不同工件材料的刀具幾何參數選擇分析

肖政添

（廣東佛山市高明區技工學校，廣東佛山528531）

1 引言

金屬切削加工中，利用刀具與工件材料之間的相對運動，將工件上多余的金屬材料去除，使工件達到圖紙規定的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。當然金屬切削過程是個非常復雜的運動過程，尤其是涉及到刀具角度的幾何參數的選擇，它受到很多因素的影響，如切削力大小不同，工件材料不同，以及不同的加工情況，甚至包括冷卻情況是否良好，機床系統剛性、刀具剛性、工件剛性是否足夠等，刀具角度的幾何參數就會相應不同。就算是工件材料相同，加工性質不同，如粗加工或精加工，刀具的幾何角度也不同。因此，為了掌握刀具角度的變化規律，確定合理的刀具幾何參數，必須認真分析影響刀具角度變化的各種因素。在一般情況下，影響刀具角度變化的主要因素其實還是加工工件材料。

2 刀具幾何參數與工件材料的關系

2.1 加工灰鑄鐵材料時刀具幾何參數的選擇

由于灰鑄鐵材料的硬度低（一般為170～241HB范圍內），抗拉強度低，塑性變形小的特點，因此加工灰鑄鐵材料時，切削變形和切削抗力較小。另外，由于灰鑄鐵組織結構內部分布了大量的片狀石墨，而石墨本身又有潤滑作用，所以灰鑄鐵本身還具有良好的切削加工性能。

但是由于鑄鐵本身表面常常存在帶型砂的硬皮和氧化層，局部的白口鐵、砂眼、氣孔和縮松等缺陷，使整個切削帶有比較大的沖擊性，這些不利因素會降低刀具的耐用度。根據鑄鐵表面的缺陷，必須增加刀具切削部分的強度，前角應選得小些，通常前角宜取0°～5°范圍內，但不宜選用負前角。為了增強刀具切削部分的強度，通常在刀刃上磨出0.2～1.2倍走刀量的斜向負倒棱。

又因為灰鑄鐵組織結構里的石墨割裂了金屬基體，從而使灰鑄鐵在切削過程中易于形成崩碎狀切屑，沖擊性的切削阻力全部集中在切削刃口附近，刀尖區域內散熱性差。為了增加散熱面積，減輕單位長度切削刃上的負荷，改善刀頭散熱條件和增加刀尖處的強度，提高刀具壽命，應選擇較小的主偏角（在工件加工形狀允許情況下宜取45°～75°范圍內）。在不影響刀具強度的情況下，應適當加大后角（宜取4°～10°范圍內），以減少后刀面的摩擦。但后角過大會削弱刀具強度，散熱體積減少，磨損反而增加。

2.2 加工鑄鋼件時刀具幾何參數的選擇

（1）切削加工鑄鋼件的特點：由于鑄鋼件中的錳、鉻、鎳造成切削加工時刀具不耐磨，特別是一些大型鑄鋼件，很多刀具未加工完一個工件就已經破損，造成接刀痕或“扎刀”，輕則影響加工效率和加工質量，重則造成工件報廢。尤其是有夾砂、白口等鑄造缺陷或者有間斷車削，容易崩刀，造成刀具使用成本居高不下。

（2）切削加工鑄鋼件刀具選用。因為鑄鋼是短屑材料，不同于鍛鋼件，特別是粗加工或者間斷車削鑄鋼件時，如果采用YT類合金刀頭，一般會崩刀。因此在加工時必須跳出“鋼件就用YT類硬質合金刀頭加工，鑄鐵件就用YG類硬質合金刀頭”的誤區。通常情況下可選用YG類硬質合金或者YW類硬質合金，當然也可選用立方氮化硼整體聚晶刀片或者涂層硬質合金刀片。

（3）切削加工鑄鋼件時刀具幾何參數的選擇。刀具主偏角的大小主要根據加工工藝和機床系統的剛性進行選擇，如果系統剛性不足，主偏角采用83°或者90°（具體根據端面和臺肩加工需求而定）；如果機床剛性好且夾持力好，盡量采用45°左右的主偏角車刀；后角的磨刀角度和加工鑄鐵件相仿。

