合理選用刀具及切削用量方法研究

蔡紅軍

（陜西烽火電子股份有限公司，陜西 寶雞 721006）

數(shù)控加工中心等數(shù)控設(shè)備因自動化程度高、加工效率高、零件表面精度高等先進(jìn)性廣泛地應(yīng)用于制造工業(yè)。眾多用戶配備了大量的配套刀具，卻往往因經(jīng)驗(yàn)不足未依據(jù)工件圖紙技術(shù)要求，合理選用加工刀具的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形狀及適當(dāng)?shù)募庸し椒?，?dǎo)致加工效率不高，使數(shù)控加工優(yōu)越性喪失。刀具和切削是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，掌握刀具的應(yīng)用技術(shù)需要不斷實(shí)踐和積累，在實(shí)踐-分析-改進(jìn)的循環(huán)過程中，試驗(yàn)研究、總結(jié)提高，最終充分發(fā)揮刀具和設(shè)備的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)高效加工。

1 刀具材質(zhì)及選擇

刀具切削性能的好壞取決于眾多因素。從刀具本身來講，構(gòu)成刀具切削性能的內(nèi)在因素是刀具材質(zhì)、涂層、切削刃幾何形狀及其整體結(jié)構(gòu)。刀具材質(zhì)是基礎(chǔ)，是關(guān)鍵；涂層是提高和改善刀具性能的配套技術(shù)；幾何形狀賦予刀具材料以切削功能；刀具結(jié)構(gòu)是刀具實(shí)現(xiàn)切削所必需的組成部分。

數(shù)控刀具主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、涂層刀具材質(zhì)和超硬刀具材質(zhì)（PCD、PCBN）。高速鋼刀具具有優(yōu)良的綜合性能，且制造工藝簡單、易磨出鋒利的切削刃、對機(jī)床專項(xiàng)要求不高，因此是孔加工刀具、銑刀、螺紋刀具等的主要刀坯材料。目前，新型高性能高速鋼制作的各種刀具，大量用于各種高強(qiáng)度鋼和鑄鐵、合金結(jié)構(gòu)鋼、耐熱合金鋼、不銹鋼、鈦合金、整體鋁合金等材料加工。

硬質(zhì)合金的硬度、耐熱性、耐磨性大幅度提高，使切削效率數(shù)倍提高。其適合制作大多數(shù)刀具，加工各種工件材料。國際標(biāo)準(zhǔn)中把硬質(zhì)合金刀具分為P、K、M（分別對應(yīng)國內(nèi)分類號YT、YG、YW）三大類。P類適于加工長切屑的黑色金屬，如各種鋼材；K類適于加工短切屑的黑色金屬，如鑄鐵，及有色金屬和非金屬材料；M類綜合性能好，適于加工長或短切屑的黑色金屬和有色金屬，如不銹鋼、耐熱合金。隨著細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀具材質(zhì)的開發(fā)，高速鋼材料用量逐漸減少，硬質(zhì)合金刀具成為應(yīng)用面最廣的主要刀具材質(zhì)。

陶瓷、涂層和超硬材質(zhì)刀具各占某種優(yōu)良性能，但可制作的刀具有一定局限性。用戶需要時(shí)可進(jìn)行專項(xiàng)了解。

選擇刀具材質(zhì)主要依據(jù)4個(gè)方面。

（1）根據(jù)加工對象的力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能：各種工件材料在切削時(shí)的特殊性要求不同的刀具材質(zhì)與之匹配。刀具材質(zhì)與工件材料的關(guān)系，有關(guān)資料手冊中有表格可供查閱。

（2）根據(jù)工序類別是粗加工、半精加工還是精加工：粗加工選取強(qiáng)度和韌性好的或在同類材質(zhì)中選強(qiáng)度和韌性好的牌號；半精加工、精加工則選取硬度高、耐磨性好的。硬質(zhì)合金刀具則選取對應(yīng)牌號或細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒牌號。

（3）考慮工藝系統(tǒng)剛性、對刀具可靠性的要求及有無冷卻等因素：工藝系統(tǒng)剛性差的或可靠性要求高的或加工時(shí)澆注冷卻液的場合，應(yīng)選取強(qiáng)度和韌性好的刀具材質(zhì)。

（4）考慮涂層對刀具材質(zhì)的改性作用:根據(jù)涂層特性及推薦牌號應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行選擇。

