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可转位刀具的选用 |
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作者：中国机械工业金属切削刀具技术协会 吴江 |
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市场经济不断地推进，现代企业在高目标和低成本的追求过程中，已逐渐改变了传统的“大而全”、“小而全”的模式，取而代之的是以投入最小的人力、物力获得最大效益的“主题”生产。体现在金属切削刀具领域，成本已不再是简单的购买刀具的费用，一方面，采用什么样的刀具会影响到产品工艺、机床的选型和配置、生产效率、产品质量等，因而受到越来越多的重视；另一方面，自制刀具是否划算？人力物力的投入也成为企业考虑的问题。企业内部的成本核算推进了生产过程的专业化服务。因此，对一般机械加工企业来说，刀具的配置，更多的是如何选、如何用，而不是在如何设计与制造上。
1．可转位刀具选用的一般原则
可转位刀具按工艺类别已有相应ISO标准和GB国家标准，标准以若干位特定的英文字母代码和阿拉伯数字组合，表示该刀具的各项特征及尺寸，在选择之前需确定加工工艺类别，即外圆车削、内孔车削、切槽、铣削、还是其他。以外圆车削为例：
刀片夹紧方式的选择
在国家标准中，一般夹紧方式有上压式(代码为C)、上压与销孔夹紧(代码M)、销孔夹紧(代码P)和螺钉夹紧(代码S)四种，有的公司还有牢固夹紧(代码为D)图1。但这仍不可能包括可转位车刀所有的夹紧方式。例如代号P是用刀片的中心圆柱形销夹紧，而夹紧方式有杠杆式，偏心式等，而且，各刀具商所提供的产品并不一定包括了所有的夹紧方式，因此选用时要查阅产品样本。各夹紧方式适用不同形式的刀片，如无孔刀片常用上压式(C型)，陶瓷、立方氮化硼等刀片常用此夹紧方式。D和M型夹紧可靠，适用于切削力较大的场合，如加工条件恶劣、钢的粗加工、铸铁等短屑的加工等。P型前刀面开放，有利于排屑，一般中、轻切削可选用。S型结构简单紧凑，无阻排屑，是沉孔刀片的夹紧方式，可用正前面刀片，适合于轻切削和小孔加工等。
图1刀片夹紧的方式
刀片外形的选择
刀片外形与加工的对象、刀具的主偏角、刀尖角和有效刃数等等有关。一般外圆车削常用80°凸三边形(W型)，四方形(S型)和 80°棱形( C型)刀片。仿形加工常用55°(D型)、35°(V型)棱形和圆形(R型)刀片。90°主偏角常用三角形(T型)刀片。不同的刀片形状有不同的刀尖强度，一般刀尖角越大，刀尖强度越大，反之亦然。圆刀片(R型)刀尖角最大，35°菱形刀片(V型)刀尖角最小(图2)。在选用时，应根据加工条件恶劣与否，按重、中、轻切削针对性地选择。在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选用刀尖角较大的刀片，反之，机床刚性和功率小、小余量、精加工时宜选用较小刀尖角的刀片。
图2刀片形状与刀尖强度、切削振动示意图
从切削力考虑，刀尖角越大，在车削中对工件的径向分力越大，越易引起切削振动。
从有效刃数来看，同等条件下，圆形刀片最多，棱形刀片最少，最近又现出了一种80°的四边形刀片(Q型)(图3)，这种刀片比80°棱形刀片的有效刃数增加了一倍。
图3 Q型刀片
刀杆头部形式的选择刀杆头部形式按主
偏角和直头、偏头分有15～18种，各形式规定了相应的代码，国家标准和刀具样本中都—一列出，可以根据实际情况选择。有直角台阶的工件，可选大于或等于叨往偏角的刀杆。一般粗车，可选主偏角45°～90°的；精车，可选45°～75°的；中间切入、仿形，可选45°～107.5°的；工艺系统刚性好时可选较小值，工艺系统刚性差时，可选较大值。
