數控車床類刀具知識一

(1)機床刀具材料性能   

    刀具材料不僅是影響刀具切削性能的重要因素，而且它對刀具耐用度、切削用量、生產率、加工成本等有著重要的影響。因此，在機械加工過程中，不數控車床但要熟悉各種刀具材料的種類、性能和用途，還必須能根據不同的工件和加工條件，對刀具材料進行合理的選擇。

    切削時，數控套刀在承受較大壓力的同時，還與切屑、工件產生劇烈的摩擦，由此而產生較高的切削溫度；在加工余量不均勻和切削斷續表面時，加工中心刀具還將受到沖擊，產生振動。為此，刀具切削部分的材料應具備下列基本性能。

    ①硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必須大于工件材料的硬度，一般情況下，要求其常溫硬度在60HRC以上。通常，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好，刀具切削部分抗磨損的能力也就越強。耐磨性還取決于材料的化學成分、顯微組織。刀具材料組織中硬質點的硬度越高，數量越多，晶粒越細，分布越均勻，則耐磨性越好。此外，刀具材料對工件材料的抗黏附能力越強，耐磨性也越好。

    ②強度和韌性。由于切削力、沖擊和振動等作用，數控車床刀具材料必須具有足夠的抗彎強度和沖擊韌性，以避免刀具材料在切削過程中產生斷裂和崩刃。

    ③耐熱性與化學穩定性。耐熱性是指刀具材料在高溫下保持其硬度、耐磨性、強度和韌性的能力。耐熱性越好，則允許的切削速度越高，同時抵抗切削刃塑性變形的能力也越強。

    化學穩定性是指刀具材料在高溫下不易和工件材料、周圍介質發生化學反應的能力?；瘜W穩定性越好，刀具的磨損越慢。

除此之外，刀具材料還應具有良好的工藝性和經濟性。如工具鋼淬火變形要小加工中心，脫碳層要淺及淬透性要好；熱軋成形刀具應具有較好的高溫塑性等。

(2)常用刀具材料

    ①高速鋼。高速鋼是一種加入較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼，有較高的熱穩定性，切削溫度達500～650~C時仍能進行切削，有較高的強度、韌性、硬度和耐磨性。其制造工藝簡單，容易磨成鋒利的切削刃，可鍛造，這對于一些形狀復雜的工具，如鉆頭、成形刀具、數控車床拉刀、齒輪刀具等尤為重要，是制造這些刀具的主要材料。

    高速鋼的品種繁多；按切削性能可分為普通高速鋼和高性能高速鋼；按化學成分可分為鎢系、鎢鉬系和鉬系高速鋼；按制造工藝不同，分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。

    a．普通高速鋼。國內外使用Z多的普通高速鋼是W6M05Cr4V2(M2鉬系)及W18Cr4V(W18鎢系)鋼，含碳量為0．?％～0．9％，硬度63～66HRC，不適于高速和硬材料切削。

    新牌號的普通高速鋼W6M03Cr4V(W9)是根據我國資源情況研制的含鎢量較多、含鉬量較少的鎢鉬鋼。其硬度為65～66．5HRC，有較好硬度和韌性的配合，熱塑性、熱穩定性都較好，焊接性能、磨削加工性能都較高，磨削效率比M2高20％，表面粗糙度值也小。

    b．高性能高速鋼指在普通高速鋼中加入一些合金，如Co、A1等，使其耐熱性、耐磨性又有進一步提高，熱穩定性高。但綜合性能不如普通高速鋼，數控車床不同牌號只有在各自規定的切削條件下，加工中心才能達到良好的加工效果。我國正努力提高高性能高速鋼的應用水平，如發展低鈷高碳鋼W12M03Cr4V3CoSSi、含鋁的超硬高速鋼W6MoSCr4V2A!、W10M04Cr4V3A1，提高韌性、熱塑性、導熱性，其硬度達67～69HRC，可用于制造出口鉆頭、鉸刀、銑刀等。

    c．粉末冶金高速鋼?？梢员苊馊蹮挿掍摃r產生的碳化物偏析。其強度、韌性比熔煉鋼有很大提高?？捎糜诩庸こ邚姸蠕?、不銹鋼、鈦合金等難加工材料。用于制造大型拉刀和齒輪刀具，特別制造是切削時受沖擊載荷的刀具效果更好。

