數控車床加工中刀具選用的分析
2024-1-26 來源： 四川職業技術學院 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刀具本身特性兩方面考慮，其中車刀的使用要求包括強度、經濟性、適應性、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。課題組通過對車刀的使用要求和刀具特性兩方面的分析，結合實際使用情況，介紹了數控車床加工中刀具的應用情況。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，也將影響到加工成本，車刀的選擇需結合多方面因素綜合決定，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。
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，由于零件材料各不相同，切削特性存在差異，應根據加工情況選擇最合適的刀具。選擇正確、合適的車刀有利于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程中工件受到摩擦、變形，刀具也承受著對應的切削力，刀具的選擇將直接影響工件質量[1]。為保證數控車床的加工達到高效、節能、穩定、經濟和可快速更換刀具的目的，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
刀具應有較高的強度、較好的剛度和抗振性能，使加工可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刀具的選擇有較大的限制，深孔切削時常引起刀桿的振動，不但使切削刃磨損，同時加工表面還可能產生振紋，影響加工表面質量，所以通常小直徑孔切削采用硬質合金或鎢鋼刀桿，中等以上直徑采用減振刀桿[2]。
1.2 經濟性
刀具應具有較高的經濟性，有利于控制加工成本。選擇刀具時，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，鋒鋼材質的刀具不但價格低廉，而且便于磨削，可反復磨削使用，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。
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，為獲得較好的表面質量和尺寸精度，應考慮加工時工件與刀具之間產生的擠壓力對表面質量產生的影響；當加工尼龍或其他高分子材料時還應考慮材料的低熔點特性，在選用刀具時應盡量減少加工產生的熱量，避免加工熱量給工件表面帶來的影響。
1.4 滿足工藝參數的要求
所選刀具能夠滿足切削速度、進給量、背吃刀量等方面的工藝要求。在加工時加工效率是一項重要參考因素，特別是粗加工時，為盡快在較短時間內切削掉應切削部分，往往采用較大的切削速度、進給速度和背吃刀量來有效提高加工效率，縮短加工時間，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刀具的頻率和加工成本，還可保證工件的尺寸穩定和表面質量[4]。為減少刀具磨損，刀具的硬度應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，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，合金刀的磨損會明顯小于鋒鋼刀具；為保證刀具的使用壽命，還應根據待加工件材料合理選擇刀具材料和切削參數。例如，在加工不銹鋼工件時，由于不銹鋼韌性較好，但在加工過程中切削下來的鐵屑容易粘附在刀刃上，降低了刀具的切削性能，導致出現崩刀現象，所以在加工不銹鋼材料時往往選用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的影響，避免對刀是一個有效的辦法，要求刀具便于更換或拆裝，刀片與刀柄要通用化、規格化、系列化、標準化，更換刀具或刀片后，刀尖位置不會出現較大變化，相對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。冷硬性簡單來說指的是材料在冷態，即常溫時的硬度，又名耐磨性；紅硬性指刀具在高溫時的硬度；韌性指刀具能承受振動和沖擊載荷的性能。在切削過程中，刀頭必須承受較高的壓力和溫度。因此，刀頭材料除了足夠的強度、韌性和耐磨性外，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、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號鋼硬度的 2.7 倍。具有一定的紅熱硬度，耐溫程度可達 560 ℃~600 ℃，韌性和加工性能較好，高速鋼刀具制造簡單，刃磨方便，可根據具體的加工要求磨成各種角度、形狀的刀具，特別是加工一些成型面時，其便于磨削成型的優點尤為突出。高速鋼通過磨削和打磨后，可獲得較為鋒利的刀刃，加工時產生的加工熱較小，適合用于加工塑料類熔點較低的工件。高速鋼價格便宜，可反復磨削使用，具有較高的經濟性，可很好地控
制使用成本。但因紅硬性不如硬質合金，在高速切削時容易磨損，故在加工鋼件時不適用于高速切削，從而導致鋼件表面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，但在加工較硬材料的工件時盡量不選用高速鋼刀具。
2.1.2硬質合金