2 刀具結(jié)構(gòu)選擇

被加工零件的結(jié)構(gòu)、材料、工序類別等因素千變?nèi)f化，造成了刀具結(jié)構(gòu)的多樣性和合理選用的必要性。有些刀具結(jié)構(gòu)的選擇與加工對象有清晰的對應(yīng)關(guān)系，如加工平面要選面銑刀；此類刀具選用的重點(diǎn)在于刀具材質(zhì)、幾何參數(shù)及刀片裝夾方式。以立銑刀為例，其結(jié)構(gòu)上的差異主要有五方面。

（1）端頭和倒角形狀：平頭銑刀分尖角、倒角或倒圓角，分別用于對加工面清根的不同要求并改善轉(zhuǎn)角處的承載能力；另有球頭銑刀，用于成型表面加工。

（2）端刃結(jié)構(gòu)：分有端刃和無端刃，多數(shù)立銑刀都有端刃，既可加工周邊又可加工臺階。有端刃立銑刀又分為過中心和不過中心端刃，過中心端刃立銑刀可在三個(gè)方向進(jìn)刀，銑封閉的槽或窩。

（3）螺旋角：立銑刀的螺旋角可以增加參與工作切削刃的長度，減少刀齒切入、切出時(shí)的振動。螺旋角還能加大刀齒實(shí)際工作的前角，提高刀具鋒利程度，起到刃傾角的作用。一般應(yīng)選用大的螺旋角（30°~45°）。但在加工短切屑的脆性材質(zhì)或硬度較高材質(zhì)時(shí)，為增加刀齒強(qiáng)度，宜選用較小螺旋角。也有變螺旋角立銑刀，可顯著增加銑削平穩(wěn)性，從而加大進(jìn)給速度。

（4）齒數(shù)：通常立銑刀為2~4齒。齒數(shù)少，齒槽寬，容屑空間大，利于排屑，但切削平穩(wěn)性和加工效率不及多齒的；用于精加工和硬切削的立銑刀，因切削厚度小，可減小容屑空間，增加齒數(shù)，提高刀具剛性，使切削平穩(wěn)，增強(qiáng)加工表面質(zhì)量，也提高刀具切削效率。

（5）不等分齒結(jié)構(gòu)：可進(jìn)一步減小切削時(shí)的振動。粗加工時(shí)，立銑刀的切削刃可做成后波形刃，或分段成苞米齒，也有把切削刃做成前波形刃，前者用于提高切削效率，后者適用于加工鈦合金，使切削輕快。

3 切削用量

面對具體零件及工件材質(zhì)和已選定刀具、機(jī)床以及其它必要的工藝裝備，繼而需要設(shè)定切削條件。切削條件包括切削用量（v、f、ap）、切削液、刀具裝夾等因素，切削用量合理與否直接關(guān)系到加工效率、加工成本、加工質(zhì)量。

（1）背吃刀量ap：切削用量三要素中，通常先依據(jù)加工余量確選定背吃刀量ap，后考慮工件材質(zhì)、刀具材質(zhì)、機(jī)床和工序等具體工藝因素，對余量做合理分配。粗加工時(shí)應(yīng)盡可能取大ap值，減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)率。但加大ap使切削力增加，因此ap增大應(yīng)受機(jī)床功率和系統(tǒng)剛性的限制。在半精加工或精加工時(shí)，余量應(yīng)取較小ap值，以減小切削力和系統(tǒng)變形，延長刀具壽命，保證加工質(zhì)量，但對于加工硬化傾向嚴(yán)重的材質(zhì)，最小背吃刀量應(yīng)超過硬化層深度。

（2）進(jìn)給量f：進(jìn)給量f對刀具壽命的影響比背吃刀量大，但比切削速度小。其主要根據(jù)工件材質(zhì)的強(qiáng)度、硬度、刀具材質(zhì)類別、加工工序等因素按經(jīng)驗(yàn)值、參考值選取。

（3）切削速度v：選定了背吃刀量和進(jìn)給量之后，切削速度v可根據(jù)刀具壽命計(jì)算得到，并可通過“在最低加工成本下獲得較大生產(chǎn)率的切削速度”的原則進(jìn)行優(yōu)化。針對不同工件材質(zhì)和刀具材質(zhì)，結(jié)合背吃刀量，切削速度v有一個(gè)范圍值，也有長期制造加工得到的經(jīng)驗(yàn)值。

［1］李洪.機(jī)械加工工藝手冊［M］.北京：北京出版社，1990.

［2］趙志修.機(jī)械制造工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.