現代數控車刀結構設計技術研究

袁禮彬

(常州中車鐵馬科技實業有限公司，江蘇 常州 213125)

現代數控車刀基本是以可轉位刀片為主體的可拆卸結構(見圖1)，與傳統刀具的整體結構相比具有如下技術特點[1-2]：1)采用機械夾緊方式，避免了傳統整體刀具焊接與刃磨高溫引起的內生缺陷，保持切削材料的特性，大幅提升加工效率，具有優良的切削性能；2)刀片幾何槽型采用粉末冶金壓制技術，槽型尺寸穩定，刀尖圓弧強度高，斷屑槽型適應廣，只要選用合適的斷屑槽型，就能保證良好的斷屑性能；3)刀片制造精度高，刀具角度完全由刀片和刀桿定位槽保證，工件與切削刃間相對位置基本保證一致，刀片轉位換刀過程基本不影響刀尖坐標位置，因此大幅縮減換刀輔助時間；4)由于刀桿使用壽命長，減輕刀桿消耗與庫存，降低刀具采購和使用成本，同時采用可轉位技術便于工藝開發時嘗試新型材料和新型結構刀具。因此，對現代數控車刀結構設計進行技術研究，對車刀工程化的高效應用有著積極意義。

圖1 山高刀具典型車刀片和刀桿

1 數控可轉位車刀設計

在設計可轉位車刀時需要對被加工件的材料屬性、切削技術條件以及工件幾何精度等因素進行統籌考慮，在刀片的宏觀和微觀結構以及刀桿本身幾何外形兩方面進行綜合分析[3]，從而為高性能數控刀具的結構設計奠定基礎。

1.1 刀片宏觀幾何結構設計

1.1.1 刀片幾何設計與選用[4]

刀片幾何形狀除受工件形狀制約外，它的選取主要影響因素是切削刃數量、刃口強度以及切削時是否振動，可轉位車刀片的基本形狀有C、D、R、S、T、V、W等7種(見圖2)。按照刀片切削刃性能大體分為正型和負型；刀片切削刃數量越多，刀片經濟性越好；刀尖角越大，其強度越高，可延長刀片基本壽命。在刀片幾何形狀基本尺寸確定的前提下，刀片設計切削刃數量增多，其每個刃口長度會變短，考慮到切削過程中加工效率，切削刃數量的設計準則是：在保證切削寬度得到滿足的前置條件下，最大限度地取較大值。

圖2 肯納金屬硬質合金系列車刀片

從車刀片角度方位與工件之間相對位置關系(見圖3)可知：當切削深度確定時，車刀主偏角增大，刀片的刃口數量就可以取得較大值；車刀主偏角減小，刀片刃口數量就可以取得較小值。當刃口數量與刃口長度固定后，刀片幾何外形尺寸即可確定。

圖3 刀片刃長與切削寬度、切削深度的對應關系

應依據刀片的切削性能來設計刀片幾何外形：1)方形刀片(S形)因其刀尖角度為90°，車刀主偏角通常為45°、60°和75°，刀尖強度高，具備良好的散熱特性，因此主要適用于外圓、端面與內孔車削等場合；2)三角形刀片(T形)因其切削徑向力較小，對機床剛度和功率小的工藝系統有著比較好的適應性，故主要應用于外圓、內孔、螺紋及仿形等場合；3)圓形刀片(O形)是所有刀片中刀尖強度最大的一類，但其刃口短，同時受到機床工件剛度以及工件結構外形的制約，因此主要適用于加工盤類零件的場合。

1.1.2 刀片厚度設計與選擇[5]

