機夾可轉位合金車刀分析研究

李 成

（蘭州資源環境職業技術大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730021）

引言

隨著科學技術和制造業的飛速發展，人們對于產品的質量有了更高的追求。我國的制造業相對發達國家來說還具有一定差距，特別是對于機械制造業要求比較高的重要領域，例如航空航天、軍事、航海船舶等領域所需求的零件，其精度要求越來越高，加工形狀復雜多變。在制造材料的選擇方面，還存在著諸多的不足，因此目前車刀的材料及性能的選擇成為了機械制造業的重中之重。

1 材料的選擇方向

在合金刀具材料的選擇方面，其耐磨性、強度及工藝性等不可兼顧，因此只能在使用過程中根據加工對象的特性和加工條件選擇合適的刀具，因此對使用者和管理造成了諸多問題。結合當前迫切的形式，為進一步改善合金車刀在使用時的切削能力，提出以下幾個方面[1]。

1.1 材料分子的改變

通過細化晶粒，形成理想的鑄錠組織等軸晶，等軸晶具有各向異性小，加工時變形比較均勻、可塑性好、性能優異等優點，利于鑄造及隨后的塑性加工。晶粒度的大小影響鑄錠的質量和力學性能，枝晶的細化程度及枝晶間的疏松、偏析、夾雜對鑄錠質量也有很大影響。因此通過分子材料的改變使得硬質相晶間表面積增大，從而增強晶粒間的結合力，可使其耐磨性和強度均可得到提高[2]。

1.2 材料熱處理

為了提高刀具表面的耐磨性，可選用硬質合金材料，在強韌性較好的的基礎上，對其表面進行滲氮、滲硼等熱處理即可。對于強韌性較差的硬質合金材料，對其進行整體熱處理，在改變材料分子結構的基礎上，以降低WC 硬質相晶的鄰接度，從而全面提高硬質合金刀具的強度和韌性。

1.3 添加涂層材料

使用涂層硬質合金材料制造的刀具的優點：抗磨損能力比較強，其切削刃形狀、槽形相對穩定，斷屑效果良好，切削能力可靠，因此在加工過程中實現自動控制時較為常用；在選擇涂層硬質合金材料做刀具時，對其基體進行精化處理，可獲得較高的尺寸精度。在新的TiN 基合金和多元復合層添加TiN 涂層，對其進行改進形成新的耐磨、耐高溫涂層。比如為了提高涂層的硬度和抗磨損性及熱穩定性，可以在TiN 涂層中添加Al、Zr、Cr 等，以形成新的多元涂層體系，從而達到目的[3]。

1.4 添加稀土元素

由于稀土元素能夠強化硬質合金材料中的硬質相和黏結相，凈化晶界，增加炭化物固溶體對粘結相的潤濕性，因此在以WC 基形成的硬質合金中添加少量鈰、釔等稀土元素，可以有效提高材料的韌性和抗彎強度，也可改善耐磨性。添加了稀土元素的硬質合金，因其特有的韌性與抗彎強度的優勢，最適用于制造粗加工刀具、抗壓抗拉刀具及鉆探工具等。因此稀土硬質合金在21 世紀中必有發展和應用前景[4]。

1.5 金剛石

金剛石材料因其極高的硬度，優異的熱化學性能，良好的導熱性能，且與金屬的親和力小的特性，是目前公認的最理想的且不能替代的超精密切削刀具材料[5]。由于金剛石材料制作的刀具可以磨出鋒銳的刀口，且沒有缺口、崩刃等現象，刀刃強度高和耐磨性好的優點，因此常用于銅、鋁等非鐵素金屬及其合金，以及光學玻璃、大理石、碳素纖維等非金屬材料的超精密切削加工[6]。

2 可轉位車刀的分析研究

2.1 可轉位車刀組成及結構

可轉位車刀是將帶有多個切削刃的刀片，固定在同一刀體上的特殊刀具。在使用中需要更換刀片時，將刀片的夾緊螺釘松開，進行轉位使得新的切削刃進入工作位置，或著在更換新刀片之后就可以繼續使用，以達到提高生產效率的目的（如下頁圖1 所示）。

