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數控（kòng）車床加工中刀（dāo）具選用的分析

2024-1-26 來源：四川職業技（jì）術（shù）學院作者：蔣（jiǎng）毅，蔣俊飛

摘（zhāi）要（yào）：數控車床加工中（zhōng）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（tè）性兩方麵考慮，其中車刀的使用要求包括強度、經濟性、適應性、使用（yòng）壽（shòu）命、可更換性等；車刀（dāo）的（de）特性（xìng）包括（kuò）了刀具材料（liào）、刀尖圓弧半徑、刀尖的角度和形狀等。課題組通（tōng）過（guò）對車刀的使用要求和刀具特性（xìng）兩方麵的分析，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（míng），車刀選擇的合理與否直（zhí）接影響到刀具使（shǐ）用壽命和加工效率，也將影（yǐng）響到加工成本，車刀的選擇需結合多方麵（miàn）因（yīn）素綜合（hé）決定，再采用合理的切削參數，才（cái）能使（shǐ）加工（gōng）達到質量最（zuì）優、速度最快、成本（běn）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（bú）相同，切削特性存在差（chà）異（yì），應根據加工情況選擇最合適的（de）刀具（jù）。選擇正確、合（hé）適（shì）的車刀（dāo）有利於保證加（jiā）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（cóng）車刀的使用要求和車刀本身特性兩方麵考慮。

1、車刀的使用（yòng）要求

在刀具切削加工的（de）過程中工件受到摩（mó）擦、變形，刀具也承受著對應的切削力，刀具的選擇將直（zhí）接影響工件質量（liàng）[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（sù）更換刀具的目的，對數控（kòng）車床使（shǐ）用（yòng）的刀具有（yǒu）如下要求。

1.1 刀具的強度和剛性

刀具應有較高的強（qiáng）度、較好的剛（gāng）度和抗振（zhèn）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（xuǎn）擇有較大的（de）限製，深孔切削時常引起刀杆的振動，不但使切削刃磨損，同時（shí）加工表麵（miàn）還可能產生振紋，影響加（jiā）工（gōng）表麵質量，所以通常小直徑孔切（qiē）削采用硬質合金或鎢鋼刀杆，中等以上直徑采用減振（zhèn）刀杆[2]。

1.2 經濟性（xìng）

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

1.3 高（gāo）精度和較強的（de）適應（yīng）性

在選用刀具時應根據加工材料的特性選（xuǎn）用合（hé）適的刀具，所選刀具應對加工具有（yǒu）較（jiào）強（qiáng）的適應性，保證加工的精度和質量。例如，加工鋁（lǚ）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（jiā）工時工件與刀具之間產生的（de）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（liào）時還應考慮材料的低（dī）熔點特性，在選用刀具時應盡量減少加工產生的（de）熱量，避免加（jiā）工熱量給（gěi）工件表麵帶來的影（yǐng）響。

1.4 滿（mǎn）足工藝參數的要求

所（suǒ）選刀具能夠滿足切削速度（dù）、進給量、背吃刀量（liàng）等方麵的工藝要求。在加工（gōng）時加工效率是一項（xiàng）重（chóng）要參考因（yīn）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（sù）度、進給速度和背吃刀（dāo）量來有效提高加工效率，縮短加工（gōng）時間，在此過程中刀具需承受較大的切削（xuē）力，這對刀具的材（cái）質和刀尖半徑有一（yī）定的要求[3]。

1.5 使用壽（shòu）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麵質量[4]。為減少刀具（jù）磨損，刀具的硬度應盡可能大於工（gōng）件材（cái）料的（de）硬（yìng）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（jiàn）時，合金刀的磨損會明顯小於鋒鋼（gāng）刀具；為保證刀具的使用（yòng）壽命，還應根據待加工件（jiàn）材料合理選擇刀具材料和切削（xuē）參數。例（lì）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，降低了刀具的切削性能，導致出現崩刀現象，所以在加工不鏽鋼材料（liào）時往往選用不易崩（bēng）刀材（cái）質的刀具，同（tóng）時采用小背吃刀量（liàng）和低進給（gěi）速（sù）度加工。

1.6 可更換性

在批量加工時，更換刀具（jù）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，要求刀具便於更換（huàn）或拆裝，刀片與刀柄要通用化、規格化、係列化、標準化，更換（huàn）刀具或刀片後（hòu），刀尖位（wèi）置不會出（chū）現較大變化，相對刀架要有較高位置精度。

2、刀（dāo）具（jù）的特性（xìng）

2.1 刀具材料

加工零件（jiàn）材（cái）料不同，選用刀（dāo）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（yìng）性簡單來說指（zhǐ）的是材料在冷態，即常溫時的（de）硬度，又名耐磨性；紅硬性指刀具在高溫時的硬度；韌性指（zhǐ）刀具能承受振動（dòng）和衝擊（jī）載荷的性能。在切削過（guò）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（rèn）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（gāo）速鋼、硬質合金、塗層刀具。