    ②硬質合金。硬質合金是由高硬度、高熔點的金屬碳化物(如WC、TiC等)粉末，以鈷(C。)為黏結劑，用粉末冶金方法制成的。硬質合金的硬度、耐磨性、數控車床耐熱性都很高，硬度可達89—93HRA，在800～1000~C還能承擔切削，耐用度較高速鋼高十幾倍，允許采用的切削速度達100～300m／miD_，甚至更高，約為高速鋼刀具的4—10倍，并能切削一般工具鋼刀具不能切削的材料(如淬火鋼、玻璃、大理石等)。但其抗彎強度較高速鋼低，僅為0．9—1．5GPa；沖擊韌度差，切削時不能承受大的振動和沖擊負荷。

    硬質合金以其切削性能優良被廣泛用作刀具材料，如車刀、加工中心端銑刀以至深孔鉆等。它制成各種形式的刀片，然后用機械夾緊或用釬焊方式固定在刀具的切削部位上。

(3)刀具失效形式  

    刀具在切削過程中將逐漸產生磨損。當刀具磨損量達到一定程度時，可以明顯地發現切削力加大，切削溫度上升，切屑顏色改變，數控車床甚至產生振動。同時，工件尺寸可能會超出公差范圍，機床電器已加工表面質量也明顯惡化。此時，必須對刀具進行重磨或更換新刀。打時刀具也可能在切削過程中會突然損壞而失效，造成刀具破損。刀具的磨損、破損及其使用壽命(也稱耐用度)關系到切削加工的效率、質量和成本，因此它是切削加工中極為重要的問題之一。

    ①刀具磨損的方式。

    a．前刀面磨損(月牙洼磨損)。在切削速度較高、切削厚度較大的情況下加工塑性金屬，當刀具的耐熱性和耐磨性稍有不足時，切屑在前刀面上經常會磨出一個月牙洼。在前刀面上相應于產生月牙洼的地方，其切削溫度Z高，因此磨損也Z大，從而形成一個凹窩(月牙洼)。月牙洼和切削刃之間有一條小棱邊。在磨損的過程中，月牙洼寬度逐漸擴展。當月牙洼擴展到使棱邊變得很窄時，切削刃的強度大為削弱，極易導致崩刃。月牙洼磨損量以其深度KT表示。

    b．后刀面磨損。由于加工表面和后刀面間存在著強烈的摩擦，在后刀面上毗鄰切削刃的地方很快被磨出后角為零的小棱面，這種磨損形式叫做后刀面磨損。在切削速度較低、數控車床切削厚度較小的情況下切削塑性金屬以及加工脆性金屬時，一般不產生月牙洼磨損，但都存在著后刀面磨損。

    c．前刀面和后刀面同時磨損。機床電器這是一種兼有上述兩種情況的磨損形式。在切削塑性金屬時，經常會發生這種磨損。

    ②刀具磨損的原因。為了減小和控制刀具的磨損，為了研制新的刀具材料，必須研究刀具磨損的原因和本質。切削過程中的刀具磨損具有下列特點：刀具與切屑、工件間的接觸表面經常是新鮮表面；接觸壓力非常大，有時超過被切削材料的屈服強度；接觸表面的溫度很高，對于硬質合金刀具可達800～1000~C，對于高速鋼刀具可達300～600~C。