2.1.1 車刀的組成

在一般情況下，可轉位車刀由刀片、刀墊、夾緊螺釘和刀體組成，如圖2 所示。

2.1.2 基本夾緊形式

在刀片的夾緊過程中，刀片的幾何形狀、基本尺寸及功用等因素均對刀片的夾緊形式有影響。其中夾緊力的作用原理及夾緊的幾種形式如表1 所示。

2.2 車刀分析

2.2.1 刀具的幾何參數

普通外圓車刀設計時的六個基本角度均有確定的角度值。然而可轉位車刀的后角α0、副偏角β′r、副后角α′0均受到刀片型式參數的制約，設計時其標注的角度僅有三個，前角γ0、后角α0、刃傾角λs。如圖3為可轉位外圓車刀角度的標注形式。

2.2.2 刀片安裝形式

刀片的安裝形式是根據刀片在使用時所處于刀桿上的位置狀態，所給予了平裝和立裝兩種習慣性定義，如圖4、5 所示。對普通車刀來說，平裝時刀片的夾緊結構設計思路較寬、斷屑槽型多，可滿足不同工藝功能的車刀設計使用，立裝所采用刀片暫無具體標準，其主要優點就是使用大的刀片和較大的斷面來承受工件的反作用力，以提高刀片強度。

2.2.3 斷屑

車刀的主要斷屑形式有斷屑槽、斷屑臺和斷屑器。因帶有斷屑槽的刀片在制造時是將槽模壓在刀片上，斷屑穩定，斷屑范圍區域固定，因此大部分可轉位車刀基本均在采用。在實際切削加工時存在復雜多變的情況，就形成了斷屑槽型的形式多樣，在選用時存在諸多不便。而在實際加工中影響斷屑的因素頗多，若在使用中能結合現有加工條件進行試切，因此在大批量生產用的刀片槽型選定時還是有所幫助的[7]。

2.3 刀具的選用

2.3.1 尺寸選擇

在選擇刀片時，由于可轉位車刀的刀刃數量較多、刀尖角強度大，能適應工藝性要求即可，刃長滿足基本切削要求，切勿過長或者過短。

2.3.2 刀片厚度

刀片厚度通常根據背吃刀量和進給量來選用，使得刀片有足夠的強度來承受切削力。如下表2 是部分參考數據。

表2 根據背吃刀量和進給量選用刀片厚度

2.3.3 刀尖角半徑

由于刀尖的強度、使用壽命及加工表面質量等均與刀尖角半徑rε的大小有關。因此增大刀尖角半徑rε以改善刀尖的散熱條件，減少刀尖的磨損。刀尖角rε過大將會使切削力FP增大而引起振動。一般在粗加工時，為了提高切削刃的強度，盡可能選擇較大刀尖圓弧半徑。精車時刀尖圓弧半徑取決于表面粗糙度和進給量的大小，其相互關系為：

如下頁表3 給出了表面粗糙度、進給量與刀尖圓弧半徑的對應關系參考值，可參照選擇。在表面粗糙度值確定后，系統剛性高，則rε取較大值；反之取較小值。

表3 Ra、Ry，進給量f 與刀尖圓弧半徑的對應關系參考值

2.4 刀片定位

2.4.1 底面定位

在以底面定位時，底面應平整且表面粗糙度小于3.2 μm，較高要求的車刀還應適當減小此值。其平面度要求以小于0.05 mm 為宜，若存在微小彎曲變形時僅允許向內彎曲且彎曲度盡可能小。刀尖角及棱邊可做輕微倒鈍，不允許倒角。形狀與刀片近似，尺寸與刀墊相一致。

2.4.2 側面定位

在采用側面定位時，一般用1～2 個側面進行定位，刀片頂面略高于刀桿的頂面，以防止刀刃被定位面損壞。各定位面交界處不允許有圓角，以防止定位時不能緊密相貼；最好能選擇空刀槽處，以便刀片能緊貼定位面。

2.4.3 其他定位

圓柱銷定位和非標準可轉位刀片定位時，根據具體刀片的設計決定，達到測量基準與定位面一致即可。

3 結語

隨著科學技術的迅猛發展，新一代信息技術與制造技術的融合引領了制造業變革的新浪潮。在全球制造業面臨新一輪技術革命背景下，世界各國紛紛提出了各自的發展戰略，均有其各自的新形勢，尤其是新型材料在合金刀具方面的應用，以及其他學科的進步也極大地推動了制造業的發展[8]。從近幾年制造技術發展趨勢來看，其他學科的進步對材料學科的革新推動甚大，比如納米技術、超聲加工技術、微雕技術的進步，刀具材料的發展已成為制造業在繳烈的市場競爭中立于不敗之地并求得迅速發展的關鍵因素。