有色金屬鏡面車削刀具的設(shè)計和選用

摘 要：用數(shù)控車床對有色金屬進(jìn)行鏡面和高精度車削加工時，影響其表面粗糙度和精度的因素有很多，能設(shè)計出合適的車刀是滿足表面粗糙度要求、達(dá)到鏡面加工和高尺寸精度的要素之一，同時也是選擇合適的成型車刀基本條件之一。

關(guān)鍵詞：有色金屬；鏡面加工；高精度加工；刀具設(shè)計

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對機(jī)械產(chǎn)品日益精細(xì)的要求，對機(jī)械產(chǎn)品提出了高尺寸精度、高形位公差、高表面粗糙度、高效率的加工要求；為此，設(shè)計出合適的加工刀具，對于保證產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。

在技師學(xué)院數(shù)控車工實訓(xùn)教學(xué)中，保證學(xué)生對高質(zhì)量機(jī)械零部件的加工技能訓(xùn)練是十分必要的。同時在超精密加工的教學(xué)中，對于有色金屬材料工件，一般不宜采用磨削方式進(jìn)行加工，適宜采用車削加工的實際驗證。

高質(zhì)量的機(jī)械零部件的加工，需要加工系統(tǒng)諸多因素的共同保證，設(shè)計或選用合適的刀具是必要的保證之一。

1 對高表面粗糙度值和高精度零件車削加工中刀具的設(shè)計

在數(shù)控車工教學(xué)實訓(xùn)中，對于高技能操作人員的高質(zhì)量實訓(xùn)，是保證教學(xué)質(zhì)量的重要因素。為此，結(jié)合校企合作有關(guān)企業(yè)的要求，在數(shù)控車工實訓(xùn)中，安排了材料為有色金屬、工件直徑Φ28、表面粗糙度為0.025（鏡狀光澤面）、直線度3級精度（≤1.5微米）、圓度和圓柱度均為4級精度（均≤1.5微米）、尺寸精度IT5（IT0.009）的練習(xí)工件進(jìn)行編程加工訓(xùn)練。

為保證加工各項精度要求，采取了以下措施。

1.1 選用合適的刀具材料

因為被加工材料為有色金屬，加工工件的表面粗糙度值、各項尺寸精度和形位精度均較高，為此初步選取金剛石刀頭作為車刀切削部分的材料。

金剛石刀具的分類：

（1）天然金剛石刀具主要用于紫銅及銅合金和金、銀、銠等貴重有色金屬，以及特殊零件的超精密鏡面加工，如錄相機(jī)磁盤、光學(xué)平面鏡、多面鏡和二次曲面鏡等。但其結(jié)晶各向異性，刀具價格昂貴。

（2）聚晶金剛石PCD的性能取決于金剛石晶粒及鈷的含量，硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的8～12倍，刀具壽命為硬質(zhì)合金（WC基體）刀具的10～500倍。主要用于車削加工各種有色金屬如鋁、銅、鎂及其合金、硬質(zhì)合金和耐磨性極強(qiáng)的纖維增塑材料、金屬基復(fù)合材料、木材等非金屬材料。切削加工時切削速度、進(jìn)給速度和切削深度加工條件取決于工件材料以及硬度。PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤。由于其結(jié)構(gòu)是取向不一的細(xì)晶粒金剛石燒結(jié)體，雖然加入了結(jié)合劑，其硬度及耐磨性仍低于單晶金剛石。

（3）人造聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）性能和應(yīng)用接近PCD刀具，主要用在有色金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷、非金屬材料（塑料、硬質(zhì)橡膠、碳棒、木材、水泥制品等）、復(fù)合材料等切削加工，逐漸替代硬質(zhì)合金刀具。由于金剛石顆粒間有部分殘余粘結(jié)金屬和石墨，其中粘結(jié)金屬以聚結(jié)態(tài)或呈葉脈狀分布會減低刀具耐磨性和壽命。此外存在溶媒金屬殘留量，溶媒金屬與金剛石表面直接接觸。降低（PDC）的抗氧化能力和刀具耐熱溫度，故刀具切削性能不夠穩(wěn)定。

（4）金剛石厚膜刀具（TDF）制備過程復(fù)雜，因金剛石與低熔點(diǎn)金屬及其合金之間具有很高的界面能。金剛石很難被一般的低熔點(diǎn)焊料合金所浸潤。可焊性極差，難以制作復(fù)雜幾何形狀刀具。

（5）金剛石涂層刀具可以應(yīng)用于高速加工，原因是除了金剛石涂層刀具具有優(yōu)良的機(jī)械性能外，金剛石涂層工藝能夠制備任意復(fù)雜形狀刀具，用于高速加工例如鋁鈦合金航空材料和難以加工的非金屬材料如石墨電極等。

綜上所述，選用PCD車刀，利用金剛石優(yōu)良的紅硬性和耐磨性，在高速精車有色金屬時，可極大地減少切削變形及刀具的磨損，以獲得高質(zhì)量的表面粗糙度、高尺寸精度和高形狀精度。

1.2 切削用量的選用

根據(jù)在工廠的工作經(jīng)驗和校企合作的企業(yè)反饋的信息，選用的切削用量如下：

切削線速度ν應(yīng)當(dāng)取200～300m/min，因數(shù)控車床主軸最高轉(zhuǎn)速所限，取ν=60～70m/min。

進(jìn)給速度f=0.01～0.04mm/min（修光刃較寬時，可取較大的進(jìn)給速度）

切削深度αp=0.002～0.003mm

1.3 刀具結(jié)構(gòu)、刀頭安裝方式和刀頭幾何角度的設(shè)計或選用

1.3.1 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

刀桿選用45#鋼制成，熱處理硬度38～40HRC，以保證有充足的剛性、彈性、韌性和屈服強(qiáng)度。

1.3.2 金剛石刀頭在刀桿上的固定設(shè)計有二種方式。

（1）對于一般的外圓刀及鏜刀，可用螺釘、壓板將刀頭固定在刀桿上（如圖1所示），為了提高刀頭夾持的穩(wěn)定性，可在刀頭下墊上0.1mm厚的經(jīng)過退火處理后的紫銅皮，經(jīng)過實際驗證，效果優(yōu)良。

