合理選用刀具及切削用量方法研究

蔡紅軍

（陜西烽火電子股份有限公司，陜西 寶雞 721006）

數控加工中心等數控設備因自動化程度高、加工效率高、零件表面精度高等先進性廣泛地應用于制造工業。眾多用戶配備了大量的配套刀具，卻往往因經驗不足未依據工件圖紙技術要求，合理選用加工刀具的材質、結構形狀及適當的加工方法，導致加工效率不高，使數控加工優越性喪失。刀具和切削是一門實踐性很強的技術，掌握刀具的應用技術需要不斷實踐和積累，在實踐-分析-改進的循環過程中，試驗研究、總結提高，最終充分發揮刀具和設備的優越性，實現高效加工。

1 刀具材質及選擇

刀具切削性能的好壞取決于眾多因素。從刀具本身來講，構成刀具切削性能的內在因素是刀具材質、涂層、切削刃幾何形狀及其整體結構。刀具材質是基礎，是關鍵；涂層是提高和改善刀具性能的配套技術；幾何形狀賦予刀具材料以切削功能；刀具結構是刀具實現切削所必需的組成部分。

數控刀具主要有高速鋼、硬質合金、陶瓷、涂層刀具材質和超硬刀具材質（PCD、PCBN）。高速鋼刀具具有優良的綜合性能，且制造工藝簡單、易磨出鋒利的切削刃、對機床專項要求不高，因此是孔加工刀具、銑刀、螺紋刀具等的主要刀坯材料。目前，新型高性能高速鋼制作的各種刀具，大量用于各種高強度鋼和鑄鐵、合金結構鋼、耐熱合金鋼、不銹鋼、鈦合金、整體鋁合金等材料加工。

硬質合金的硬度、耐熱性、耐磨性大幅度提高，使切削效率數倍提高。其適合制作大多數刀具，加工各種工件材料。國際標準中把硬質合金刀具分為P、K、M（分別對應國內分類號YT、YG、YW）三大類。P類適于加工長切屑的黑色金屬，如各種鋼材；K類適于加工短切屑的黑色金屬，如鑄鐵，及有色金屬和非金屬材料；M類綜合性能好，適于加工長或短切屑的黑色金屬和有色金屬，如不銹鋼、耐熱合金。隨著細顆粒、超細顆粒硬質合金刀具材質的開發，高速鋼材料用量逐漸減少，硬質合金刀具成為應用面最廣的主要刀具材質。

陶瓷、涂層和超硬材質刀具各占某種優良性能，但可制作的刀具有一定局限性。用戶需要時可進行專項了解。

選擇刀具材質主要依據4個方面。

（1）根據加工對象的力學性能、物理和化學性能：各種工件材料在切削時的特殊性要求不同的刀具材質與之匹配。刀具材質與工件材料的關系，有關資料手冊中有表格可供查閱。

（2）根據工序類別是粗加工、半精加工還是精加工：粗加工選取強度和韌性好的或在同類材質中選強度和韌性好的牌號；半精加工、精加工則選取硬度高、耐磨性好的。硬質合金刀具則選取對應牌號或細顆粒、超細顆粒牌號。

（3）考慮工藝系統剛性、對刀具可靠性的要求及有無冷卻等因素：工藝系統剛性差的或可靠性要求高的或加工時澆注冷卻液的場合，應選取強度和韌性好的刀具材質。

（4）考慮涂層對刀具材質的改性作用:根據涂層特性及推薦牌號應用領域進行選擇。

2 刀具結構選擇

被加工零件的結構、材料、工序類別等因素千變萬化，造成了刀具結構的多樣性和合理選用的必要性。有些刀具結構的選擇與加工對象有清晰的對應關系，如加工平面要選面銑刀；此類刀具選用的重點在于刀具材質、幾何參數及刀片裝夾方式。以立銑刀為例，其結構上的差異主要有五方面。

（1）端頭和倒角形狀：平頭銑刀分尖角、倒角或倒圓角，分別用于對加工面清根的不同要求并改善轉角處的承載能力；另有球頭銑刀，用于成型表面加工。

（2）端刃結構：分有端刃和無端刃，多數立銑刀都有端刃，既可加工周邊又可加工臺階。有端刃立銑刀又分為過中心和不過中心端刃，過中心端刃立銑刀可在三個方向進刀，銑封閉的槽或窩。

（3）螺旋角：立銑刀的螺旋角可以增加參與工作切削刃的長度，減少刀齒切入、切出時的振動。螺旋角還能加大刀齒實際工作的前角，提高刀具鋒利程度，起到刃傾角的作用。一般應選用大的螺旋角（30°~45°）。但在加工短切屑的脆性材質或硬度較高材質時，為增加刀齒強度，宜選用較小螺旋角。也有變螺旋角立銑刀，可顯著增加銑削平穩性，從而加大進給速度。

（4）齒數：通常立銑刀為2~4齒。齒數少，齒槽寬，容屑空間大，利于排屑，但切削平穩性和加工效率不及多齒的；用于精加工和硬切削的立銑刀，因切削厚度小，可減小容屑空間，增加齒數，提高刀具剛性，使切削平穩，增強加工表面質量，也提高刀具切削效率。

（5）不等分齒結構：可進一步減小切削時的振動。粗加工時，立銑刀的切削刃可做成后波形刃，或分段成苞米齒，也有把切削刃做成前波形刃，前者用于提高切削效率，后者適用于加工鈦合金，使切削輕快。

3 切削用量

面對具體零件及工件材質和已選定刀具、機床以及其它必要的工藝裝備，繼而需要設定切削條件。切削條件包括切削用量（v、f、ap）、切削液、刀具裝夾等因素，切削用量合理與否直接關系到加工效率、加工成本、加工質量。

（1）背吃刀量ap：切削用量三要素中，通常先依據加工余量確選定背吃刀量ap，后考慮工件材質、刀具材質、機床和工序等具體工藝因素，對余量做合理分配。粗加工時應盡可能取大ap值，減少走刀次數，提高生產率。但加大ap使切削力增加，因此ap增大應受機床功率和系統剛性的限制。在半精加工或精加工時，余量應取較小ap值，以減小切削力和系統變形，延長刀具壽命，保證加工質量，但對于加工硬化傾向嚴重的材質，最小背吃刀量應超過硬化層深度。

（2）進給量f：進給量f對刀具壽命的影響比背吃刀量大，但比切削速度小。其主要根據工件材質的強度、硬度、刀具材質類別、加工工序等因素按經驗值、參考值選取。

（3）切削速度v：選定了背吃刀量和進給量之后，切削速度v可根據刀具壽命計算得到，并可通過“在最低加工成本下獲得較大生產率的切削速度”的原則進行優化。針對不同工件材質和刀具材質，結合背吃刀量，切削速度v有一個范圍值，也有長期制造加工得到的經驗值。

［1］李洪.機械加工工藝手冊［M］.北京：北京出版社，1990.

［2］趙志修.機械制造工藝學［M］.北京：機械工業出版社，1985.