    在上述條件下工作，刀具磨損經常是機械的、熱的、化學的三種作用的綜合結果，可以產生磨料磨損、冷焊磨損(有的文獻稱為黏結磨損)、擴散磨損和氧化磨損等。

    a．磨料磨損。切屑、工件的硬度雖然低于刀具的硬度，但其結構中經常含有一些硬度極高的微小的硬質點，機床電器能在刀具表面刻劃出溝紋，這就是磨料磨損。數控車床硬質點有碳化物(如Fe3C、TiC、VC等)、氮化物(如TiN、Si：N+等)、氧化物(如SiOz、Alz()，等)和金屬間化合物。磨料磨損在各種切削速度下都存在，但對低速切削的刀具(如拉刀、板牙等)，磨料磨損是磨損的主要原因。這是因為低速切削時，切削溫度比較低，由于其他原因產生的磨損尚不顯著，因而不是主要的。高速鋼刀具的硬度和耐磨性低于硬質合金、陶瓷等，故其磨料磨損所占的比重較大。

    b．冷焊磨損。切削時切屑、工件與前、后刀面之間，存在很大的壓力和強烈的摩擦，因而它們之間會發生冷焊。由于摩擦副之間有相對運動，冷焊結產生破裂被一方帶走，從而造成冷焊磨損。

    一般說來，工件材料或切屑的硬度較刀具材料的硬度為低，冷焊結的破裂往往發生在工件或切屑這一方。但由于交變應力、接觸疲勞、熱應力以及刀具表層結構缺陷等原因，數控車床冷焊結的破裂也可能發生在刀具這一方，機床電器這時，刀具材料的顆粒被切屑或工件帶走，從而造成刀具磨損。

    冷焊磨損一般在中等偏低的切削速度下比較嚴重。研究表明：脆性金屬比塑性金屬的抗冷焊能力強。在高速鋼刀具正常工作的切削速度和硬質合金刀具偏低的切削速度下，正好滿足產生冷焊的條件，故此時冷焊磨損所占的比重較大。提高切削速度后，硬質合金刀具冷焊磨損減輕。

    c．擴散磨損。擴散磨損在高溫下產生。切削金屬時，切屑、工件與刀具接觸過程中，雙方的化學元素在固態下相互擴散，改變了材料原來的成分與結構，使刀具表層變得脆弱，從而加劇了刀具的磨損。

    硬質合金中，鈦元素的擴散率遠低于鈷、數控車床鎢，TiC又不易分解，故在切鋼時YT類合金的抗擴散磨損能力優于YG類合金。TiC基、丁i(C，N)基合金和涂層合金(涂覆TiC或TiN)則更佳；機床電器硬質合金中添加鉭、鈮后形成固镕體(W，丁i，Ta，Nb)C，也不易擴散，從而提高了刀具的耐磨性。

    擴散磨損往往與冷焊磨損、磨料磨損同時產生，此時磨損率很高。前刀面上離切削刃有一定距離處的溫度Z高；該處的擴散作用Z強烈；于是在該處形成月牙洼。高速鋼刀具的工作溫度較低，與切屑、工件之間的擴散作用進行得比較緩慢，故其擴散磨損所占的比重遠小于硬質合金刀具。

    ③刀具磨損過程及磨鈍標準。刀具磨損到一定程度就不能繼續使用，否則將降低工件的尺寸精度和已加工表面質量，同時也要增加刀具的消耗和加工成本。數控車床那么，刀具磨損到什么程度就不能使用呢?這需要制定一個磨鈍標準。

    a．刀具磨損過程。后刀面磨損量VB隨切削時間‘的延長而增大。沈陽第一機床廠典型的刀具磨損曲線，其磨損過程分三個階段。

初期磨損階段：這一階段磨損曲線的斜率較大。由于刃磨后的新刀具，其后刀面與加工表面間的實際接觸面積很小，壓強很大，故磨損很快。新刃磨后的刀面上的微觀粗糙度也加速了磨損。初期磨損量的大小與刀具刃磨質量有很大關系，通常在VB＝o．05～o．1mm之間。數控車床經過研磨的刀具，其初期磨損量小，而且要耐用得多。

