不同工件材料的刀具几何参数选择分析

2013-03-25肖政添

机械工程师 2013年4期

肖政添

（广东佛山市高明区技工学校，广东佛山528531）

1 引言

金属切削加工中，利用刀具与工件材料之间的相对运动，将工件上多余的金属材料去除，使工件达到图纸规定的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。当然金属切削过程是个非常复杂的运动过程，尤其是涉及到刀具角度的几何参数的选择，它受到很多因素的影响，如切削力大小不同，工件材料不同，以及不同的加工情况，甚至包括冷却情况是否良好，机床系统刚性、刀具刚性、工件刚性是否足够等，刀具角度的几何参数就会相应不同。就算是工件材料相同，加工性质不同，如粗加工或精加工，刀具的几何角度也不同。因此，为了掌握刀具角度的变化规律，确定合理的刀具几何参数，必须认真分析影响刀具角度变化的各种因素。在一般情况下，影响刀具角度变化的主要因素其实还是加工工件材料。

2 刀具几何参数与工件材料的关系

2.1 加工灰铸铁材料时刀具几何参数的选择

由于灰铸铁材料的硬度低（一般为170～241HB范围内），抗拉强度低，塑性变形小的特点，因此加工灰铸铁材料时，切削变形和切削抗力较小。另外，由于灰铸铁组织结构内部分布了大量的片状石墨，而石墨本身又有润滑作用，所以灰铸铁本身还具有良好的切削加工性能。

但是由于铸铁本身表面常常存在带型砂的硬皮和氧化层，局部的白口铁、砂眼、气孔和缩松等缺陷，使整个切削带有比较大的冲击性，这些不利因素会降低刀具的耐用度。根据铸铁表面的缺陷，必须增加刀具切削部分的强度，前角应选得小些，通常前角宜取0°～5°范围内，但不宜选用负前角。为了增强刀具切削部分的强度，通常在刀刃上磨出0.2～1.2倍走刀量的斜向负倒棱。

又因为灰铸铁组织结构里的石墨割裂了金属基体，从而使灰铸铁在切削过程中易于形成崩碎状切屑，冲击性的切削阻力全部集中在切削刃口附近，刀尖区域内散热性差。为了增加散热面积，减轻单位长度切削刃上的负荷，改善刀头散热条件和增加刀尖处的强度，提高刀具寿命，应选择较小的主偏角（在工件加工形状允许情况下宜取45°～75°范围内）。在不影响刀具强度的情况下，应适当加大后角（宜取4°～10°范围内），以减少后刀面的摩擦。但后角过大会削弱刀具强度，散热体积减少，磨损反而增加。

2.2 加工铸钢件时刀具几何参数的选择

（1）切削加工铸钢件的特点：由于铸钢件中的锰、铬、镍造成切削加工时刀具不耐磨，特别是一些大型铸钢件，很多刀具未加工完一个工件就已经破损，造成接刀痕或“扎刀”，轻则影响加工效率和加工质量，重则造成工件报废。尤其是有夹砂、白口等铸造缺陷或者有间断车削，容易崩刀，造成刀具使用成本居高不下。

（2）切削加工铸钢件刀具选用。因为铸钢是短屑材料，不同于锻钢件，特别是粗加工或者间断车削铸钢件时，如果采用YT类合金刀头，一般会崩刀。因此在加工时必须跳出“钢件就用YT类硬质合金刀头加工，铸铁件就用YG类硬质合金刀头”的误区。通常情况下可选用YG类硬质合金或者YW类硬质合金，当然也可选用立方氮化硼整体聚晶刀片或者涂层硬质合金刀片。

（3）切削加工铸钢件时刀具几何参数的选择。刀具主偏角的大小主要根据加工工艺和机床系统的刚性进行选择，如果系统刚性不足，主偏角采用83°或者90°（具体根据端面和台肩加工需求而定）；如果机床刚性好且夹持力好，尽量采用45°左右的主偏角车刀；后角的磨刀角度和加工铸铁件相仿。

2.3 加工铸造黄铜材料时刀具几何参数的选择

黄铜材料加工特点是：强度硬度低，塑性小，切削力很小。由于黄铜材料强度低，硬度低，塑性小，材料表面硬而光滑，加上内部组织粗松，在切削过程中，当选用较大的前角，切削刃锋利时，容易产生"扎刀"现象，因此刀具前角应选得小些（10°～-3°）

黄铜材料的导热性较好，热量大部分由切屑和工件传递出去，所以刀具主偏角可选择大些（60°～90°）。

因为导热系数好，在切削加工过程中如果刀具角度太小或者是负角，那么工件的发热量会根据角度的大小产生不一样的温度，公差尺寸就比较难保证，特别是大型铜件的加工。如果为了使工件降温而使用切削液冷却的话，工件颜色会变黑，因为内部组织疏松，比较容易吸入水分，所以加工铜件最好不要使用切削液。