2.3 加工鑄造黃銅材料時刀具幾何參數的選擇

黃銅材料加工特點是：強度硬度低，塑性小，切削力很小。由于黃銅材料強度低，硬度低，塑性小，材料表面硬而光滑，加上內部組織粗松，在切削過程中，當選用較大的前角，切削刃鋒利時，容易產生"扎刀"現象，因此刀具前角應選得小些（10°～-3°）

黃銅材料的導熱性較好，熱量大部分由切屑和工件傳遞出去，所以刀具主偏角可選擇大些（60°～90°）。

因為導熱系數好，在切削加工過程中如果刀具角度太小或者是負角，那么工件的發熱量會根據角度的大小產生不一樣的溫度，公差尺寸就比較難保證，特別是大型銅件的加工。如果為了使工件降溫而使用切削液冷卻的話，工件顏色會變黑，因為內部組織疏松，比較容易吸入水分，所以加工銅件最好不要使用切削液。

2.4 加工鋁合金材料時刀具幾何參數的選擇

切削加工鋁合金材料時可選用YG8硬質合金刀具。

（1）加工鋁合金材料時，根據有利條件選擇刀具幾何參數主要考慮：①由于鋁合金材料的強度和硬度低，因此切削抗力很小，又因其塑性變形小，延伸率低，因此可以選擇較大的前角（選擇范圍20°～30°）。前刀面磨成圓弧形，無倒棱，刃傾角為0°。②導熱性能好，可降低切削溫度。主偏角可選得較大些（選擇范圍60°～90°）。刀尖圓弧R0.5～R1，使刀頭有相應的強度。

（2）雖然加工鋁合金的材料有利條件比較多，但絕不能忽略它的不利條件。加工鋁合金材料時，選擇刀具幾何參數主要考慮：①在切削刃處有局部高壓高溫區域，又加上鋁合金熔點低（659℃），因此在切削過程中容易產生刀瘤，影響零件表面粗糙度。因此在加工鋁合金材料時刀具的前角應選得大一些，同時刀具前刀面，后刀面的表面粗糙度值要求控制在Ra0.8以下，以減少切屑的粘附，防止刀瘤的發生。②鋁合金中含有硅，而硅的化合物是硬度很高的質點，會加劇刀具的磨損。為了減少后刀面與零件之間的摩擦和減少刀具磨損，應選擇較大的后角（選擇范圍8°～12°）。

切削加工鋁合金材料時，粗加工使用乳化液；精加工使用煤油為冷卻液。

另外，切削加工鋁合金材料時切削用量比加工鋼類材料高，其切削速度可達150～200m/min（可比鋼類材料高出 2～3 倍），進給量 0.15～0.5mm/r，切削深度 0.5～5mm。

2.5 加工奧氏體不銹鋼（典型鋼種是1Cr18Ni9Ti）材料時刀具幾何參數的選擇

奧氏體不銹鋼屬于一種特殊材料，物理、機械性能與一般的金屬材料有顯著的區別，所以車削時對刀具材料、刀具角度、切削用量以及切削液都有特殊的要求，必須根據具體情況進行選擇。

（1）奧氏體不銹鋼的切削加工特點

奧氏體不銹鋼的特點歸納起來就是既粘又韌，且導熱性差。因此加工奧氏體不銹鋼時必須清晰掌握奧氏體不銹鋼的特點，以便找出解決、消除由于工件材料自身不利因素帶來的困難。奧氏體不銹鋼的特點具體體現在：①奧氏體不銹鋼的強度高，特別是高溫強度和高溫硬度高，所以切削力較大。②奧氏體不銹鋼的塑性大，韌性高，切削變形大，相應的切削力、切削熱也大。③奧氏體不銹鋼的導熱率低，僅約為普通碳鋼的1/2～1/3，由工件和切屑帶走的熱量很少，因此，刀具上的切削溫度較高，使刀具磨損加快。④奧氏體不銹鋼的韌性好，切屑不容易卷曲、折斷，在切削過程中容易堵塞，使表面粗糙度值增大和刀刃損壞。⑤奧氏體不銹鋼的粘附性強，在切削過程中產生的粘附性切屑，容易產生積屑瘤，不易獲得表面粗糙度值小的工件表面，刀刃也容易磨損。⑥奧氏體不銹鋼的加工表面易產生冷作硬化現象，使刀具磨損加劇。

