數控加工過程中刀具的選擇

（沈陽黎明航發集團（有限）責任公司國際業務事業部，遼寧 沈陽 110043）

數控加工過程中刀具的選擇

丁 坤 謝振武

（沈陽黎明航發集團（有限）責任公司國際業務事業部，遼寧 沈陽 110043）

快速發展的數控機加工工藝技術促進了數控刀具結構基礎科研和新產品的研發。世界各大廠商生產的數控機床用刀具種類、規格繁多，數量龐大，往往令人眼花繚亂。現將有關數控刀具科普性知識和數控刀具材料、結構、應用等進行分類，并結合零件車加工過程中遇到的問題進行簡要分析。

數控；刀具；問題分析

一、刀具的分類

刀具按工件加工表面的形式可分為五類：

加工各種外表面的刀具，包括車刀、銑刀、外表面拉刀和銼刀等。

孔加工刀具，包括鉆頭、擴孔鉆、鏜刀、鉸刀和內表面拉刀等。

螺紋加工刀具，包括絲錐、板牙、自動開合螺紋切頭、螺紋車刀、銑刀等；

齒輪加工刀具，包括滾刀、插齒刀、剃齒刀、錐齒輪加工刀具等。

切斷刀具，包括鑲齒圓鋸片、帶鋸、弓鋸、切斷車刀和鋸片銑刀等等。

此外，還有組合刀具。

按切削運動方式和相應的刀刃形狀，刀具又可分為三類：

通用刀具，如車刀、刨刀、銑刀、鏜刀、鉆頭、擴孔鉆、鉸刀和鋸等；

成形刀具，這類刀具的刀刃具有與被加工工件斷面相同或接近相同的形狀，如成形車刀、成形刨刀、成形銑刀、拉刀、圓錐鉸刀和各種螺紋加工刀具等；

二、刀具的結構

各種刀具由裝夾部分和工作部分組成。

刀具的裝夾部分有帶孔和帶柄兩類。帶孔刀具依靠內孔套裝在機床的主軸或心軸上，借助軸向鍵或端面鍵傳遞扭轉力矩，如圓柱形銑刀、套式面銑刀等。

刀具的工作部分就是產生和處理切屑的部分，包括刀刃、使切屑斷碎或卷攏的結構、排屑或容儲切屑的空間、切削液的通道等結構要素。有的刀具的工作部分就是切削部分，如車刀、刨刀、鏜刀和銑刀等；有的刀具的工作部分則包含切削部分和校準部分，如鉆頭、擴孔鉆、鉸刀、內表面拉刀和絲錐等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校準部分的作用是修光已切削的加工表面和引導刀具。

刀具切削部分的幾何參數對切削效率的高低和加工質量的好壞有很大影響。增大前角，可減小前刀面擠壓切削層時的塑性變形，減小切屑流經前面的摩擦阻力，從而減小切削力和切削熱。但增大前角，同時會降低切削刃的強度，減小刀頭的散熱體積。

三、刀具的材料

制造刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性，必要的抗彎強度、沖擊韌性和化學惰性，良好的工藝性（切削加工、鍛造和熱處理等），并不易變形。通常當材料硬度高時，耐磨性也高；抗彎強度高時，沖擊韌性也高。但材料硬度越高，其抗彎強度和沖擊韌性就越低。高速鋼因具有很高的抗彎強度和沖擊韌性，以及良好的可加工性，現代仍是應用最廣的刀具材料，其次是硬質合金。

硬質合金可轉位刀片現在都已用化學氣相沉積涂覆碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁硬層或復合硬層。正在發展的物理氣相沉積法不僅可用于硬質合金刀具，也可用于高速鋼刀具。硬質涂層作為阻礙化學擴散和熱傳導的障壁，使刀具在切削時的磨損速度減慢，涂層刀片的壽命與不涂層的相比大約提高1～3倍以上。

由于在高溫、高壓、高速下，和在腐蝕性流體介質中工作的零件，其應用的難加工材料越來越多，切削加工的自動化水平和對加工精度的要求越來越高。為了適應這種情況，刀具的發展方向將是發展和應用新的刀具材料；進一步發展刀具的氣相沉積涂層技術，在高韌性高強度的基體上沉積更高硬度的涂層，更好地解決刀具材料硬度與強度間的矛盾；進一步發展可轉位刀具的結構；提高刀具的制造精度，減小產品質量的差別，并使刀具的使用實現最佳化。

刀具材料大致分如下幾類：高速鋼、硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金剛石。

四、刀具的涂層技術

對刀具進行涂層是機械加工行業前進道路上的一大變革，它是在刀具韌性較高的基體上涂覆一層、二層乃至多層具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層（如TiN、TiC等），使刀具具有全面、良好的綜合性能。在工業生產中，使用涂層刀具可以提高加工效率、加工精度、延長壽命、降低成本。

近30余年來，刀具涂層技術迅速發展，涂層刀具得到了廣泛應用。現在，涂層高速鋼刀具和涂層硬質合金刀具已占全部刀具使用總量的50%以上。在西歐，由于資源匱乏和機械加工的高效化，以及數控技術進步及難加工材料增多，涂層刀具正以驚人的發展速度被動式向前挺進。西方工業發達國家使用的涂層刀具占可轉位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%，新型的數控機床所用的刀具中80%左右是涂層刀具。

涂層刀具有以下優點：

由于表面涂層材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高溫。故與未涂層的刀具相比，涂層刀具允許采用較高的切削速度，從而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具壽命。

由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數較小，故涂層刀具的切削力小于未涂層的刀具。用涂層刀具加工，零件的已加工表面質量較好。由于涂層刀具的綜合性能良好，故涂層硬質合金刀片有較好的通用性，一種涂層硬質合金牌號的刀片具有較寬的使用范圍。

五、下面就我在加工鎳基高溫合金零件過程中遇到的問題進行簡要分析

材料：鎳高溫合金具有熱穩定性好、高溫強度和硬度高、耐腐蝕、抗磨損等特點，是典型的難加工材料。

問題：（1）由于鎳基高溫合金質地堅硬，如果選刀不當，極易造成加工表面產生硬質層。（2）鎳基高溫合金多應用在航空發動機渦輪盤上，是發動機的關鍵部件，形狀復雜，約束了刀具的選擇。

解決：（1）選用刀具前一定先考慮刀具的屬性，如焊接刀選用YD15以上的，機夾刀片的涂層是否適合高溫合金。并在加工過程中注意切削聲音及碎屑，掌握刀具使用壽命，及時更換刀片。（2）在加工復雜型腔時，最好選用焊接刀去除余量，因為焊接刀的制造及硬度決定了，如果受力過大發生打刀現象，刀體不會將零件嚴重磕傷，從而節約了專用刀具以及零件成本。

鎳基高溫合金在應力、溫度和惡劣的工作條件下容易產生疲勞失效，因此渦輪盤材料及制造技術是研制高性能航空發動機的關鍵。選擇好一把好刀非常關鍵，更關鍵的是選用的加工參數及方法。

[1]李玉平．金屬切削刀具[J]．新余高專學報，2005（04）．

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