2.4 加工铝合金材料时刀具几何参数的选择

切削加工铝合金材料时可选用YG8硬质合金刀具。

（1）加工铝合金材料时，根据有利条件选择刀具几何参数主要考虑：①由于铝合金材料的强度和硬度低，因此切削抗力很小，又因其塑性变形小，延伸率低，因此可以选择较大的前角（选择范围20°～30°）。前刀面磨成圆弧形，无倒棱，刃倾角为0°。②导热性能好，可降低切削温度。主偏角可选得较大些（选择范围60°～90°）。刀尖圆弧R0.5～R1，使刀头有相应的强度。

（2）虽然加工铝合金的材料有利条件比较多，但绝不能忽略它的不利条件。加工铝合金材料时，选择刀具几何参数主要考虑：①在切削刃处有局部高压高温区域，又加上铝合金熔点低（659℃），因此在切削过程中容易产生刀瘤，影响零件表面粗糙度。因此在加工铝合金材料时刀具的前角应选得大一些，同时刀具前刀面，后刀面的表面粗糙度值要求控制在Ra0.8以下，以减少切屑的粘附，防止刀瘤的发生。②铝合金中含有硅，而硅的化合物是硬度很高的质点，会加剧刀具的磨损。为了减少后刀面与零件之间的摩擦和减少刀具磨损，应选择较大的后角（选择范围8°～12°）。

切削加工铝合金材料时，粗加工使用乳化液；精加工使用煤油为冷却液。

另外，切削加工铝合金材料时切削用量比加工钢类材料高，其切削速度可达150～200m/min（可比钢类材料高出 2～3 倍），进给量 0.15～0.5mm/r，切削深度 0.5～5mm。

2.5 加工奥氏体不锈钢（典型钢种是1Cr18Ni9Ti）材料时刀具几何参数的选择

奥氏体不锈钢属于一种特殊材料，物理、机械性能与一般的金属材料有显著的区别，所以车削时对刀具材料、刀具角度、切削用量以及切削液都有特殊的要求，必须根据具体情况进行选择。

（1）奥氏体不锈钢的切削加工特点

奥氏体不锈钢的特点归纳起来就是既粘又韧，且导热性差。因此加工奥氏体不锈钢时必须清晰掌握奥氏体不锈钢的特点，以便找出解决、消除由于工件材料自身不利因素带来的困难。奥氏体不锈钢的特点具体体现在：①奥氏体不锈钢的强度高，特别是高温强度和高温硬度高，所以切削力较大。②奥氏体不锈钢的塑性大，韧性高，切削变形大，相应的切削力、切削热也大。③奥氏体不锈钢的导热率低，仅约为普通碳钢的1/2～1/3，由工件和切屑带走的热量很少，因此，刀具上的切削温度较高，使刀具磨损加快。④奥氏体不锈钢的韧性好，切屑不容易卷曲、折断，在切削过程中容易堵塞，使表面粗糙度值增大和刀刃损坏。⑤奥氏体不锈钢的粘附性强，在切削过程中产生的粘附性切屑，容易产生积屑瘤，不易获得表面粗糙度值小的工件表面，刀刃也容易磨损。⑥奥氏体不锈钢的加工表面易产生冷作硬化现象，使刀具磨损加剧。

（2）刀具材料选择

加工不锈钢的刀具材料应具备足够的强度、韧性、高硬度和高耐磨性，且不锈钢的粘附性要小。常用的刀具材料有硬质合金和高速钢两大类，形状复杂的刀具主要采用高速钢材料。由于高速钢切削不锈钢时的切削速度不能太高，因此影响生产效率的提高。对于较简单的车刀类刀具，刀具材料应选用强度高导热性好的硬质合金。如YG类硬质合金，最好不要选用YT类硬质合金，尤其是在加工1Cr18Ni9Ti不锈钢应绝对避免选用YT类硬质合金，因为不锈钢中的Ti和YT类硬质合金中的Ti产生亲合作用，切屑容易把合金中的Ti带走，促使刀具磨损加剧。生产实践表明，选用 YG3X、YG6X、YW1、YW2硬质合金刀具材料加工不锈钢具有较好的加工效果。并且YG类硬质合金的韧性和导热性较好，不易与切屑粘结，因此适用于不锈钢粗加工；而YW硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化性能以及韧性都较好，适用于不锈钢的精加工。另外，现在新型的CVD、PVD涂层刀具在加工奥氏体不锈钢时有着优越的加工性能，其摩擦系数小，硬度高，耐磨性好，耐热性高。在加工奥氏体不锈钢时效率可提高1～3倍，高者甚至可达5～10倍。

（3）刀具几何角度的选择

由于奥氏体不锈钢材料的塑性大，因此切削变形大，切削力也大，为了减少塑性变形，减少切屑切离和清出过程中所遇到的阻力，降低切削温度和减少加工硬化，便于切削加工，应在保证切削刃强度前提下尽量选用较大前角。粗加工前角宜取10°～20°范围内；精加工前角宜取 20°～30°范围内。为了防止前角加大导致削弱刃口强度，主刀刃应进行负倒棱，通常采用如图1所示的断屑槽。尤其对于外圆粗车刀应该使主刀刃低于刀面0.15～0.25mm，以保证切屑向前卷曲时碰到主后刀面上自动断屑。