（2）刀具材料選擇

加工不銹鋼的刀具材料應具備足夠的強度、韌性、高硬度和高耐磨性，且不銹鋼的粘附性要小。常用的刀具材料有硬質合金和高速鋼兩大類，形狀復雜的刀具主要采用高速鋼材料。由于高速鋼切削不銹鋼時的切削速度不能太高，因此影響生產效率的提高。對于較簡單的車刀類刀具，刀具材料應選用強度高導熱性好的硬質合金。如YG類硬質合金，最好不要選用YT類硬質合金，尤其是在加工1Cr18Ni9Ti不銹鋼應絕對避免選用YT類硬質合金，因為不銹鋼中的Ti和YT類硬質合金中的Ti產生親合作用，切屑容易把合金中的Ti帶走，促使刀具磨損加劇。生產實踐表明，選用 YG3X、YG6X、YW1、YW2硬質合金刀具材料加工不銹鋼具有較好的加工效果。并且YG類硬質合金的韌性和導熱性較好，不易與切屑粘結，因此適用于不銹鋼粗加工；而YW硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱性和抗氧化性能以及韌性都較好，適用于不銹鋼的精加工。另外，現在新型的CVD、PVD涂層刀具在加工奧氏體不銹鋼時有著優越的加工性能，其摩擦系數小，硬度高，耐磨性好，耐熱性高。在加工奧氏體不銹鋼時效率可提高1～3倍，高者甚至可達5～10倍。

（3）刀具幾何角度的選擇

由于奧氏體不銹鋼材料的塑性大，因此切削變形大，切削力也大，為了減少塑性變形，減少切屑切離和清出過程中所遇到的阻力，降低切削溫度和減少加工硬化，便于切削加工，應在保證切削刃強度前提下盡量選用較大前角。粗加工前角宜取10°～20°范圍內；精加工前角宜取 20°～30°范圍內。為了防止前角加大導致削弱刃口強度，主刀刃應進行負倒棱，通常采用如圖1所示的斷屑槽。尤其對于外圓粗車刀應該使主刀刃低于刀面0.15～0.25mm，以保證切屑向前卷曲時碰到主后刀面上自動斷屑。

圖1 切削不銹鋼時的卷屑槽

圖1中，bn表示棱邊寬度，bn≈0.05～0.3mm；Wn表示卷屑槽槽寬，Wn=2～7mm；Rn表示卷屑槽槽底圓弧半徑，Rn≈1.5～7.5mm；γ0表示前角；α0表示后角；γ0′表示負倒棱前角。

后角的選擇：對于奧氏體不銹鋼這種易出現加工硬化的材料，其后刀面摩擦對加工質量及刀具磨損影響加大，因此為了減少后刀面與加工表面間的摩擦，又不影響刀具強度，粗加工時后角應選在4°～6°范圍內；半精加工及精加工時后角應選在6°～12°范圍內。

主偏角及副偏角和刀尖圓弧半徑的選擇：奧氏體不銹鋼冷硬性強，塑性變形大，因此在機床、工件及刀具系統剛度允許條件下應盡量取較小的主偏角，一般主偏角宜取45°～90°范圍內，具體可根據加工余量選擇，加工余量大時，主偏角小些，加工余量小時，主偏角大些。副偏角宜取 8°～15°范圍內，刀尖圓弧半徑常取 0.5～1mm。

刃傾角可控制切屑流向，影響刀尖強度。合理的刃傾角應為：連續車削奧氏體不銹鋼時，刃傾角應選在-2°～-6°之間；斷續車削時，刃傾角應選在-5°～-15°之間；精加工車削時，刃傾角應選在0°～3°之間。在實際生產加工中也可采用如圖2所示的雙刃傾角斷屑車刀，既增強了刀尖強度和散熱性能，同時又部分增大了切屑變形，加寬了斷屑范圍，在實際應用中取得了良好效果。