    正常磨損階段：經過初期磨損，后刀面上被磨出一條狹窄的棱面，壓強減小，故磨損量的增加也緩慢下來，并且比較穩定，這就是正常磨損階段，沈陽第一機床廠也是刀具工作的有效階段。這一階段中磨損曲線基本上是一條向上的斜線，其斜率代表刀具正常工作時的磨損強度。磨損強度是比較刀具切削性能的重要指標之一。

    劇烈磨損階段：刀具經過正常磨損階段后，切削刃顯著變鈍，切削力增大，切削溫度升高，這時刀具的磨損情況發生了質的變化而進入劇烈磨損階段。這一階段的磨損曲線斜率很大，即磨損強度很大。此時刀具如繼續工作，則不但不能保證加工質量，而且刀具材料消耗多，數控車床經濟上是不合算的。故應當使刀具避免發生劇烈磨損。

    觀測前刀面磨損量(月牙洼深度KT)，其磨損曲線也可出現類似上述三個磨損階段。

    b．刀具的磨鈍標準。刀具磨損后將影響切削力、切削溫度和加工質量，因此必須根據加工情況規定一個Z大的允許磨損值，這就是刀具的磨鈍標準。一般刀具的后刀面上都有磨損，它對加工精度和切削力的影響比前刀面磨損顯著，同時后刀面磨損量比較容易測量，因此在刀具管理和金屬切削的科學研究中多按后刀面磨損尺寸來制定磨鈍標準。通常所謂磨鈍標準是指后刀面磨損帶中間部分平均磨損量允許達到的Z大值，沈陽第一機床廠以VB表示。

    制定磨鈍標準需考慮被加工對數控車床象的特點和加工條件的具體情況。

    工藝系統的剛性較差時應規定較小的磨鈍標準。后刀面磨損后，切削溫度升高。加工不同的工件材料，切削溫度的升高也不相同。在相同的切削條件下，加工合金鋼的切削溫度高于碳素鋼，加工高溫合金及不銹鋼的切削溫度又高于一般合金鋼。在切削難加工材料時，一般應選用較小的磨鈍標準；加工一般材料，磨鈍標準可以大一些。

    加工精度及表面質量要求較高時，數控車床應當減小磨鈍標準，沈陽第一機床廠以確保加工質量。例如在精車時，應控制VB在0．1—0．3mm的范圍內。

    c．刀具耐用度。

    刀具耐用度的定義：刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達到磨鈍標準為止的切削時間，稱為刀具耐用度，以丁表示。它是指凈切削時間，不包括用于對刀、測量、快進、回程等非切削時間。

    刀具耐用度是很重要的數據。在同一條件下切削同一工件材料時，可以用刀具耐用度來比較不同刀具材料的切削性能；同一刀具材料切削各種工件材料，數控車床又可以用刀具耐用度來比較工件材料的切削加工性；也可以用刀具耐用度來判斷刀具幾何參數是否合理。工件材料、刀具材料的性能對刀具耐用度影響Z大。在切削用量中，影響刀具耐用度Z主要的因素是切削速度，其次是進給量、切削深度。此外，刀具幾何參數對刀具耐用度也有重要影響。

    切削速度與刀具耐用度的關系：切削速度與刀具耐用度的關系是用實驗方法求得的。實驗表明切削速度對使用壽命的影響小，即刀具的切削性能較好。

    進給量、切削深度與刀具耐用度的關系：切削速度對刀具使用壽命的影響Z大，沈陽第一機床廠其次是進給量，切削深度影響Z小。所以在優選切削用量以提高生產率時，數控車床其選擇先后順序應為：首先盡量選用大的切削深度d，，然后根據加工條件和加工要求選取允許的Z大進給量／，Z后才在刀具使用壽命或機床功率所允許的情況下選取Z大的切削速度wc。