對于中等切削載荷以上情形，車刀片材料選擇應滿足高強度、高耐磨性、高韌性等特點，同時刀片厚度也是一項比較關鍵的因素。決定影響刀片強度的主要因素為刀片本身厚度以及切削過程承受的機械載荷，而切削過程中進給量與切削深度決定了機械載荷的大小，因此車刀片安全厚度的選擇基本上基于這兩個切削參數的綜合考慮。一般來說，在兼顧切削效率最大化前提下的切削深度和進給量的基礎上，刀片設計規格優化方向是減少外形尺寸。圖4所示為車刀片設計安全厚度選擇的參考曲線圖，圖中虛線是切削參數進給量與切削深度的連接線，實線是刀片設計厚度參考線。從圖4中分析得知，當切深為9 mm、進給量為0.25 mm/r時，這兩條虛實線相交點即為刀片設計參考厚度。另一方面，刀片設計厚度還受到切削載荷屬性的制約，應區分斷續切削與連續切削。

圖4 車刀片設計厚度選擇曲線

1.1.3 刀尖圓弧半徑大小的選擇[6]

刀尖圓弧半徑對切削過程的影響集中體現在切削力、加工精度、表面粗糙度、斷屑效果等幾個方面。在工藝系統剛度足夠時，刀尖圓弧增大，刀尖強度隨之增大，有利于改善加工工件表面粗糙度，但同時也會造成徑向分力增大；在工藝系統剛度不足時，易引起振動和斷屑困難。圖5所示為車刀片刀尖圓弧選擇的曲線圖，圖中虛線為切深與進給的連接線，中間實線為刀尖圓弧半徑選擇線，虛實相交點即為刀片圓弧半徑設計值。

圖5 車刀片刀尖圓弧選擇曲線

1.1.4 斷屑槽的設計與選用[7]

斷屑槽的主要作用是在工件切削時促使切屑形成合適的形態。不同切削條件下切削形成的機理不同，具有不同的切削深度和進給量，因此如何設計和選擇刀片斷屑槽型，加強切屑的控制是金屬切削過程中需要面對的問題。典型的斷屑槽形結構如圖6所示，大致包含5個部位：鈍化、倒菱、主前面、底面以及后面。現代數控車刀的刀片斷屑槽形基本以三維槽形為主，這種槽形的設計首先要按照切削機理，協調并解決切削刃強度與機械負載之間的矛盾。典型的車刀片三維斷屑槽如圖7所示。

圖6 典型斷屑槽結構

圖7 典型三維斷屑槽結構車刀片

1.2 刀片夾緊結構設計[8]

現代可轉位數控刀具應具備安全可靠的夾固方式，來保證快速方便轉換切削刃或者更換新刀片后，刀片位置保持足夠的精度，刀尖位置誤差應在零件加工精度允許范圍之內。夾緊結構設計基本準則是：刀片夾緊要牢靠，應保證切削過程中刀尖不發生位移，刀片所受應力分布均勻，夾緊力方向應與切削力保持一致。為滿足這些要求，除了保證刀片制造互換性，控制刀桿刀槽的加工精度，還應合理設計夾緊機構。可轉位車刀夾緊機構類型較多，本文介紹最為常見的3種方式，供讀者參考。

1)螺釘夾緊方式。這是一種最為簡單的刀片夾固方式，靠螺紋本身自鎖性能壓緊刀片(見圖8)。這是正前角刀片在中、小型機床進行外圓及內孔車削的首選方案。這種刀片錐孔中心線與刀體上的螺紋孔中心線并不同心，圖8所示螺釘錐部左側與刀片沉孔之間存在間隙，這是一個偏心結構。將螺釘施加旋轉扭矩時，螺釘圓錐頭部將刀片同時推向刀體刀片定位槽側面和底面，進行定位和夾緊，夾緊力大小主要靠偏心量來調節控制。

這種夾固方式的優點是結構簡單，操作方便，制造成本低，能適應各種形狀刀片使用，更換便捷迅速，加工時能獲得穩定和流暢的切屑流。缺點是耐沖擊性能較差，刀尖位置精度受螺釘直徑、刀槽側面和底面加工精度以及刀槽螺紋孔位置精度影響較大。