2.1.1高（gāo）速（sù）鋼（gāng）

高速鋼是一種（zhǒng）含鎢（wū）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（wēn）程度可達 560 ℃~600 ℃，韌性和加工性能較好，高速鋼刀具製造簡單（dān），刃磨方（fāng）便，可根據具體的加（jiā）工要求磨成（chéng）各種角度、形狀的刀具，特別是加工一些成型麵時，其便於磨削成型（xíng）的（de）優點尤為突出。高速鋼通過磨削和打磨後，可獲得（dé）較為鋒利的刀（dāo）刃，加（jiā）工時產生的加工熱較小，適合用於加工塑（sù）料類熔點較低的工（gōng）件。高（gāo）速鋼價格便宜，可反（fǎn）複磨削使用（yòng），具有（yǒu）較高的經濟性，可很好地控

製（zhì）使用成（chéng）本（běn）。但因紅硬（yìng）性不如硬質合金（jīn），在高速（sù）切削時容易磨損，故（gù）在加（jiā）工鋼件時不適（shì）用於高速切削，從而導致鋼（gāng）件（jiàn）表麵加（jiā）工質量常常不如合金刀具。所以在加工硬度不高、熔（róng）點較低材料時，比如尼龍和一些高（gāo）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（de）工件時盡量不選用高速鋼刀具。

2.1.2硬質合金

硬質合金（jīn）由（yóu）難熔（róng）材料的碳化鎢、碳化鈦和鈷的粉末在高壓下成形（xíng），經 1 350 ℃~1 560 ℃ 高溫燒結而成。具有（yǒu）極高的硬度，常溫下可達 92 HRA，僅次（cì）於金剛石。同時紅硬性很好，在1 000 ℃左右仍能保持良好的切削性（xìng）能，具有較高使用強度，抗彎強度高達（dá）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。硬質合金刀具又分為焊接式和機架式：焊接式刀具隻有刀頭部分為硬質合金，其優點在於可以如同高（gāo）速鋼刀具一樣通過磨削得到（dào）想要的形狀或（huò）角（jiǎo）度，也可反複打磨使用（yòng）；其缺（quē）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，必須重新對刀後方可繼續加工，故往往不適用於批量加工。機（jī）架式刀具是將刀頭的切削部分製作成標準合金（jīn）刀片，當刀片磨損（sǔn）或（huò）者損壞時可直接更換刀片，更換刀（dāo）片後刀尖位置相對於刀台變化不大，隻需簡（jiǎn）單調整刀具補償（cháng）便可繼（jì）續加工使（shǐ）用；其缺點在於標準合金刀（dāo）片往往不便於磨（mó）削打（dǎ）磨，通常刀尖磨（mó）損之後隻能報廢，經濟（jì）性不如（rú）焊接式（shì）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性之間似乎總是存在（zài）著矛盾關係，硬（yìng）度高的材料往往韌性低，而要提高韌性（xìng）往（wǎng）往是以犧牲（shēng）硬度（dù）為代價。在較軟的刀具基體上塗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塗（tú）層刀具，較好地解（jiě）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在高（gāo）速鋼、硬質合金或其他韌性較好材質的刀具表麵進行塗（tú）層，塗覆具有（yǒu）高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層（céng） [5]。在切削的時候，塗層區形成了一層化學（xué）屏障和熱屏障（zhàng）的保護區，減少了（le）刀具材料本身與工件直接接觸，從而（ér）減少了刀刃的磨損。與（yǔ）未塗層刀具相比，塗層刀具具有表麵硬度（dù）高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦因（yīn）數小和熱導率低等優點，切削時比未塗層刀具提高刀具壽命 3~5 倍以上。塗層刀具根據塗層材料的不同可分為 TiC、TiN、Al2O3等塗層，不同材質的塗層硬度、韌性（xìng）、耐磨性等性能（néng）也存（cún）在差（chà）異，應根據不同的加工要求選用合適的塗層刀具。例如（rú），TiCN 基塗層適於加工普通鋼、合金鋼（gāng）、不鏽鋼和（hé）耐磨鑄鐵等材（cái）料，用它加工工件時的材（cái）料切除（chú）率可提高 2~3 倍；CrN 是一種無鈦（tài）塗層，適於切削鈦（tài）和鈦合金、銅、鋁以及其他軟材料，化學穩定性好，不產生（shēng）粘屑問題。

塗層刀具現已（yǐ）被廣泛應用於金屬（shǔ）切削加工中。但塗層刀具也存在（zài）一定缺點（diǎn），由於塗覆材料（liào）覆蓋於刀具表麵，在（zài）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（zhǒng）熱量，但在加工（gōng）一些低熔點的材（cái）料時，這部分熱量有可能使工件（jiàn）的加工表麵出現熱熔現象，會直接影響工（gōng）件的（de）尺寸精度和表麵質量。

