合理选用刀具及切削用量方法研究

蔡红军

（陕西烽火电子股份有限公司，陕西 宝鸡 721006）

数控加工中心等数控设备因自动化程度高、加工效率高、零件表面精度高等先进性广泛地应用于制造工业。众多用户配备了大量的配套刀具，却往往因经验不足未依据工件图纸技术要求，合理选用加工刀具的材质、结构形状及适当的加工方法，导致加工效率不高，使数控加工优越性丧失。刀具和切削是一门实践性很强的技术，掌握刀具的应用技术需要不断实践和积累，在实践-分析-改进的循环过程中，试验研究、总结提高，最终充分发挥刀具和设备的优越性，实现高效加工。

1 刀具材质及选择

刀具切削性能的好坏取决于众多因素。从刀具本身来讲，构成刀具切削性能的内在因素是刀具材质、涂层、切削刃几何形状及其整体结构。刀具材质是基础，是关键；涂层是提高和改善刀具性能的配套技术；几何形状赋予刀具材料以切削功能；刀具结构是刀具实现切削所必需的组成部分。

数控刀具主要有高速钢、硬质合金、陶瓷、涂层刀具材质和超硬刀具材质（PCD、PCBN）。高速钢刀具具有优良的综合性能，且制造工艺简单、易磨出锋利的切削刃、对机床专项要求不高，因此是孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具等的主要刀坯材料。目前，新型高性能高速钢制作的各种刀具，大量用于各种高强度钢和铸铁、合金结构钢、耐热合金钢、不锈钢、钛合金、整体铝合金等材料加工。

硬质合金的硬度、耐热性、耐磨性大幅度提高，使切削效率数倍提高。其适合制作大多数刀具，加工各种工件材料。国际标准中把硬质合金刀具分为P、K、M（分别对应国内分类号YT、YG、YW）三大类。P类适于加工长切屑的黑色金属，如各种钢材；K类适于加工短切屑的黑色金属，如铸铁，及有色金属和非金属材料；M类综合性能好，适于加工长或短切屑的黑色金属和有色金属，如不锈钢、耐热合金。随着细颗粒、超细颗粒硬质合金刀具材质的开发，高速钢材料用量逐渐减少，硬质合金刀具成为应用面最广的主要刀具材质。

陶瓷、涂层和超硬材质刀具各占某种优良性能，但可制作的刀具有一定局限性。用户需要时可进行专项了解。

选择刀具材质主要依据4个方面。

（1）根据加工对象的力学性能、物理和化学性能：各种工件材料在切削时的特殊性要求不同的刀具材质与之匹配。刀具材质与工件材料的关系，有关资料手册中有表格可供查阅。

（2）根据工序类别是粗加工、半精加工还是精加工：粗加工选取强度和韧性好的或在同类材质中选强度和韧性好的牌号；半精加工、精加工则选取硬度高、耐磨性好的。硬质合金刀具则选取对应牌号或细颗粒、超细颗粒牌号。

（3）考虑工艺系统刚性、对刀具可靠性的要求及有无冷却等因素：工艺系统刚性差的或可靠性要求高的或加工时浇注冷却液的场合，应选取强度和韧性好的刀具材质。

（4）考虑涂层对刀具材质的改性作用:根据涂层特性及推荐牌号应用领域进行选择。

2 刀具结构选择

被加工零件的结构、材料、工序类别等因素千变万化，造成了刀具结构的多样性和合理选用的必要性。有些刀具结构的选择与加工对象有清晰的对应关系，如加工平面要选面铣刀；此类刀具选用的重点在于刀具材质、几何参数及刀片装夹方式。以立铣刀为例，其结构上的差异主要有五方面。

（1）端头和倒角形状：平头铣刀分尖角、倒角或倒圆角，分别用于对加工面清根的不同要求并改善转角处的承载能力；另有球头铣刀，用于成型表面加工。

（2）端刃结构：分有端刃和无端刃，多数立铣刀都有端刃，既可加工周边又可加工台阶。有端刃立铣刀又分为过中心和不过中心端刃，过中心端刃立铣刀可在三个方向进刀，铣封闭的槽或窝。

（3）螺旋角：立铣刀的螺旋角可以增加参与工作切削刃的长度，减少刀齿切入、切出时的振动。螺旋角还能加大刀齿实际工作的前角，提高刀具锋利程度，起到刃倾角的作用。一般应选用大的螺旋角（30°~45°）。但在加工短切屑的脆性材质或硬度较高材质时，为增加刀齿强度，宜选用较小螺旋角。也有变螺旋角立铣刀，可显著增加铣削平稳性，从而加大进给速度。

（4）齿数：通常立铣刀为2~4齿。齿数少，齿槽宽，容屑空间大，利于排屑，但切削平稳性和加工效率不及多齿的；用于精加工和硬切削的立铣刀，因切削厚度小，可减小容屑空间，增加齿数，提高刀具刚性，使切削平稳，增强加工表面质量，也提高刀具切削效率。

（5）不等分齿结构：可进一步减小切削时的振动。粗加工时，立铣刀的切削刃可做成后波形刃，或分段成苞米齿，也有把切削刃做成前波形刃，前者用于提高切削效率，后者适用于加工钛合金，使切削轻快。

3 切削用量

面对具体零件及工件材质和已选定刀具、机床以及其它必要的工艺装备，继而需要设定切削条件。切削条件包括切削用量（v、f、ap）、切削液、刀具装夹等因素，切削用量合理与否直接关系到加工效率、加工成本、加工质量。

（1）背吃刀量ap：切削用量三要素中，通常先依据加工余量确选定背吃刀量ap，后考虑工件材质、刀具材质、机床和工序等具体工艺因素，对余量做合理分配。粗加工时应尽可能取大ap值，减少走刀次数，提高生产率。但加大ap使切削力增加，因此ap增大应受机床功率和系统刚性的限制。在半精加工或精加工时，余量应取较小ap值，以减小切削力和系统变形，延长刀具寿命，保证加工质量，但对于加工硬化倾向严重的材质，最小背吃刀量应超过硬化层深度。

（2）进给量f：进给量f对刀具寿命的影响比背吃刀量大，但比切削速度小。其主要根据工件材质的强度、硬度、刀具材质类别、加工工序等因素按经验值、参考值选取。

（3）切削速度v：选定了背吃刀量和进给量之后，切削速度v可根据刀具寿命计算得到，并可通过“在最低加工成本下获得较大生产率的切削速度”的原则进行优化。针对不同工件材质和刀具材质，结合背吃刀量，切削速度v有一个范围值，也有长期制造加工得到的经验值。

［1］李洪.机械加工工艺手册［M］.北京：北京出版社，1990.

［2］赵志修.机械制造工艺学［M］.北京：机械工业出版社，1985.