刀具結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械切削加工質(zhì)量的影響及優(yōu)化思路

金 艷，齊 威

(大連工業(yè)大學(xué)，遼寧 大連 116034)

0 引言

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械加工對(duì)于精度、效率、節(jié)能、環(huán)保等方面的要求越來(lái)越高，各種類型機(jī)床的加工能力逐漸提升，機(jī)械加工行業(yè)也開始向著柔性化和自動(dòng)化的方向轉(zhuǎn)變。對(duì)于機(jī)械加工行業(yè)而言，其零件產(chǎn)品加工的精細(xì)度、表面質(zhì)量等因素不僅取決于機(jī)床的技術(shù)性能和數(shù)控加工的合理性，同時(shí)也取決于刀具技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況。不同的刀具結(jié)構(gòu)與材料選擇對(duì)于產(chǎn)品加工的實(shí)際品質(zhì)影響很大，同時(shí)刀具結(jié)構(gòu)的合理性也有利于進(jìn)一步減小切削力、延長(zhǎng)使用壽命。

1 我國(guó)機(jī)加行業(yè)刀具技術(shù)發(fā)展情況

近年來(lái)，隨著我國(guó)材料和加工技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械加工的配套工具行業(yè)得到了快速的發(fā)展，刀具產(chǎn)品的種類和銷售量得到大幅提升，有效保證了機(jī)械加工行業(yè)的生產(chǎn)需求。從刀具技術(shù)層面來(lái)看，我國(guó)自主刀具的生產(chǎn)技術(shù)仍處于落后局面，對(duì)于機(jī)加刀具的生產(chǎn)多以傳統(tǒng)刀具材料和結(jié)構(gòu)為主，自主創(chuàng)新能力不足，從市場(chǎng)上銷售的刀具來(lái)看，由于刀具生產(chǎn)廠商對(duì)于刀具的研發(fā)局限于中低端的機(jī)床，導(dǎo)致刀具生產(chǎn)在設(shè)備、技術(shù)和新工藝方面的投入明顯不足。目前，國(guó)產(chǎn)刀具的技術(shù)和材料選擇多參考國(guó)外成熟技術(shù)，但由于這種生產(chǎn)過(guò)程技術(shù)能力并不能完全達(dá)到國(guó)外水平，導(dǎo)致這類刀具實(shí)際的質(zhì)量和使用性能僅為進(jìn)口同類產(chǎn)品的80%左右，盡管如此，國(guó)產(chǎn)高技術(shù)刀具的普及率也仍不盡人意，類似于硬質(zhì)合金等先進(jìn)的刀具產(chǎn)品在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛使用，而我國(guó)機(jī)加行業(yè)的普及率僅為26%左右。

隨著生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于機(jī)械加工能力的要求越來(lái)越高，機(jī)加刀具逐漸向著高速刀具方向發(fā)展，傳統(tǒng)的立銑刀、絲錐、鉆頭等低效率刀具在現(xiàn)代化加工中應(yīng)用逐漸減少，而以硬質(zhì)合金刀具、涂層技術(shù)刀具為代表的新刀具逐漸成為機(jī)械加工行業(yè)的主流刀具。硬質(zhì)合金刀具的使用可以使銑削、車削等傳統(tǒng)加工中刀具的切削速度提升1.8倍左右，同時(shí)新技術(shù)下刀具的結(jié)構(gòu)形式也進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新，為4軸、5軸聯(lián)合加工機(jī)床的功能提升創(chuàng)造了良好條件。

2 機(jī)加刀具的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

2.1 機(jī)加刀具的基本結(jié)構(gòu)

在實(shí)際的機(jī)械加工過(guò)程中，所使用的刀具種類繁多，用途也各不相同，但其在應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)組成、與機(jī)床連接結(jié)構(gòu)等有著相同的特點(diǎn)。以生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的車刀為例，其主體包括刀體部分和加持部分，刀體包括了刀尖、削刃、副刃、前刀面、后刀面等很多組成元素，如圖1所示，夾持部分用來(lái)與機(jī)床連接，通常具有標(biāo)準(zhǔn)化約束。

圖1 機(jī)加刀具的基本組成結(jié)構(gòu)

2.2 刀具結(jié)構(gòu)對(duì)切削質(zhì)量產(chǎn)生的影響

2.2.1 對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生的影響

通常情況下，刀具對(duì)零件表面的加工質(zhì)量與刀具的結(jié)構(gòu)和其切削參數(shù)直接相關(guān)。合理的刀刃角度有利于在機(jī)械加工過(guò)程中優(yōu)化刀具去除金屬材料過(guò)程中的受力狀態(tài)，使刀具所受到的金屬材料彈性變形力、塑性變形力、摩擦阻力都顯著降低，同時(shí)使刀具在進(jìn)給方向和切削方向上的分力實(shí)現(xiàn)良好分配，有利于刀具形成最佳的切削加工狀態(tài)。在這種情況下，刀具的進(jìn)給速度與吃刀量形成合理匹配關(guān)系，從而提高切削加工過(guò)程中的零件表面質(zhì)量。反之，若刀具因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致切削參數(shù)不適合某種零件的加工過(guò)程，易導(dǎo)致零件表面粗糙、吃刀量不均勻、刀具磨損或損壞等問(wèn)題。