圖8 螺釘夾緊

2)壓板夾緊方式。這種夾固方式的特點是利用緊固螺釘旋轉產生的軸向壓力，將刀片與刀體定位座結合在一起(見圖9)。為適應不同切削條件卷屑斷屑要求，壓板位置可在一定范圍內調整。

圖9 壓板夾緊

采用這種結構的優點是結構簡單，壓緊軸向力與切削力方向一致，刀片夾緊剛度高，切削穩定，刀片轉位時獲得較高的重復定位精度。缺點是影響切屑流動，會縮短壓板使用壽命。主要應用于中、重型以及斷續切削的場合。

3)曲柄夾緊方式。這種結構的特點是旋轉銷釘產生軸向力推動曲柄右側，進而推動曲柄以拐角為支點順時針轉動來擠壓曲柄的銷軸，迫使曲柄銷軸上端部將刀片壓向刀體定位槽兩側面，實現定位和夾緊(見圖10)。

圖10 曲柄夾緊

這種結構的優點是刀片與刀體上2個精加工過的刀槽側面接觸，定位精度優于螺釘偏心夾緊方式；軸向力調節余地大，夾緊穩定牢固。缺點是夾緊行程偏短，曲柄易損壞。主要應用于中小型切削機床，目前是國內外可轉位車刀較為常見的結構。

2 可轉位車刀結構設計注意事項

設計可轉位數控車刀時，除所述要求外，還應考慮如下幾點[9-10]。

1)刀桿幾何尺寸。一般情況下，影響刀桿幾何尺寸的最大因素是機床型號或機床主軸中心高，對于通用切削刀桿橫截面幾何尺寸設計，在滿足通用型要求和合理切削效率的前提下，應盡可能保證刀桿儲備足夠的強度和剛度，以適應各種復雜切削情形。其長度可根據刀桿穩定性要求，通常取橫截面尺寸的4～8倍進行計算。對于重載車刀，刀桿長度尺寸在必要時可依據預計切削力大小進行校核驗證。

2)刀桿硬度要求。工件切削加工過程中，刀桿要承受來自軸向、徑向、切向的切削力，強度和剛度不足，易導致刀桿產生彎曲變形、劃傷甚至斷裂等缺陷。所以，應合理選用刀桿材料，通常推薦采用合金鋼、中碳調質鋼以及粉末工具鋼等，刀桿熱處理硬度要求大于40 HRC。

3)增加刀墊保護。在刀桿尺寸允許的情況下，建議盡可能增加刀墊保護。按照目前刀桿加工技術，刀桿刀片定位槽通常采用銑刀銑削加工而成，定位槽底面表面平整度以及表面粗糙度很難達到理想狀態，設置刀墊后，不僅能給刀片提供一個穩定的定位基準，提高夾緊剛度，而且能減少對刀桿切削熱傳導，降低刀桿的熱變形。

3 結語

改革開放以來，大量進口刀片不斷涌現，推動可轉位刀片的技術創新和廣泛應用，刀具結構的合理可靠設計已成為刀具界的熱門話題。各類刀片幾何結構與切削加工使用工況存在較大差別，因此各類車刀桿按照切削工況都有著自身特點，較難形成一個比較統一的標準體系。通過刀片幾何特征以及刀片夾緊方式兩方面的綜合分析，形成本文主要結論。

1)硬質合金可轉位刀片是現代數控可轉位刀具的主要組成部分，其幾何形狀、刀片斷屑槽形能否正確合理選擇，直接關系到切削性能、加工效率、加工質量以及刀具成本。

2)在工件切削加工過程中，切削刃是刀具完成切削任務最重要的一個環節，刀具幾何結構設計第一準則是充分考慮切削刃發揮最佳切削性能。

3)車刀夾緊機構應具備夾緊可靠、定位準確、結構簡單、操作方便以及排屑流暢等要求，只有合理夾緊才能保證刀片在切削過程中能夠承受較大的機械負荷和熱負荷，避免刀片位置發生松動和位移。

4)在條件允許的情況下，增加刀墊保護，能有效延長刀體的使用壽命。