性較好，但在加工過程中切削下來的鐵屑（xiè）容易（yì）粘附在刀刃上，降低了刀具的切（qiē）削性能，導致出現崩刀現象，所（suǒ）以在加（jiā）工不鏽鋼材料時往往選用（yòng）不易崩刀材質的刀具，同時采用小背吃刀量和低進給速度加工。
1.6 可更換（huàn）性
在批量（liàng）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（gōng）效率帶來的影（yǐng）響，避免對刀（dāo）是一個有效的（de）辦法，要求刀具便於更換或（huò）拆裝，刀片與刀柄（bǐng）要通用化（huà）、規格化、係列化、標準化，更換刀具或刀片後，刀尖位置（zhì）不會出現較大變化（huà），相對刀架要（yào）有較高位置精度。
2、刀具的特性
2.1 刀具材料（liào）
加（jiā）工零件材料不同，選用刀具的材料（liào）也不（bú）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。冷硬性簡單來說指的是材料在冷態，即常（cháng）溫時（shí）的硬度，又名耐磨性；紅硬（yìng）性指刀具在高溫時的硬度；韌性指刀具能承受振動和（hé）衝擊載荷的（de）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度、韌性（xìng）和耐（nài）磨性外，還必須具有較高（gāo）的紅硬（yìng）性。常見車刀材料包括高速鋼、硬質合金、塗（tú）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號鋼硬度的 2.7 倍。具有一定（dìng）的紅熱硬度，耐溫程度可達 560 ℃~600 ℃，韌（rèn）性和加工性能較（jiào）好，高速鋼刀具（jù）製（zhì）造簡單，刃磨方便，可根據具體的加工要求磨成各種角度、形狀的（de）刀（dāo）具，特別是（shì）加工一些成（chéng）型麵時，其便於磨削成型的優點尤（yóu）為突出。高速鋼（gāng）通過磨削和打磨後，可獲得較為（wéi）鋒利的刀刃，加工（gōng）時產生的加（jiā）工熱較小，適合（hé）用於加工塑料類熔點較低的工件。高速鋼價格便宜，可（kě）反複磨削使用，具有較高的經（jīng）濟性，可很好地控
製使用成本。但因紅硬性不如硬質合金，在高速切削時容易磨損，故在加工鋼件時不（bú）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、熔點較低（dī）材料時，比如尼龍和一些（xiē）高分子（zǐ）材料時，高速鋼刀具有明顯（xiǎn）的綜合優（yōu）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
硬質合金由難熔材（cái）料的碳化（huà）鎢、碳化鈦和鈷的粉末在高壓（yā）下（xià）成形，經 1 350 ℃~1 560 ℃ 高溫燒結而成。具有極（jí）高的硬度，常溫下可達 92 HRA，僅次於（yú）金剛石。同時（shí）紅硬性很好，在1 000 ℃左右仍能（néng）保持良好的切削性能，具（jù）有較高使用強度，抗彎（wān）強度（dù）高達100 kg/mm3~170 kg/mm3。所以（yǐ）在加工（gōng）一些硬度高的材料時，硬質合金刀具（jù）被廣泛應用。硬質合金刀（dāo）具又（yòu）分為焊接式和機架式：焊接式刀具隻有刀（dāo）頭部（bù）分為硬質合金，其優點在於可以如同（tóng）高速鋼刀具一樣通過磨削得到（dào）想要的形狀（zhuàng）或角度，也可（kě）反複打（dǎ）磨使用；其缺點在（zài）於當刀（dāo）具重新拆裝之後，刀尖相對於刀台的位置發生了變（biàn）化，必須重新對刀後方（fāng）可繼（jì）續（xù）加工，故往往不適用於批量加工。機架式刀具是將刀頭的切削部分製作成（chéng）標準合（hé）金刀片，當（dāng）刀（dāo）片磨損或者損壞（huài）時（shí）可直接更換刀片，更換刀片後（hòu）刀尖位置相對於刀台變化（huà）不大，隻需簡單調整刀具補償便可繼續加工使（shǐ）用；其缺點在於標準合金刀片往往（wǎng）不便（biàn）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。
2.1.3塗層（céng）刀具
刀具性能的兩個關鍵指標即（jí）硬度和韌性之間似乎總是存在著矛盾關係，硬（yìng）度高的材料往往韌性低，而要提高韌性往往是（shì）以犧牲硬度為代價（jià）。在較軟的刀具基體上（shàng）塗覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化（huà）合物薄膜組成的塗層刀具，較好地解決了刀（dāo）具存在的強度和韌性之間的矛盾。
常用的塗層刀具是指在高（gāo）速鋼、硬（yìng）質合（hé）金或其他韌性較（jiào）好材質的刀具（jù）表麵進（jìn）行塗層，塗覆具有高硬度、高耐（nài）磨性、耐高溫材料的（de）薄層 [5]。在切削的時候，塗層區（qū）形成了一層化學屏障和熱屏障的保護（hù）區，減少了（le）刀具材料本（běn）身與工件直接接觸，從而減少了刀刃的磨（mó）損。與未塗（tú）層刀具（jù）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（cā）因數（shù）小和熱導率低等優點（diǎn），切削時（shí）比未塗層刀具（jù）提高刀具壽命 3~5 倍以上。塗層刀具根據塗層材料的不（bú）同可分為 TiC、TiN、Al2O3等塗層，不同材質的塗層硬度、韌性、耐磨性等性能（néng）也存在差異，應根據不同的加工要求（qiú）選（xuǎn）用合適的塗層刀具。例如，TiCN 基塗層（céng）適於（yú）加工普通鋼（gāng）、合金鋼、不鏽（xiù）鋼和耐磨鑄鐵等材料，用它加工工件時的材料切除率可（kě）提高 2~3 倍；CrN 是一種無（wú）鈦塗層（céng），適於切削鈦和鈦（tài）合金、銅、鋁以及其他（tā）軟材料，化學穩定性好，不產生粘屑問題。
