淺析機械中材料加工和刀具選擇的重要關系

楊琳琳　李興偉　劉坤坤

摘要：機械制造業是國家工業立足的根本，是經濟發展的重要支柱。而隨著工業的發展，制造業對材料和刀具選擇的要求也越來越高。本文主要分析了刀具和材料的性能及選用特點，著重說明了材料和刀具在機械加工中的重要關系。

關鍵詞：機械加工；材料選擇；刀具選擇

引言

在現代機械加工方面，加工材料及刀具類型材質的選擇很大程度上是決定產品質量和生產效率的關鍵因素，因此根據生產效率、生產成本、經濟效益的綜合需求，選擇合理的加工材料及加工刀具是機械加工生產中很重要的一個環節。

1.相關概念簡析

1.1 機械加工的定義

通過一種機械設備對工件的外形尺寸或性能進行改變的過程。其中廣義上的機械加工就是指能用機械手段制造產品的過程；而狹義上的機械加工則是用車床（c）、銑床（x）、鉆床（z）、磨床（m）、沖壓機、壓鑄機等專用機械設備制作零件的過程。

1.2 機械加工的類型

燈絲電源繞組、激光切割、重型加工、金屬粘結、線切割，金屬拉拔、等離子切割、精密焊接、輥軋成型、金屬板材彎曲成型、模鍛、水噴射切割、精密焊接等。

1.3 刀具的概念

刀具是機械加工中用于切削加工的工具，又稱切削工具，多為機用，少為手用。

1.4 刀具的分類

按照工件加工表面的形式：加工各種外表面的刀具、螺紋加工刀具、齒輪加工刀具。

按照切削運動方式和相應的刀刃形狀：通用刀具、成形刀具、展成刀具、鑲齒圓鋸片、帶鋸、弓鋸、切斷車刀和鋸片銑刀。

按加工方式和具體用途，分為車刀、孔加工刀具、銑刀、拉刀、螺紋刀具、齒輪刀具、自動線及數控機床刀具和磨具等。

按所用材料分為高速鋼刀具、硬質合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具和金剛石刀具等。

按結構分為整體刀具、鑲片刀具、機夾刀具和復合刀具等；

按是否標準化分為標準刀具和非標準刀具等。

1.5 零件材料的選擇

原則：保證零件的使用要求及外部質量（形狀質量，尺寸精度，表面質量）；內部質量（成分，組織，力學性能，物理化學性能，降低制造成本）；保證質量前提下盡量降低制造成本（材料費，小號的燃料及動力費，工資及設備費用）。

依據：零件的用途及工作條件；零件的結構、形狀及外形尺寸；生產批量；生產條件（設備、人員技術及管理水平）等。

2.零件材料對刀具選擇有決定性作用

2.1 材料的種類不同，力學系數及加工方式就會不同，這不盡對加工工藝有影響，而且對材料需求量及造價有影響，并在一定程度上在整個加工市場的材料標配及刀具生產。例如：一般粗加工平面槽等用冼刀或刨刀，圓柱體、半球體等回轉性質的用車刀，精加工平面或內外圓用磨床；一般加工先粗到精，粗加工留一定的余量來精加工；考慮旋轉直徑來定轉速、切削量、進給速度；加工長軸工件時 ，選擇合適的刀具更為重要，必須嚴格選擇并控制主軸轉速、切削速度及切削量以提高產品加工精度，獲取合格的表面質量。

2.2 制訂工藝規程的步驟中很大一部分與材料及刀具相關：分析零件圖及產品裝配圖，對零件進行工藝分析；選擇毛坯并擬訂工藝路線并確定各工序的加工余量；計算工序尺寸及公差確定各工序所用的設備及刀具、夾具、量具和輔助工具；再確定切削用量及工時定額。應用中也有：車回轉體零件用車床，車刀；加工平面用銑床；精加工用磨床；打孔用鉆和電火花等具體相應刀具和機床。

2.3刀具選擇大部分由零件的類型及加工面及精度決定。機械加工成套的加工工藝對大小型孔及其形狀的簡單或復雜程度沒有明顯的區別。但是實際工藝有細節區別：大尺寸和形狀復雜的孔的加工偏移量應比標準值大一些，小零件和形狀簡單的工件則會小一些，且在不同輪廓的不同部位偏移量也不一樣。另外工件的材質選擇及熱處理標準就與這些情況有很大關系，并成為影響機械加工性質的重要因素之一。操作者需要熟練掌握刀具特點及使用方法，根據加工工件的處理規律，靈活處置偏移量，在保證加工所需質量的前提下，不斷提高生產率，以創造更大效益。

3.刀具性能特點對于材料選用的關鍵作用

3.1 由于機械加工刀具的材質、形狀、技術要求及加工工藝的多樣性，客觀上要求工件材料具有不同的組織結構和被切削的優良性能。同時，生產可選用的材料種類很多，這使選擇材料特別是毛坯也成為難點之一。

3.2 材料是根據零件所要求的形狀、工藝尺寸等而選擇的機械加工對象，選擇合適的刀具及材料是制訂合適機械加工工藝規程的基礎。操作者要了解刀具切削部位的組成、集合參數、工作角度、刃部參數刀具形狀、切削角度、磨損形式及原因及耐用度與切削用量的關系。老師傅稱：學機械是三分技術，七分刀具。面對現代機械加工市場的眾多需求：降低生產成本，減少人工費用，縮短勞動時間，降低設備耗費，提高表面質量及產量。這要求操作工對機械加工常用刀具的型號、規格、技術要求及參考應用必須熟練掌握和應用。

4.正確選擇材料和刀具的整體選用原則及其重要性

材料和刀具的選擇要遵循經濟且環保原則。其中包括加工生產對環境的影響，對資源、能源的消耗以及對社會生產可持續性的影響；加工制造的實際水平和能力、外協的可能性思考；在節約材料和能源的同時，充分利用經濟環保的新材料，精密刀具及先進加工工藝。

材料和刀具的優選在零件工藝過程的作用不可否認。為提高機械加工生產率，也可考慮粉末冶金、異型鋼材及工程塑料等在機械加工中的應用，并找到綜合生產成本的最佳組合點；因機械加工工序數量、材料消耗、生產勞動量等因素在很大程度上也取決于所選的材料及刀具，故正確選擇材料及刀具對機械加工具有重要意義。

隨著現代機械朝著高精度、高速度和低成本等方向發展，同時機械加工面臨著工期縮短、質量提高、成本降低的迫切需求，這種環境及需求迫使零件加工對材料和刀具選擇提出了更高的要求，開發并利用性能優良的材料和穩定加工的刀具是必然趨勢，而處理好材料和刀具的重要關系并正確選擇更是機械加工不可或缺的一部分。

參考文獻：

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[2]常麗娟.《淺談機械加工中應注意的一些問題》

[3]王小新.《試論機械設計加工需要注意的問題 》

[4]尹震飚.《面向復雜型腔工件高效數控加工的刀具優選技術研究》

[5]姚學祥，張桂香.《超硬材料刀具研究現狀和趨勢》

作者簡介：

楊琳琳（1992.7—），女，漢族，河南省南陽市人，鄭州大學機械機械工程學院。

李興偉（1994.11—），男，漢族，河北省保定市人，鄭州大學機械工程學院。劉坤坤（1991.3—），男，漢族，河南省項城市人，鄭州大學機械工程學院。