（2）對于采用機(jī)械夾固方式較困難的小孔鏜刀，可先用502膠水將刀頭粘接在有預(yù)設(shè)位置的刀桿上，然后再用環(huán)氧樹脂膠封。

1.3.3 刀頭的幾何角度的設(shè)計（如圖2所示）

（1）常用角度的設(shè)計

為了增加刀頭的強(qiáng)度和刃磨方便，可取前角=0°，但在加工薄工件時，為了提高刀頭的鋒利、減小切削力，可取前角=6°。

主后角越大，刀刃越鋒利，但是主后角過大，將降低刀刃的強(qiáng)度，為此選取主后角=6°，以滿足切削的強(qiáng)度和使主切削刃盡可能的鋒利。

副后角一般不具有切削能力，只要在車削過程中不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象即可。為了便于修磨刀頭，副后角=6°，以滿足不會發(fā)生干涉和提高刀頭的剛性。

主偏角用于切削和切削力的分配，因為是精密加工，車削量很小，保證刀頭的剛性和提高切削率是主要的要求，所以主偏角=30°，以保證刀頭的剛性和提高切削率。

負(fù)偏角在不降低刀頭剛性的基礎(chǔ)上，用于削平切削的凸峰，以保證表面粗糙度的數(shù)值要求，所以副偏角=30°，以保證刀頭的剛性和削平切削的凸峰。

刃傾角=0°，以保證刃口的剛性和切屑的排向。

（2）修光刃角度的設(shè)計

前角與（1）相同。

修光刃與主切削刃之間有0.1mm的過度刃，主偏角=6°，以滿足主切削刃到修光刃之間切削力的過渡，提高剛性，提高表面質(zhì)量，減少切削力。

修光刃與副切削刃之間有0.1mm的過度刃，副偏角=6°，以滿足修光刃到副切削刃之間切削力的過渡，提高剛性，削平切削槽的凸峰，提高表面質(zhì)量，減少切削力。

修光刃寬0.12～0.16mm，后角=5°，以提高修光刃刀刃的剛性，削平切削槽的凸峰，提高表面質(zhì)量，減少切削力。

修光刃的刃傾角=0°，以達(dá)到削平切削槽的凸峰，修光已加工表面的目的。

修光刃的表面粗糙度應(yīng)達(dá)到0.006mm（鏡面）

車刀刀頭其它的設(shè)計角度如圖2所示。

1.4 實訓(xùn)效果

經(jīng)過數(shù)控車工一體化實訓(xùn)，對不同人員、不同數(shù)控車床加工的數(shù)百件工件經(jīng)過抽樣檢測，表面粗糙度可以穩(wěn)定地達(dá)到0.025um，個別的表面可以達(dá)到0.012um（霧狀鏡面），直線度、圓度和圓柱度等幾何形狀偏差可以穩(wěn)定的達(dá)到1um，個別的工件可以達(dá)到0.5um。

經(jīng)過數(shù)控車床操作人員對車刀材料的選用、刀具的設(shè)計、車削參數(shù)的選用，經(jīng)過鏡面車削實訓(xùn)教學(xué)，解決了高技能型學(xué)員在數(shù)控車工加工教學(xué)中遇到的不宜用磨削、研磨加工有色金屬方面超精密加工的問題，同理也按照設(shè)計的刀具的參數(shù)，學(xué)習(xí)了對成型車刀整體的選用過程，即：成型車刀要滿足刀具的設(shè)計要求。

2 加工時的幾點(diǎn)注意事項

（1）車刀刃磨時，必須保證修光刃平直，使其在切削過程中真正起到修光作用。

（2）裝刀時，必須使刀尖與車床主軸軸心等高，以免影響工件表面素線的幾何精度。

（3）數(shù)控車床必須滿足剛性好、傳動平穩(wěn)、振動小，主軸的徑向回轉(zhuǎn)精度應(yīng)當(dāng)高而穩(wěn)定，軸向跳動在1um以內(nèi)。實訓(xùn)車間的數(shù)控車床經(jīng)過測驗，滿足其要求。

（4）車削過程中，必須采用清潔的5號錠子油作為切削液，以免產(chǎn)生刀瘤，影響加工表面的粗糙度。

（5）由于金剛石刀頭性脆、韌性差，與鐵的親和力大，在高溫下容易碳化，所以不宜加工黑色金屬。

（6）刃口表面粗糙度應(yīng)當(dāng)達(dá)到0.012um（霧狀鏡面），修光刃表面粗糙度為0.006mm（鏡面）。

（7）金剛石刀具的價格較貴，并且刃磨困難。

3 結(jié)束語

文章對不適宜用磨削等方法加工的有色金屬和高精密、高表面粗糙度的加工進(jìn)行了嘗試，對操作者的數(shù)控編程和操作沒有較高的技術(shù)要求，只是對刀具的整體設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化、經(jīng)過對刀具的設(shè)計教學(xué)，使操作者會按照自己設(shè)計的刀具樣品，選擇符合設(shè)計要求的成型刀具，由此達(dá)到滿足工件加工各項精度要求、生產(chǎn)效率高的目的。

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