硬質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 1 350 ℃~1 560 ℃ 高溫燒結而成。具有極高的硬度，常溫下可達 92 HRA，僅次于金剛石。同時紅硬性很好，在1 000 ℃左右仍能保持良好的切削性能，具有較高使用強度，抗彎強度高達100 kg/mm3~170 kg/mm3。所以在加工一些硬度高的材料時，硬質合金刀具被廣泛應用。硬質合金刀具又分為焊接式和機架式：焊接式刀具只有刀頭部分為硬質合金，其優點在于可以如同高速鋼刀具一樣通過磨削得到想要的形狀或角度，也可反復打磨使用；其缺點在于當刀具重新拆裝之后，刀尖相對于刀臺的位置發生了變化，必須重新對刀后方可繼續加工，故往往不適用于批量加工。機架式刀具是將刀頭的切削部分制作成標準合金刀片，當刀片磨損或者損壞時可直接更換刀片，更換刀片后刀尖位置相對于刀臺變化不大，只需簡單調整刀具補償便可繼續加工使用；其缺點在于標準合金刀片往往不便于磨削打磨，通常刀尖磨損之后只能報廢，經濟性不如焊接式刀具。
2.1.3涂層刀具
刀具性能的兩個關鍵指標即硬度和韌性之間似乎總是存在著矛盾關系，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。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度和韌性之間的矛盾。
常用的涂層刀具是指在高速鋼、硬質合金或其他韌性較好材質的刀具表面進行涂層，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層 [5]。在切削的時候，涂層區形成了一層化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。與未涂層刀具相比，涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦因數小和熱導率低等優點，切削時比未涂層刀具提高刀具壽命 3~5 倍以上。涂層刀具根據涂層材料的不同可分為 TiC、TiN、Al2O3等涂層，不同材質的涂層硬度、韌性、耐磨性等性能也存在差異，應根據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，用它加工工件時的材料切除率可提高 2~3 倍；CrN 是一種無鈦涂層，適于切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其他軟材料，化學穩定性好，不產生粘屑問題。
涂層刀具現已被廣泛應用于金屬切削加工中。但涂層刀具也存在一定缺點，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，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，但在加工一些低熔點的材料時，這部分熱量有可能使工件的加工表面出現熱熔現象，會直接影響工件的尺寸精度和表面質量。
2.2 刀尖圓弧半徑的選擇
制造或刃磨車刀時，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，常見的半徑值約為0.2 mm~0.8 mm。若以假想的刀尖位置為切削點，則在數控車削中編程很簡單。但因為任何刀具都存在著刀尖圓弧，所以當車削外圓柱面或端面時，刀尖圓弧的大小并不起作用。但當車倒角、錐面、圓弧或曲面時，將會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。刀尖圓弧半徑越小，刀具越鋒利，加工摩擦越小，產生的加工熱量也就越小，同時可減少加工振動，在提高了加工表面質量的同時加工尺寸也越精準和穩定；但由于刀尖圓弧半徑越小，刀尖越尖細，容易產生磨損，甚至產生崩刀現象，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。圓弧半徑過小還會對加工表面質量產生影響，在加工表面會產生明顯的溝紋，降低加工表面的質量[6]。
刀尖圓弧半徑越大，切削刀尖的強度越強，刀尖也就更加堅固，更加耐磨損，不易崩刃，可用于大背吃刀量和高進給速度的切削，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，加工區域的摩擦面和擠壓力也就越大，會產生震顫，不利于保證加工尺寸的穩定，故常用于粗加工[7]。
2.3 刀尖的角度和形狀
刀具角度是用來確定刀具切削部分幾何形狀的重要參數。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，它們雖都是外圓刀片，均可加工外圓，但它們的加工特點又存在一定差異。
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，加工外圓表面時適用性廣，可加工非單調性外圓輪廓。但菱形 35°刀片刀尖較細，切削刃強度較差，不適合長時間承受較大的切削力，不適合偏端面的加工[9]。
菱形 85° 刀片切削刃強度較好，可承受較大的切削力，能同時滿足外面與端面的加工，粗、精加工的使用領域廣泛，但由于副偏角較小，不適合加工非單調性輪廓的外圓。
正三角形的 60° 刀片性能介于菱形 35° 和 85° 刀片性能之間，它既有較好強度的切削刃，又有一定角度的副偏角，可用于部分非單調性外圓的加工 [10]。且正三角形的 60°刀片相比菱形刀片，使用刀尖數量也不同：通常菱形刀片單面只有兩個刀尖可以使用，正三角形的 60° 刀片單面便具有三個刀尖可以使用，故正三角形的60°刀片利用率高，使用成本更低。
3、結語
綜上所述，影響數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遠不止以上所分析的幾項，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，也將影響到加工成本，車刀的選擇也需結合多方面因素綜合決定，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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