刀片后角的选择常用的刀片后角有N(0°)、C(7°)、P(11°)、E(20°)等，一般粗加工，半精加工可用N型。半精加工、精加工可用C型、P型、也可用带断屑槽形的N型刀片。加工铸铁、硬钢可用N型。加工不锈钢可用C型、P型。加工铝合金可用P型、E型等。加工弹性恢复性好的材料可选用较大一些的后角。
一般镗孔刀片，选用C型、P型，大尺寸孔可选用N型。
左右手刀柄的选择有三种选择：R(右手)、L(左手)和N(左右手)。要注意区分左右刀的方向(图4)。选择时要考虑机床刀架是前置式还是后置式、前刀面是向上还是向下、主轴的旋转方向以及需要的进给方向等，图5表示了左右手螺纹刀在不同的情况下所得到的不同结果。
图4左右手刀柄
图5左右手螺纹刀的应用
刀杆尺寸的选择 刀杆基本尺寸有刀尖高度，刀杆的宽度和长度，在标准尺寸系列中，这些都是相对应的，选择时应与所使用的机床相匹配，使车刀装在卧式车床刀架上的刀尖位置处于车床主轴中心线等高位置，若略低一点可以加垫片解决，但对于数控机床，原则上不得加垫片。刀杆的长度应考虑到刀杆需要的悬伸量，这悬伸量应尽可能小。内孔刀杆还要考虑加工的最小孔径等等。
切削刃长度的选择 切削刃的长度应根据加工余量来定，最多是刃长的2/3参加切削。要考虑到主偏角对有效切削刃长度的影响。
刀片精度等级的选择 刀片精度等级根据加工作业，例如精加工、半精加工、粗加工等选择，以便在保证作业任务完成的前提下，降低加工成本。国家标准有A～U共12个精度等级，车削常用等级为G、M、U。一般，精密加工选用高精度的G级刀片；非铁金属材料的精加工，半精加工宜选用G级刀片。淬硬(45HRC以上)钢的精加工也可选用G级刀片。精加工至重负荷粗加工可选用M级、粗加工可选用U级刀片。
刀尖圆弧半径的选择 刀尖圆弧半径不仅影响切削效率，而且关系到被加工表面粗糙度及精度。从刀尖圆弧半径与最大进给量关系来看，最大进给量不应超过刀尖圆弧半径尺寸的80％，否则将恶化切削条件，甚至出现螺纹状表面和打刀等问题。因此，选择的刀尖圆弧半径应等于或大于零件车削最大进给量的1.25倍。当刀尖角小于90°时，允许的最大进给量应下降。
刀尖圆弧半径还与断屑的可靠性有关。为保证断屑，切削余量和送给量有一个最小值，当刀尖圆弧半径减小，所得到的这两个最小值也相应减小，因此，从断屑可靠出发，通常对于小余量、小进给车加工作业应采用小的刀尖圆弧半径，反之宜采用较大的刀尖圆弧半径。
刀尖圆弧半径与进给量在几何学上是形成被加工零件表面粗糙度的两个参数：h≈f²/8rε(式中，h为加工表面轮廓高µm,f为进给量mm/r,rε为刀尖圆弧半径mm)。由此式可知，当被加工零件表面粗糙度与进给量已设定后，就可选择相应的刀尖圆弧半径rε≥f²/8h．具体数值见表1。表1 rε、f、Ra数据对应表
| 表面粗糙度µm | 刀尖圆弧半径rε/mm | | 0.4 | 0.8 | 1.2 | 1.6 | 2.4 | | h | Ra | 进给量f(mm/r) | | 1.6 | 0.6 | 0.07 | 0.10 | 0.12 | 0.14 | 0.17 | | 4 | 1.6 | 0.11 | 0.15 | 0.19 | 0.22 | 0.26 | | 10 | 3.2 | 0.17 | 0.24 | 0.29 | 0.34 | 0.42 | | 16 | 6.3 | 0.22 | 0.30 | 0.37 | 0.43 | 0.53 | | 25 | 8.0 | 0.27 | 0.38 | 0.48 | 0.54 | 0.66 |