2.2 刀尖圓弧半徑的選（xuǎn）擇

製造或刃磨車刀時，為保護刀尖，在其（qí）刀尖（jiān）部分都保（bǎo）留一個刀尖圓弧，它的半徑是一個（gè）難以準（zhǔn）確測量的數（shù）值，常見的半徑（jìng）值約（yuē）為0.2 mm~0.8 mm。若以假想的刀尖位（wèi）置（zhì）為切削點，則在（zài）數控車（chē）削中編程很簡單（dān）。但因（yīn）為任何刀具都（dōu）存在著刀（dāo）尖圓弧，所以（yǐ）當車削外圓柱（zhù）麵或端麵時，刀尖圓弧的大小（xiǎo）並不起作用。但當車倒角、錐麵、圓弧或曲（qǔ）麵時，將會影響零件的（de）加工（gōng）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（tóng）半徑的刀尖圓弧加工性能也不（bú）一樣。刀尖（jiān）圓（yuán）弧半徑越小，刀具越鋒利，加工摩擦越小，產（chǎn）生的加工熱量也就越（yuè）小，同時可減少加工振動（dòng），在提高了加工表麵質量的同時加工尺寸也越精準（zhǔn）和（hé）穩定；但由於刀尖圓弧半徑越小，刀尖越尖細，容易產（chǎn）生磨損，甚至產生崩刀現象，壽命（mìng）也就越短，不適合（hé）大背吃刀量的切削，故（gù）常用於精（jīng）加工刀具。圓弧（hú）半徑過小還會對加工表麵質量產生影響（xiǎng），在加工表麵會產（chǎn）生明顯的溝紋，降低加工表麵的質（zhì）量[6]。

刀尖圓（yuán）弧半徑越大，切削刀尖的強度越（yuè）強，刀尖也就更加堅固，更加耐磨損，不易崩刃，可用於大背吃刀量和高進給速度的切削，有利於提高加工效率。但刀尖（jiān）半徑越（yuè）大，刀具（jù）和工件接（jiē）觸（chù）麵也越大，加工區域的摩擦麵和擠壓力也就（jiù）越大，會產生震顫，不（bú）利於保證加工尺寸的穩定，故（gù）常用於粗加工[7]。

2.3 刀（dāo）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（jiā）工形態、切削刃強度、夾緊強度、經濟性等 [8]。以外圓車刀為（wéi）例，外（wài）圓車刀形狀多種多樣，包括正六邊形的（de）120°、正方形的（de）90°、正三角形的60°、菱形35°、55°、85° 等（děng）等（děng）。其中（zhōng）菱形（xíng） 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（dāo）片，均可加工外（wài）圓，但它們的加工特點又（yòu）存在一定差異。

菱形（xíng） 35° 刀片副偏角較大（dà），可減（jiǎn）少副切削刃和已加工表麵（miàn）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（piàn）刀尖較細，切削刃強度較差，不適合長時間承受（shòu）較大的切削力，不適合偏端麵的加工[9]。

菱形 85° 刀片切削刃強（qiáng）度較好，可承受較大的切削力，能同時滿（mǎn）足外麵與端麵的加工，粗、精（jīng）加工的使用領域廣（guǎng）泛，但由於副偏（piān）角較小，不適合加工非單調性輪廓的外圓。

正（zhèng）三角形的 60° 刀片（piàn）性能介於菱形 35° 和 85° 刀片性能之間，它既（jì）有較好強度（dù）的切削刃，又有（yǒu）一定角度的副偏角，可用於部（bù）分非單調（diào）性外圓的加工 [10]。且正三角形（xíng）的 60°刀片相（xiàng）比菱形刀（dāo）片，使用刀尖數量也不同：通常菱形（xíng）刀片單麵隻有兩個刀（dāo）尖（jiān）可以使用，正三角形的 60° 刀片單麵便具有三（sān）個刀尖（jiān）可以使用，故正三角形的60°刀片利（lì）用率高，使用成本更低。

3、結語

綜上所述（shù），影（yǐng）響數控車床加工的因素很多，包括車床、刀具、程序等多方麵因（yīn）素，需要全（quán）麵綜合（hé）考量（liàng）。其中，僅僅車刀的選擇因素便遠（yuǎn）遠不止以上所分析的幾項，車刀的選擇合理與（yǔ）否直（zhí）接影響（xiǎng）到刀具使用壽命和加（jiā）工效率，也將影響到加（jiā）工成本，車刀的選擇也需結合多方麵因素綜合決定，再采用合理的切削（xuē）參數，才能使加工達到質量最優、速度最快（kuài）、成本最低的目的（de）。

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