数控车床加工中刀具选用的分析
2024-1-26 来源： 四川职业技术学院 作者：蒋毅 ，蒋俊飞
摘要：数控车床加工中选择正确、合适的刀具可使加工更加经济、稳定，选择刀具时可从车刀的使用要求和刀具本身特性两方面考虑，其中车刀的使用要求包括强度、经济性、适应性、使用寿命、可更换性等；车刀的特性包括了刀具材料、刀尖圆弧半径、刀尖的角度和形状等。课题组通过对车刀的使用要求和刀具特性两方面的分析，结合实际使用情况，介绍了数控车床加工中刀具的应用情况。结果表明，车刀选择的合理与否直接影响到刀具使用寿命和加工效率，也将影响到加工成本，车刀的选择需结合多方面因素综合决定，再采用合理的切削参数，才能使加工达到质量最优、速度最快、成本最低的目的。
关键词：车刀；刀具材料；刚性
数控车床加工作为机械加工中常见的一种方式，由于零件材料各不相同，切削特性存在差异，应根据加工情况选择最合适的刀具。选择正确、合适的车刀有利于保证加工质量的稳定，减少刀具磨损，降低加工成本。选择合适的刀具，可从车刀的使用要求和车刀本身特性两方面考虑。
1、车刀的使用要求
在刀具切削加工的过程中工件受到摩擦、变形，刀具也承受着对应的切削力，刀具的选择将直接影响工件质量[1]。为保证数控车床的加工达到高效、节能、稳定、经济和可快速更换刀具的目的，对数控车床使用的刀具有如下要求。
1.1 刀具的强度和刚性
刀具应有较高的强度、较好的刚度和抗振性能，使加工可以在一个稳定状态进行，否则会直接影响加工质量。例如，在车削内孔时，零件的孔径和长度对刀具的选择有较大的限制，深孔切削时常引起刀杆的振动，不但使切削刃磨损，同时加工表面还可能产生振纹，影响加工表面质量，所以通常小直径孔切削采用硬质合金或钨钢刀杆，中等以上直径采用减振刀杆[2]。
1.2 经济性
刀具应具有较高的经济性，有利于控制加工成本。选择刀具时，在满足加工要求的前提下尽量选用性价比较高的刀具。例如，锋钢材质的刀具不但价格低廉，而且便于磨削，可反复磨削使用，在满足加工要求前提下，无需采用合金或其他较为昂贵的刀具，降低加工成本。
1.3 高精度和较强的适应性
在选用刀具时应根据加工材料的特性选用合适的刀具，所选刀具应对加工具有较强的适应性，保证加工的精度和质量。例如，加工铝等韧性相对较好的材料时，为获得较好的表面质量和尺寸精度，应考虑加工时工件与刀具之间产生的挤压力对表面质量产生的影响；当加工尼龙或其他高分子材料时还应考虑材料的低熔点特性，在选用刀具时应尽量减少加工产生的热量，避免加工热量给工件表面带来的影响。
1.4 满足工艺参数的要求
所选刀具能够满足切削速度、进给量、背吃刀量等方面的工艺要求。在加工时加工效率是一项重要参考因素，特别是粗加工时，为尽快在较短时间内切削掉应切削部分，往往采用较大的切削速度、进给速度和背吃刀量来有效提高加工效率，缩短加工时间，在此过程中刀具需承受较大的切削力，这对刀具的材质和刀尖半径有一定的要求[3]。
1.5 使用寿命
刀具较好的耐磨性及较长的使用寿命不但可直接降低更换刀具的频率和加工成本，还可保证工件的尺寸稳定和表面质量[4]。为减少刀具磨损，刀具的硬度应尽可能大于工件材料的硬度，这样才能减少刀具的磨损，例如加工尼龙等硬度较低的工件时，采用锋钢刀和合金刀两者的磨损差别可能不大，但加工 45钢或其他硬度较大的工件时，合金刀的磨损会明显小于锋钢刀具；为保证刀具的使用寿命，还应根据待加工件材料合理选择刀具材料和切削参数。例如，在加工不锈钢工件时，由于不锈钢韧性较好，但在加工过程中切削下来的铁屑容易粘附在刀刃上，降低了刀具的切削性能，导致出现崩刀现象，所以在加工不锈钢材料时往往选用不易崩刀材质的刀具，同时采用小背吃刀量和低进给速度加工。
1.6 可更换性