断屑槽形的选择 我国生产的硬质合金刀片断屑槽形分为两大类，一类是国家标准(GB2076—87)所推荐的23种断屑槽形；一类是通过引进吸收，开发后生产的断屑槽形。前一类在普通机床上常采用，后一类在我国两大硬质合金厂的产品样本中推荐出了相应的适用范围。两大类数十种槽形无法—一列出，选用时可参考有关样本。作为常规的数控切削加工，刀片的断屑槽形已向基本槽形加补充槽形两种模式发展，即以尽可能小的槽形覆盖尽可能大的加工范围，其余充实槽形来弥补。糟形根据加工作业类型和加工对象的材料特性来确定，各供应商表示方法不一样，但思路基本一样：基本槽形按加工作业类型有精加工(代码F)、普通加工(代码M)和粗加工(代码R)。加工材料按国际标准有钢(P类)、不锈钢、合金钢(M类)和铸铁(K类)。这两种情况一组合就有了相应的槽形，比如PF就指用于钢的精加工槽形，KM是用于铸铁普通加工的槽形等。如果加工向两方向扩展，如超精加工和重型粗加工，以及材料也扩展，如耐热合金、铝合金，有色金属等等，就有了超精加工、重型粗加工和加工耐热合金、铝合金等等的补充槽形，选择时可查阅具体的产品样本。
2．选择的层次问题
选择的层次，在这是指选择什么档次的刀具。
我国的刀具市场已是完全的买方市场，这对买方有利，但也给买方带来了困惑。选择什么档次的刀具与机床的档次、零部件加工的要求、产品的价值。企业的类别和企业产品的市场状况等有着密切的关系。目前，对中国的刀具“层次”业内有这么一种认为：(1)德国，(2)欧美、以色列、日本等，(3)韩国、台湾、(4)中国内地。一般来说这些国家和地区的刀具价位是依次递减的，但这并不是说其刀具的性价比也是如此，更不是说各自在自己的强项方面不是世界顶级产品(包括价位)、不是第1层次。山特维克钢件的切削，肯纳、伊斯卡的高温合金、不锈钢的加工，攀时、伊斯卡、山高的铝及有色金属的加工；山特维克的车刀，山高、英格索尔、瓦尔特的铣刀，伊斯卡的糟刀，埃莫克的丝锥，马宝的铰刀，EPB、可麦特的镗刀，钴领的钻头，日本的金属陶瓷等等。国内：哈工量的铣刀、哈一工、贵工的拉刀、汉江工具厂的齿轮滚刀、西南工具总厂的高速钢立铣刀、上刃的丝锥、英格的铣和孔加工刀具、湖南钻石的整体硬质合金刀具、广工的工具系统、成都工具研究所的螺纹刀片、自贡硬质合金厂的重型切削和难加工材料硬质合金刀片、株洲硬质合金厂的数控车、铣刀片及超细颗粒刀片等等，都在各自领域和层次上具有相当的优势，用户应根据自身的实际情况充分考虑刀具的性价比，作出选择。如产品难加工或加工要求高、有效率、有质量的要求，可选用第一层次的刀具，如轿车生产线、航空航天领域。普通机床上的常规加工用国产刀具也完全可以胜任。
3.选择的标准化问题
选择标准品和非标产品对价格和供货期有很大影响。标准品和非标产品是相对的，在这一家是非标产品，在另一家可能就是标准品，一般来说，各家公司的强项产品，非标的可能性就小一些，例如加工飞机发动机零部件封严齿(图6)，原有的方案是封严齿A区的加工需非标的2把刀、B区的加工需3～4把非标刀，C区需2～3把非标刀，采用伊斯卡的槽刀，A区标准刀具，B区两把非标刀、C区两把非标刀。刀具数量减少、标准品增加，且由于伊斯卡在槽刀上技术与经验的积淀，其非标槽刀与标准槽刀价格和供货周期相当，故优势就明显了。
图6 封严齿
4．选择的通用性问题
市场经济变化莫测，今天的热销产品明天可能就滞销而需要开发新的产品，在刀具配置时就应充分考虑这一点而尽可能选通用性好一些的刀具。通用性应有两个层面的考虑，一方面指不是专用刀而是通用的标准刀，另一方面是一把刀可以完成更多的加工作业。比如，前面所提到的Q型刀片是一种很好的刀片，它比80°棱形刀片有效刃数增加了一倍。但它在切削有直角台阶的外圆时要受刀刃长度的限制(图3)，因此通用性稍差一些。又比如用普通切槽刀只能切一定尺寸宽度的槽，而采用多功能切糟刀，就可以切包括与刀片尺寸同宽的和更宽的槽以及外圆、端面等，这样，刀具数可以减少而加工的对象和范围都得到增加，经济性也就在其中了。
刀具选择受很多因素限制，如刀片、刀具的品种规格、刀片的材料牌号、刀具的精度及价格等等，选择方案的好与坏只有根据实际情况才能作出判断。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/1/2004) |
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