图1 切削不锈钢时的卷屑槽

图1中，bn表示棱边宽度，bn≈0.05～0.3mm；Wn表示卷屑槽槽宽，Wn=2～7mm；Rn表示卷屑槽槽底圆弧半径，Rn≈1.5～7.5mm；γ0表示前角；α0表示后角；γ0′表示负倒棱前角。

后角的选择：对于奥氏体不锈钢这种易出现加工硬化的材料，其后刀面摩擦对加工质量及刀具磨损影响加大，因此为了减少后刀面与加工表面间的摩擦，又不影响刀具强度，粗加工时后角应选在4°～6°范围内；半精加工及精加工时后角应选在6°～12°范围内。

主偏角及副偏角和刀尖圆弧半径的选择：奥氏体不锈钢冷硬性强，塑性变形大，因此在机床、工件及刀具系统刚度允许条件下应尽量取较小的主偏角，一般主偏角宜取45°～90°范围内，具体可根据加工余量选择，加工余量大时，主偏角小些，加工余量小时，主偏角大些。副偏角宜取 8°～15°范围内，刀尖圆弧半径常取 0.5～1mm。

刃倾角可控制切屑流向，影响刀尖强度。合理的刃倾角应为：连续车削奥氏体不锈钢时，刃倾角应选在-2°～-6°之间；断续车削时，刃倾角应选在-5°～-15°之间；精加工车削时，刃倾角应选在0°～3°之间。在实际生产加工中也可采用如图2所示的双刃倾角断屑车刀，既增强了刀尖强度和散热性能，同时又部分增大了切屑变形，加宽了断屑范围，在实际应用中取得了良好效果。

奥氏体不锈钢材料粘结磨损比较严重，因此必须降低刀具切削部分的表面粗糙度值（即刃磨后进行研磨），以减少切屑形成卷曲时的阻力，提高刀具耐用度。选用合适的润滑冷却液，原则是选用抗粘附性和散热性好的润滑冷却液，如硫化油或硫化油加四氯化碳，以降低切削热和切削力，防止刀瘤的产生，减少刀具磨损，延长刀具使用寿命。

当然在技术要求允许的条件下，可将工件进行适当的热处理，以改善材料的切削加工性。

图2 双刃倾角断屑车刀

2.6 加工淬火钢材料时刀具几何参数和切削用量的选择

淬火钢突出的特点：硬度高，脆性较大。因此切削力很大，切削热也很大，刀具磨损和崩刃现象比较多。为了改变这种不利状况，应增加刀具的强度。采取下列方法：

（1）选择适合于加工淬火钢的刀具材料：YG8、YW1、YW2、YM201。

（2）选用较大的负前角（选择范围-5°～-2°）；为了增加刀具散热面积，应减小刀具主偏角（选择范围20°～60°）；刀尖圆弧角 120°，刀尖圆弧半径 1.5mm。主后角（2°～5°），副后角（6°～8°）。这样刀尖强度好，散热快，提高了刀具耐用度。

（3）淬火钢硬度高，加工困难，所以转速要低（切削速度一般选择25～30m/min），吃刀小（吃刀深度一般选择0.5～4mm），走刀慢（进给量一般选择 0.1～0.3mm/r），而且还存在加工硬化。如果刀具钝了还继续切削，工件表面更容易出现挤压硬化，刀具挤压力一旦大于工件表面淬火后的屈服强度，工件的加工层就会出现崩块现象，无法保证工件的加工质量。

2.7 加工橡胶材料时刀具几何参数的选择

（1）车削橡胶材料的特点与刀具几何参数的选择。橡胶材料除了具有一般非金属材料所共有的导热性差、强度低等特点外，还有弹性极好的特点。因此在车削时，材料的弹性变形很大。为了确保车削顺利，所选用的刀具应尽量锋利，因此前角一般选择40°～60°，后角一般选择10°～15°，从而使楔角减少，进一步增强刀具的锋利，达到减少切削变形的目的，否则切削时不易达到要求的加工精度和表面粗糙度。为了减少后刀面与工件的摩擦，并分散切削力和切削热，可适当加长车刀的过渡刃和修光刃。为了使排屑流畅，车刀前刀面磨成大前角平面型和圆弧型组成的排屑槽。

（2）车削橡胶材料时刀具材料与加工工艺

加工橡胶材料时刀具材料一般选用高速钢，但在车削含杂质较多的硬橡胶时，由于高速钢耐磨性较差，也可用硬质合金车刀。

由于橡胶材料在车削中容易产生弹性变形，因此应特别注意工件的装夹方法，如在卡盘上装夹平整的木板钉住橡胶板，或用木质心轴装夹套、圈类工件，以增加橡胶抵抗切削的能力。

切削用量应根据切削形式、车刀角度和橡胶种类的不同来选择。切削速度一般可选择大些。车削时不能用油类作切削油，以防油类腐蚀橡胶导致工件变形。如有特殊情况要求时，可以用水冷却。