高速切削自滾切刀具

                        華北工學院機械工程系 龐學慧 常興

    在高速切削技術的發(fā)展過程中，高速切削機床、高速刀具系統(tǒng)和高速切削工藝是其中三項主要技術，而刀具技術起到了非常關鍵的作用。隨著切削速度的大幅提高，對切削刀具材料、刀具幾何參數(shù)、刀體結構以及切削工藝參數(shù)等都提出了不同于傳統(tǒng)切削速度下的更高要求。由于高速切削時產(chǎn)生的切削熱和對刀具的磨損比普通速度時高得多，所以高速切削技術發(fā)展的一個重要障礙就是刀具材料的耐高溫和耐磨損問題。對刀具材料的要求主要包括以下幾方面：①高硬度、高強度和耐磨損；②韌性好，抗沖擊能力強；③高的熱硬性和化學穩(wěn)定性；④抗熱沖擊能力強等。 

    盡管目前的刀具材料已由早期的高速鋼、硬質(zhì)合金發(fā)展到陶瓷、立方氮化硼（CBN）和金剛石，并且開發(fā)和應用了刀具涂層技術和燒結層壓技術，但同時滿足上述要求還是很困難的，而且CBN、金剛石等刀具的價格也很高�？梢娨晃兜刈非蟮毒卟牧系陌l(fā)展與進步，不是最優(yōu)的選擇。自滾切刀具從刀具結構入手，巧妙地使刀具增加了一個運動單元，改善了刀具的工作狀態(tài)，極大地提高了刀具材料的耐高溫、抗磨損能力。 

    1．自滾切刀具的基本原理 

    自滾切刀具采用圓形刀片，在切削過程中靠工件和刀具間的相對運動驅(qū)使刀片繞自身軸線不停地旋轉。以車削加工為例，刀片的安裝方式一種是以圓刀片的端面作前刀面，周面作后刀面，稱為Ⅰ型自滾切刀具（前者刃傾角為正，后者刃傾角為負）；另一種是以圓刀片的周面作前刀面，端面作后刀面，稱為Ⅱ型自滾切刀具。 

    由于自滾切刀具的刀片增加了一個切削運動單元，它不僅具有斜角切削的特點，而且后刀面的棱帶對工件表面還有滾壓作用，所以自滾切刀具的切削特點就是“滾”與“切”相結合。它的很多切削概念都不同于普通刀具，必須加以修正。 

    2．自滾切刀具的兩個重要概念 

   （1）刃傾角 

   自滾切刀具的刃傾角是決定切削性能的重要參數(shù)，也是使切削運動增加一個運動單元的先決條件。刃傾角對工作前、后角、流屑角，甚至對切削速度都有直接的影響。 

   Ⅰ型刀具的軸線在XZ平面內(nèi)的傾斜使刀片產(chǎn)生了角度λ，我們稱其為安裝刃傾角。若將圓弧刀刃上主偏角為零的點命名為刀尖，則安裝刃傾角λ即為刀尖點的刃傾角。對Ⅱ型刀具而言，雖然安裝刃傾角和刀尖都很不直觀，但經(jīng)簡要的推導也可得到。 

    事實上上述對刃傾角的理解僅僅是停留在幾何意義上，并不全面。由于刃傾角既是刀刃切線與基面間的幾何參數(shù)，更是影響工件沿刀刃切向、法向相對速度的“運動參數(shù)”。對滾切刀具而言，當切削過程不穩(wěn)定或刀片回轉的阻力發(fā)生變化時，甚至當?shù)镀�的旋轉是靠外加動力驅(qū)使時（此為驅(qū)動式滾切刀具），刀片的旋轉均不同于理想狀態(tài)下單純受工件驅(qū)使的情況，切削刃上各點的真實刃傾角都會有變化。因此，一些學者還提出了工作刃傾角、等效刃傾角等概念，本文在此就不展開論述.
   （2）切削速度 

    自滾切刀具切削速度的概念與普通刀具不同。以Ⅰ型刀具車削加工為例，V（工件表面線速度）稱為名義切削速度，它是與普通刀具對比以及計算機床轉速的重要參數(shù)；Vr稱為相對切削速度，是將滾切刀具等效為普通刀具的切削速度分量，是自滾切刀具后刀面上的摩擦速度。當不考慮刀片回轉的摩擦阻力時，可得Vr＝Vcosλ。上述Vr實際只是刀尖處的相對切削速度。 

    有些學者還提出了有效切削速度的概念，認為刀具轉速Vt和相對轉速Vr都是由名義切削速度V產(chǎn)生的，因此應將V分為兩部分，一部分用于產(chǎn)生Vt，即Vt在V上的投影；一部分用于產(chǎn)生Vr，即Vr在V上的投影，稱為有效切削速度Ve。 

    進給速度對刀片的轉速Vt也是有影響的，這在許多文獻中均有論述。 

    以上對自滾切刀具的兩個重要概念作了粗淺介紹，可見還有分歧和不同見解。本文旨在拋磚引玉，以期深入的理論研究，加深對自滾切刀具的認識并指導實踐。 

    3．對自滾切刀具的整體評價 

    理論與試驗研究都表明，自滾切刀具具有下列優(yōu)點： 

   （1）刀具耐用度高，適于高速切削。文獻表明，采用高速鋼刀片的Ⅰ型自滾切車刀，可以150m/min的名義速度正常切削50鋼，而這對于普通刀具是根本不可能的；采用Ⅰ型自滾切端銑刀銑削LY12的試驗中，名義速度均在1000m/min左右。文獻表明，采用CBN刀片的Ⅰ型自滾切車刀，以190m/min的名義切削速度加工淬火狀態(tài)的55鋼，60分鐘后刀具后刀面的磨損也只有0.01mm。 

   （2）加工質(zhì)量好。用自滾切刀具加工HT200、淬火鋼、硅鋁合金的表面粗糙度均低于普通刀具加工的表面粗糙度。例如用Ⅰ型自滾切端銑刀加工硅鋁合金，刀具材料W18Cr4V，名義速度V=1178.1m/min，切深αp=0.1～0.2mm，每齒進給量αf=0.05mm/z，表面粗糙度達到Ra0.1～0.2μm。 

   （3）生產(chǎn)率高、經(jīng)濟效益好。試驗研究均表明，自滾切刀具可用普通的刀具材料（高速鋼、硬質(zhì)合金等）按照更高的切削速度、更大的進給量達到同樣的加工質(zhì)量。 

    自滾切刀具也存在著一些明顯的缺點和不足，主要有： 

   （1）結構復雜，對制造精度要求較高，尤其是刀具轉動部分。若制造誤差大或調(diào)整不當，則易引起振動，破壞表面質(zhì)量。 
   （2）刀刃—工件接觸弧較長，徑向力大，因此對工藝系統(tǒng)剛性有較高要求，或只能采用較小的切削深度。 
   （3）不適于加工表面有臺階的零件。 

   4．結論 

   （1）自滾切刀具通過給刀片增加一個運動單元，改變了刀具切削時的受力、受熱狀態(tài)，從而用普通刀具材料即可進行高速切削； 
   （2）自滾切刀具的很多切削概念已不同于普通刀具，須進行修正以完善理論，并指導自滾切刀具的合理使用； 
   （3）自滾切刀具雖有很多優(yōu)點，但也存在著不足，使用時應揚長避短。