在批量加工时，更换刀具或刀片是不可避免的，为减少更换刀具或刀片给加工尺寸和加工效率带来的影响，避免对刀是一个有效的办法，要求刀具便于更换或拆装，刀片与刀柄要通用化、规格化、系列化、标准化，更换刀具或刀片后，刀尖位置不会出现较大变化，相对刀架要有较高位置精度。
2、刀具的特性
2.1 刀具材料
加工零件材料不同，选用刀具的材料也不同。刀具材料选用又主要考虑材料的三种性能：冷硬性、红硬性、韧性。冷硬性简单来说指的是材料在冷态，即常温时的硬度，又名耐磨性；红硬性指刀具在高温时的硬度；韧性指刀具能承受振动和冲击载荷的性能。在切削过程中，刀头必须承受较高的压力和温度。因此，刀头材料除了足够的强度、韧性和耐磨性外，还必须具有较高的红硬性。常见车刀材料包括高速钢、硬质合金、涂层刀具。
2.1.1高速钢
高速钢是一种含钨和铬较多的合金钢，又名白钢、锋钢，硬度较高，62 HRC~65 HRC，约为45号钢硬度的 2.7 倍。具有一定的红热硬度，耐温程度可达 560 ℃~600 ℃，韧性和加工性能较好，高速钢刀具制造简单，刃磨方便，可根据具体的加工要求磨成各种角度、形状的刀具，特别是加工一些成型面时，其便于磨削成型的优点尤为突出。高速钢通过磨削和打磨后，可获得较为锋利的刀刃，加工时产生的加工热较小，适合用于加工塑料类熔点较低的工件。高速钢价格便宜，可反复磨削使用，具有较高的经济性，可很好地控
制使用成本。但因红硬性不如硬质合金，在高速切削时容易磨损，故在加工钢件时不适用于高速切削，从而导致钢件表面加工质量常常不如合金刀具。所以在加工硬度不高、熔点较低材料时，比如尼龙和一些高分子材料时，高速钢刀具有明显的综合优势，但在加工较硬材料的工件时尽量不选用高速钢刀具。
2.1.2硬质合金
硬质合金由难熔材料的碳化钨、碳化钛和钴的粉末在高压下成形，经 1 350 ℃~1 560 ℃ 高温烧结而成。具有极高的硬度，常温下可达 92 HRA，仅次于金刚石。同时红硬性很好，在1 000 ℃左右仍能保持良好的切削性能，具有较高使用强度，抗弯强度高达100 kg/mm3~170 kg/mm3。所以在加工一些硬度高的材料时，硬质合金刀具被广泛应用。硬质合金刀具又分为焊接式和机架式：焊接式刀具只有刀头部分为硬质合金，其优点在于可以如同高速钢刀具一样通过磨削得到想要的形状或角度，也可反复打磨使用；其缺点在于当刀具重新拆装之后，刀尖相对于刀台的位置发生了变化，必须重新对刀后方可继续加工，故往往不适用于批量加工。机架式刀具是将刀头的切削部分制作成标准合金刀片，当刀片磨损或者损坏时可直接更换刀片，更换刀片后刀尖位置相对于刀台变化不大，只需简单调整刀具补偿便可继续加工使用；其缺点在于标准合金刀片往往不便于磨削打磨，通常刀尖磨损之后只能报废，经济性不如焊接式刀具。
2.1.3涂层刀具
刀具性能的两个关键指标即硬度和韧性之间似乎总是存在着矛盾关系，硬度高的材料往往韧性低，而要提高韧性往往是以牺牲硬度为代价。在较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜组成的涂层刀具，较好地解决了刀具存在的强度和韧性之间的矛盾。
常用的涂层刀具是指在高速钢、硬质合金或其他韧性较好材质的刀具表面进行涂层，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层 [5]。在切削的时候，涂层区形成了一层化学屏障和热屏障的保护区，减少了刀具材料本身与工件直接接触，从而减少了刀刃的磨损。与未涂层刀具相比，涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等优点，切削时比未涂层刀具提高刀具寿命 3~5 倍以上。涂层刀具根据涂层材料的不同可分为 TiC、TiN、Al2O3等涂层，不同材质的涂层硬度、韧性、耐磨性等性能也存在差异，应根据不同的加工要求选用合适的涂层刀具。例如，TiCN 基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料，用它加工工件时的材料切除率可提高 2~3 倍；CrN 是一种无钛涂层，适于切削钛和钛合金、铜、铝以及其他软材料，化学稳定性好，不产生粘屑问题。