2.2.2 對(duì)材料適應(yīng)性產(chǎn)生的影響

不同的零件結(jié)構(gòu)和材料對(duì)于所需要的刀具結(jié)構(gòu)也有不同的要求，通常情況下，在機(jī)加過(guò)程中，工作人員往往對(duì)于特殊金屬材料或硬度較高的材料進(jìn)行硬質(zhì)合金或涂層刀具的選用，這只能部分解決對(duì)零件加工的硬性要求，對(duì)于不同硬度、不同密度的金屬材料，在合理選擇刀具材料的同時(shí)，也必須根據(jù)其物理參數(shù)設(shè)計(jì)合理的刀具結(jié)構(gòu)，一方面合理的吃刀量和切削角度是刀具進(jìn)給速度的良好保證；另一方面對(duì)于高硬度的材料而言，也有利于保持刀具的使用壽命，保持刀具應(yīng)有的使用壽命對(duì)于維持零件加工質(zhì)量意義重大。

2.2.3 對(duì)表面加工溫度的影響

在機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程中，刀具對(duì)金屬零件的切削過(guò)程會(huì)不斷受到不同程度的摩擦、沖擊作用，使零件的加工表面產(chǎn)生高溫，這種高溫的產(chǎn)生一方面有利于減小切削阻力和優(yōu)化零件的表面性能；另一方面也可能導(dǎo)致刀具損壞和零件表面加工質(zhì)量降低。在金屬切削的過(guò)程中，所產(chǎn)生的切削熱會(huì)讓整個(gè)切削區(qū)域的溫度逐漸升高，使整個(gè)刀具的磨損和工件的尺寸精度受到影響，最終導(dǎo)致零件廢品的出現(xiàn)。刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于吃刀量、切削角度的影響會(huì)在特定的進(jìn)給速度下直接決定加工表面的溫度，因此必須根據(jù)零件制造過(guò)程的加工表面溫度特點(diǎn)對(duì)刀具結(jié)構(gòu)及輔助散熱條件進(jìn)行優(yōu)化。

3 機(jī)加刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

3.1 利用仿真軟件對(duì)刀具進(jìn)行設(shè)計(jì)

對(duì)于加工質(zhì)量要求高和特殊材料的機(jī)加刀具，為綜合考慮刀具的進(jìn)給速度、吃刀量、切削角度等因素，可利用仿真軟件模擬加工過(guò)程并分析刀具的合理性，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)、計(jì)算、試驗(yàn)而改良刀具的過(guò)程，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能顯著提高刀具設(shè)計(jì)效率，并綜合考慮零件材料、刀具參數(shù)等的綜合影響，使刀具更為合理，并減少試制刀具產(chǎn)生的材料浪費(fèi)問(wèn)題。

3.2 優(yōu)化加工表面的散熱狀態(tài)

進(jìn)行刀具設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足切削性能和使用壽命的前提下，應(yīng)保證刀具在某一切削范圍時(shí)與零件的接觸時(shí)間盡量縮短，以保證積聚的熱量及時(shí)發(fā)散，這就要求刀具應(yīng)具有合理的切削接觸面積，由于切削過(guò)程中背吃刀量對(duì)切削表面溫度影響較小，同時(shí)增加背吃刀量會(huì)使切削刃的工作長(zhǎng)度有效參與到切削加工中去，盡管加工中刀具與零件接觸面積稍有增加，但工作效率進(jìn)一步提升使切削溫度并不會(huì)顯著地升高。除此之外，還應(yīng)通過(guò)合理選擇刀具材料提高刀具自身的導(dǎo)熱性能，選用高質(zhì)量冷卻液或合理的風(fēng)冷技術(shù)，也可有效改善加工表面的散熱狀態(tài)。

3.3 通過(guò)優(yōu)化參數(shù)改善刀具使用壽命

刀具的切削參數(shù)對(duì)刀具使用壽命影響很大，尤其對(duì)于高速加工而言，刀具壽命的維持是保證零件加工品質(zhì)的基礎(chǔ)，因此，對(duì)于硬質(zhì)合金刀具，為進(jìn)一步延長(zhǎng)其使用壽命，應(yīng)重視刀具前角和主偏角的合理設(shè)計(jì)，一方面刀具前角對(duì)刀具所受摩擦力影響很大，前角加大摩擦阻力減小，刀具受熱狀態(tài)也得到改善，以普通車刀為例，前角在20°左右時(shí)會(huì)得到較好的切削效果和刀具使用壽命；另一方面主偏角對(duì)刀刃的實(shí)際工作長(zhǎng)度影響很大，主偏角過(guò)小，刀具散熱不良會(huì)影響加工質(zhì)量和刀具使用壽命，因此，應(yīng)根據(jù)刀具實(shí)際導(dǎo)熱能力和工作條件合理選擇主偏角參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)現(xiàn)階段的機(jī)加行業(yè)對(duì)于刀具的技術(shù)研究仍不到位，先進(jìn)的硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具應(yīng)用比例不足，對(duì)于高端加工中應(yīng)用的刀具在結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)方面的考慮也仍有待提升，要進(jìn)一步提高機(jī)械加工的質(zhì)量，使我國(guó)的機(jī)械制造行業(yè)對(duì)高端加工的適應(yīng)能力進(jìn)一步提高，必須要在刀具材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方面綜合著手，使刀具技術(shù)得到全面提升。