塗層刀具現（xiàn）已被廣泛應用於金（jīn）屬切（qiē）削加工中。但塗層刀具也存在一定缺點，由於塗覆材料覆蓋於刀具表麵（miàn），在提高（gāo）刀具加工特性的同時，一定程度上也降低了刀具刃（rèn）口（kǒu）的鋒利性（xìng），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，但在加工一些低熔點的材料時，這部（bù）分熱量有可能（néng）使工件的加工表麵出現熱熔現象，會直接影響工件的尺寸精度和表麵質量。
2.2 刀尖圓（yuán）弧半徑的選擇
製造或刃磨車刀時，為（wéi）保護刀尖，在其刀尖（jiān）部分都保（bǎo）留一個刀（dāo）尖圓（yuán）弧（hú），它的半（bàn）徑是（shì）一個難以準確測量的數（shù）值，常見的半徑值約為0.2 mm~0.8 mm。若以假想的刀尖（jiān）位置為切削點，則在數控車削中編程很（hěn）簡單。但因為任何刀具都（dōu）存在著刀尖圓弧，所以（yǐ）當車削外圓柱麵（miàn）或端麵時，刀尖圓弧（hú）的大小並不起作用。但（dàn）當車倒角、錐麵、圓弧或曲麵時，將會影響零件的加工精（jīng）度，以假想（xiǎng）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。刀尖圓弧半徑越小，刀具越鋒利，加（jiā）工摩擦（cā）越小，產生的加工熱量也就越（yuè）小，同時可減少加工振（zhèn）動，在提高（gāo）了加（jiā）工表（biǎo）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越小（xiǎo），刀尖越尖細（xì），容易產生磨損，甚至產生崩刀現象，壽命也（yě）就越短，不適合（hé）大背吃刀量的切削，故常用於精加工刀具。圓弧（hú）半徑過小還會對加工表麵質量產生影響，在加工（gōng）表麵會產生明顯的溝紋，降低加工表麵的質量[6]。
刀尖圓（yuán）弧半徑越大，切削刀尖的強度越強，刀尖也就更加堅固，更加耐磨損，不（bú）易崩刃，可用於大背吃（chī）刀量（liàng）和高進給（gěi）速度（dù）的切（qiē）削，有利於提高加工（gōng）效（xiào）率。但刀尖半徑越大（dà），刀具和工件接觸麵（miàn）也（yě）越大，加工區域的摩擦（cā）麵和擠壓（yā）力（lì）也就越大，會產生震顫，不利於保證加工尺寸的穩定，故（gù）常用於粗加（jiā）工[7]。
2.3 刀尖的角度和形狀
刀具角度是用來確定刀具（jù）切削部（bù）分幾何（hé）形狀的重（chóng）要參數。刀片形狀的選擇，需要綜合考慮加工形態、切削（xuē）刃強（qiáng）度、夾緊強度、經濟性等 [8]。以外圓車刀為例，外圓車刀形狀多種多（duō）樣，包括正六邊形（xíng）的（de）120°、正方形的90°、正三角形的60°、菱（líng）形35°、55°、85° 等等。其中菱形 35°、85° 和正（zhèng）三角形的 60° 這三（sān）種刀片尤為（wéi）常見，它們雖都（dōu）是外圓刀片，均可加工外圓（yuán），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（dà），可減少副切削刃和已加工表麵的幹涉，加工外圓表麵時適用性廣，可加工非單調性外圓輪廓。但菱形 35°刀片刀尖較（jiào）細，切削刃強度較差，不適合長時間承受較大的（de）切削力，不適合偏端麵的加工[9]。
菱形 85° 刀片切削刃強度較好，可承受較大的切削力，能同時滿足（zú）外麵與端（duān）麵的加工，粗、精加工的使用領域廣泛，但由（yóu）於副偏（piān）角（jiǎo）較小，不適合加工非單調性輪廓的外圓（yuán）。
正三角形的 60° 刀片性能（néng）介於菱形 35° 和 85° 刀片性能之間，它既（jì）有較好強度的切削刃，又有一定（dìng）角度的副（fù）偏角，可用於部分非單（dān）調性外圓的加工 [10]。且正三（sān）角（jiǎo）形的 60°刀片相比菱形刀片，使用刀尖數量也不（bú）同：通常（cháng）菱形刀片單麵隻有兩個刀尖可以使用，正三角形的 60° 刀片單麵便具有三個刀尖可以使用，故正三角形的60°刀片利用（yòng）率高，使用（yòng）成本更（gèng）低（dī）。
3、結語
綜（zōng）上所述，影響數控車床（chuáng）加工的因素很多，包括車床、刀具、程序等多方麵因素，需要全麵綜合考量。其中，僅僅車刀的選擇因素便遠遠（yuǎn）不止以上所分析的幾項，車（chē）刀（dāo）的選擇（zé）合理與（yǔ）否直接影響到刀具使用壽命和加工效率，也將影響（xiǎng）到（dào）加工成（chéng）本，車刀的選擇也需結合多方（fāng）麵因素綜合決（jué）定，再采用合理的切削參數，才能使加工達到質量最優、速（sù）度（dù）最快、成本最（zuì）低的目的。
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