涂层刀具现已被广泛应用于金属切削加工中。但涂层刀具也存在一定缺点，由于涂覆材料覆盖于刀具表面，在提高刀具加工特性的同时，一定程度上也降低了刀具刃口的锋利性，其切削区域产生的加工热明显增加，刀具本身通常可以承受这种热量，但在加工一些低熔点的材料时，这部分热量有可能使工件的加工表面出现热熔现象，会直接影响工件的尺寸精度和表面质量。
2.2 刀尖圆弧半径的选择
制造或刃磨车刀时，为保护刀尖，在其刀尖部分都保留一个刀尖圆弧，它的半径是一个难以准确测量的数值，常见的半径值约为0.2 mm~0.8 mm。若以假想的刀尖位置为切削点，则在数控车削中编程很简单。但因为任何刀具都存在着刀尖圆弧，所以当车削外圆柱面或端面时，刀尖圆弧的大小并不起作用。但当车倒角、锥面、圆弧或曲面时，将会影响零件的加工精度，以假想刀尖位置编程时会出现过切现象和欠切现象。
不同半径的刀尖圆弧加工性能也不一样。刀尖圆弧半径越小，刀具越锋利，加工摩擦越小，产生的加工热量也就越小，同时可减少加工振动，在提高了加工表面质量的同时加工尺寸也越精准和稳定；但由于刀尖圆弧半径越小，刀尖越尖细，容易产生磨损，甚至产生崩刀现象，寿命也就越短，不适合大背吃刀量的切削，故常用于精加工刀具。圆弧半径过小还会对加工表面质量产生影响，在加工表面会产生明显的沟纹，降低加工表面的质量[6]。
刀尖圆弧半径越大，切削刀尖的强度越强，刀尖也就更加坚固，更加耐磨损，不易崩刃，可用于大背吃刀量和高进给速度的切削，有利于提高加工效率。但刀尖半径越大，刀具和工件接触面也越大，加工区域的摩擦面和挤压力也就越大，会产生震颤，不利于保证加工尺寸的稳定，故常用于粗加工[7]。
2.3 刀尖的角度和形状
刀具角度是用来确定刀具切削部分几何形状的重要参数。刀片形状的选择，需要综合考虑加工形态、切削刃强度、夹紧强度、经济性等 [8]。以外圆车刀为例，外圆车刀形状多种多样，包括正六边形的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° 这三种刀片尤为常见，它们虽都是外圆刀片，均可加工外圆，但它们的加工特点又存在一定差异。
菱形 35° 刀片副偏角较大，可减少副切削刃和已加工表面的干涉，加工外圆表面时适用性广，可加工非单调性外圆轮廓。但菱形 35°刀片刀尖较细，切削刃强度较差，不适合长时间承受较大的切削力，不适合偏端面的加工[9]。
菱形 85° 刀片切削刃强度较好，可承受较大的切削力，能同时满足外面与端面的加工，粗、精加工的使用领域广泛，但由于副偏角较小，不适合加工非单调性轮廓的外圆。
正三角形的 60° 刀片性能介于菱形 35° 和 85° 刀片性能之间，它既有较好强度的切削刃，又有一定角度的副偏角，可用于部分非单调性外圆的加工 [10]。且正三角形的 60°刀片相比菱形刀片，使用刀尖数量也不同：通常菱形刀片单面只有两个刀尖可以使用，正三角形的 60° 刀片单面便具有三个刀尖可以使用，故正三角形的60°刀片利用率高，使用成本更低。
3、结语
综上所述，影响数控车床加工的因素很多，包括车床、刀具、程序等多方面因素，需要全面综合考量。其中，仅仅车刀的选择因素便远远不止以上所分析的几项，车刀的选择合理与否直接影响到刀具使用寿命和加工效率，也将影响到加工成本，车刀的选择也需结合多方面因素综合决定，再采用合理的切削参数，才能使加工达到质量最优、速度最快、成本最低的目的。
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