数控加工过程中刀具的选择

（沈阳黎明航发集团（有限）责任公司国际业务事业部，辽宁 沈阳 110043）

数控加工过程中刀具的选择

丁 坤 谢振武

（沈阳黎明航发集团（有限）责任公司国际业务事业部，辽宁 沈阳 110043）

快速发展的数控机加工工艺技术促进了数控刀具结构基础科研和新产品的研发。世界各大厂商生产的数控机床用刀具种类、规格繁多，数量庞大，往往令人眼花缭乱。现将有关数控刀具科普性知识和数控刀具材料、结构、应用等进行分类，并结合零件车加工过程中遇到的问题进行简要分析。

数控；刀具；问题分析

一、刀具的分类

刀具按工件加工表面的形式可分为五类：

加工各种外表面的刀具，包括车刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等。

孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等。

螺纹加工刀具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀、铣刀等；

齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等。

切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。

此外，还有组合刀具。

按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类：

通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等；

成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；

二、刀具的结构

各种刀具由装夹部分和工作部分组成。

刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。

刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。

刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积。

三、刀具的材料

制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性（切削加工、锻造和热处理等），并不易变形。通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。

硬质合金可转位刀片现在都已用化学气相沉积涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具，也可用于高速钢刀具。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁，使刀具在切削时的磨损速度减慢，涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高1～3倍以上。

由于在高温、高压、高速下，和在腐蚀性流体介质中工作的零件，其应用的难加工材料越来越多，切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。为了适应这种情况，刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料；进一步发展刀具的气相沉积涂层技术，在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层，更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾；进一步发展可转位刀具的结构；提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现最佳化。

刀具材料大致分如下几类：高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金刚石。

四、刀具的涂层技术

对刀具进行涂层是机械加工行业前进道路上的一大变革，它是在刀具韧性较高的基体上涂覆一层、二层乃至多层具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层（如TiN、TiC等），使刀具具有全面、良好的综合性能。在工业生产中，使用涂层刀具可以提高加工效率、加工精度、延长寿命、降低成本。

近30余年来，刀具涂层技术迅速发展，涂层刀具得到了广泛应用。现在，涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具已占全部刀具使用总量的50%以上。在西欧，由于资源匮乏和机械加工的高效化，以及数控技术进步及难加工材料增多，涂层刀具正以惊人的发展速度被动式向前挺进。西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%，新型的数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。

涂层刀具有以下优点：

由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高温。故与未涂层的刀具相比，涂层刀具允许采用较高的切削速度，从而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。

由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故涂层刀具的切削力小于未涂层的刀具。用涂层刀具加工，零件的已加工表面质量较好。由于涂层刀具的综合性能良好，故涂层硬质合金刀片有较好的通用性，一种涂层硬质合金牌号的刀片具有较宽的使用范围。

五、下面就我在加工镍基高温合金零件过程中遇到的问题进行简要分析

材料：镍高温合金具有热稳定性好、高温强度和硬度高、耐腐蚀、抗磨损等特点，是典型的难加工材料。

问题：（1）由于镍基高温合金质地坚硬，如果选刀不当，极易造成加工表面产生硬质层。（2）镍基高温合金多应用在航空发动机涡轮盘上，是发动机的关键部件，形状复杂，约束了刀具的选择。

解决：（1）选用刀具前一定先考虑刀具的属性，如焊接刀选用YD15以上的，机夹刀片的涂层是否适合高温合金。并在加工过程中注意切削声音及碎屑，掌握刀具使用寿命，及时更换刀片。（2）在加工复杂型腔时，最好选用焊接刀去除余量，因为焊接刀的制造及硬度决定了，如果受力过大发生打刀现象，刀体不会将零件严重磕伤，从而节约了专用刀具以及零件成本。

镍基高温合金在应力、温度和恶劣的工作条件下容易产生疲劳失效，因此涡轮盘材料及制造技术是研制高性能航空发动机的关键。选择好一把好刀非常关键，更关键的是选用的加工参数及方法。

[1]李玉平．金属切削刀具[J]．新余高专学报，2005（04）．

TG65 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

A