奧氏體不銹鋼材料粘結磨損比較嚴重，因此必須降低刀具切削部分的表面粗糙度值（即刃磨后進行研磨），以減少切屑形成卷曲時的阻力，提高刀具耐用度。選用合適的潤滑冷卻液，原則是選用抗粘附性和散熱性好的潤滑冷卻液，如硫化油或硫化油加四氯化碳，以降低切削熱和切削力，防止刀瘤的產生，減少刀具磨損，延長刀具使用壽命。

當然在技術要求允許的條件下，可將工件進行適當的熱處理，以改善材料的切削加工性。

圖2 雙刃傾角斷屑車刀

2.6 加工淬火鋼材料時刀具幾何參數和切削用量的選擇

淬火鋼突出的特點：硬度高，脆性較大。因此切削力很大，切削熱也很大，刀具磨損和崩刃現象比較多。為了改變這種不利狀況，應增加刀具的強度。采取下列方法：

（1）選擇適合于加工淬火鋼的刀具材料：YG8、YW1、YW2、YM201。

（2）選用較大的負前角（選擇范圍-5°～-2°）；為了增加刀具散熱面積，應減小刀具主偏角（選擇范圍20°～60°）；刀尖圓弧角 120°，刀尖圓弧半徑 1.5mm。主后角（2°～5°），副后角（6°～8°）。這樣刀尖強度好，散熱快，提高了刀具耐用度。

（3）淬火鋼硬度高，加工困難，所以轉速要低（切削速度一般選擇25～30m/min），吃刀小（吃刀深度一般選擇0.5～4mm），走刀慢（進給量一般選擇 0.1～0.3mm/r），而且還存在加工硬化。如果刀具鈍了還繼續切削，工件表面更容易出現擠壓硬化，刀具擠壓力一旦大于工件表面淬火后的屈服強度，工件的加工層就會出現崩塊現象，無法保證工件的加工質量。

2.7 加工橡膠材料時刀具幾何參數的選擇

（1）車削橡膠材料的特點與刀具幾何參數的選擇。橡膠材料除了具有一般非金屬材料所共有的導熱性差、強度低等特點外，還有彈性極好的特點。因此在車削時，材料的彈性變形很大。為了確保車削順利，所選用的刀具應盡量鋒利，因此前角一般選擇40°～60°，后角一般選擇10°～15°，從而使楔角減少，進一步增強刀具的鋒利，達到減少切削變形的目的，否則切削時不易達到要求的加工精度和表面粗糙度。為了減少后刀面與工件的摩擦，并分散切削力和切削熱，可適當加長車刀的過渡刃和修光刃。為了使排屑流暢，車刀前刀面磨成大前角平面型和圓弧型組成的排屑槽。

（2）車削橡膠材料時刀具材料與加工工藝

加工橡膠材料時刀具材料一般選用高速鋼，但在車削含雜質較多的硬橡膠時，由于高速鋼耐磨性較差，也可用硬質合金車刀。

由于橡膠材料在車削中容易產生彈性變形，因此應特別注意工件的裝夾方法，如在卡盤上裝夾平整的木板釘住橡膠板，或用木質心軸裝夾套、圈類工件，以增加橡膠抵抗切削的能力。

切削用量應根據切削形式、車刀角度和橡膠種類的不同來選擇。切削速度一般可選擇大些。車削時不能用油類作切削油，以防油類腐蝕橡膠導致工件變形。如有特殊情況要求時，可以用水冷卻。

3 結語

由于不同材料的物理性能、機械性能有顯著的區別，所以加工時刀具材料、刀具角度、切削用量以及切削液都各有不同的要求。因此加工時應該根據具體材料進行具體分析，從提高加工效率、保證零件加工質量、延長刀具使用壽命等方面考慮，選擇合適的刀具材料、比較合理幾何角度以及工藝參數。

［1］ 北京第一通用機械廠.機械工人切削手冊［M］.北京：機械工業出版社，1977.

［2］ 許兆豐.車工工藝學［M］.北京：勞動人事出版社，1986.

［3］ 朱淵澄，等.金屬工藝學［M］.北京：機械工業出版社，1980.