有色金属镜面车削刀具的设计和选用

摘 要：用数控车床对有色金属进行镜面和高精度车削加工时，影响其表面粗糙度和精度的因素有很多，能设计出合适的车刀是满足表面粗糙度要求、达到镜面加工和高尺寸精度的要素之一，同时也是选择合适的成型车刀基本条件之一。

关键词：有色金属；镜面加工；高精度加工；刀具设计

前言

随着科学技术的发展和人们对机械产品日益精细的要求，对机械产品提出了高尺寸精度、高形位公差、高表面粗糙度、高效率的加工要求；为此，设计出合适的加工刀具，对于保证产品质量具有重要的意义。

在技师学院数控车工实训教学中，保证学生对高质量机械零部件的加工技能训练是十分必要的。同时在超精密加工的教学中，对于有色金属材料工件，一般不宜采用磨削方式进行加工，适宜采用车削加工的实际验证。

高质量的机械零部件的加工，需要加工系统诸多因素的共同保证，设计或选用合适的刀具是必要的保证之一。

1 对高表面粗糙度值和高精度零件车削加工中刀具的设计

在数控车工教学实训中，对于高技能操作人员的高质量实训，是保证教学质量的重要因素。为此，结合校企合作有关企业的要求，在数控车工实训中，安排了材料为有色金属、工件直径Φ28、表面粗糙度为0.025（镜状光泽面）、直线度3级精度（≤1.5微米）、圆度和圆柱度均为4级精度（均≤1.5微米）、尺寸精度IT5（IT0.009）的练习工件进行编程加工训练。

为保证加工各项精度要求，采取了以下措施。

1.1 选用合适的刀具材料

因为被加工材料为有色金属，加工工件的表面粗糙度值、各项尺寸精度和形位精度均较高，为此初步选取金刚石刀头作为车刀切削部分的材料。

金刚石刀具的分类：

（1）天然金刚石刀具主要用于紫铜及铜合金和金、银、铑等贵重有色金属，以及特殊零件的超精密镜面加工，如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜和二次曲面镜等。但其结晶各向异性，刀具价格昂贵。

（2）聚晶金刚石PCD的性能取决于金刚石晶粒及钴的含量，硬度可达8000HV，为硬质合金的8～12倍，刀具寿命为硬质合金（WC基体）刀具的10～500倍。主要用于车削加工各种有色金属如铝、铜、镁及其合金、硬质合金和耐磨性极强的纤维增塑材料、金属基复合材料、木材等非金属材料。切削加工时切削速度、进给速度和切削深度加工条件取决于工件材料以及硬度。PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。由于其结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。

（3）人造聚晶金刚石复合片（PDC）性能和应用接近PCD刀具，主要用在有色金属、硬质合金、陶瓷、非金属材料（塑料、硬质橡胶、碳棒、木材、水泥制品等）、复合材料等切削加工，逐渐替代硬质合金刀具。由于金刚石颗粒间有部分残余粘结金属和石墨，其中粘结金属以聚结态或呈叶脉状分布会减低刀具耐磨性和寿命。此外存在溶媒金属残留量，溶媒金属与金刚石表面直接接触。降低（PDC）的抗氧化能力和刀具耐热温度，故刀具切削性能不够稳定。

（4）金刚石厚膜刀具（TDF）制备过程复杂，因金刚石与低熔点金属及其合金之间具有很高的界面能。金刚石很难被一般的低熔点焊料合金所浸润。可焊性极差，难以制作复杂几何形状刀具。

（5）金刚石涂层刀具可以应用于高速加工，原因是除了金刚石涂层刀具具有优良的机械性能外，金刚石涂层工艺能够制备任意复杂形状刀具，用于高速加工例如铝钛合金航空材料和难以加工的非金属材料如石墨电极等。

综上所述，选用PCD车刀，利用金刚石优良的红硬性和耐磨性，在高速精车有色金属时，可极大地减少切削变形及刀具的磨损，以获得高质量的表面粗糙度、高尺寸精度和高形状精度。

1.2 切削用量的选用

根据在工厂的工作经验和校企合作的企业反馈的信息，选用的切削用量如下：

切削线速度ν应当取200～300m/min，因数控车床主轴最高转速所限，取ν=60～70m/min。

进给速度f=0.01～0.04mm/min（修光刃较宽时，可取较大的进给速度）

切削深度αp=0.002～0.003mm

1.3 刀具结构、刀头安装方式和刀头几何角度的设计或选用

1.3.1 刀具结构设计如图1所示。

刀杆选用45#钢制成，热处理硬度38～40HRC，以保证有充足的刚性、弹性、韧性和屈服强度。

1.3.2 金刚石刀头在刀杆上的固定设计有二种方式。

（1）对于一般的外圆刀及镗刀，可用螺钉、压板将刀头固定在刀杆上（如图1所示），为了提高刀头夹持的稳定性，可在刀头下垫上0.1mm厚的经过退火处理后的紫铜皮，经过实际验证，效果优良。

（2）对于采用机械夹固方式较困难的小孔镗刀，可先用502胶水将刀头粘接在有预设位置的刀杆上，然后再用环氧树脂胶封。

1.3.3 刀头的几何角度的设计（如图2所示）

（1）常用角度的设计

为了增加刀头的强度和刃磨方便，可取前角=0°，但在加工薄工件时，为了提高刀头的锋利、减小切削力，可取前角=6°。

主后角越大，刀刃越锋利，但是主后角过大，将降低刀刃的强度，为此选取主后角=6°，以满足切削的强度和使主切削刃尽可能的锋利。

副后角一般不具有切削能力，只要在车削过程中不出现干涉现象即可。为了便于修磨刀头，副后角=6°，以满足不会发生干涉和提高刀头的刚性。

主偏角用于切削和切削力的分配，因为是精密加工，车削量很小，保证刀头的刚性和提高切削率是主要的要求，所以主偏角=30°，以保证刀头的刚性和提高切削率。

负偏角在不降低刀头刚性的基础上，用于削平切削的凸峰，以保证表面粗糙度的数值要求，所以副偏角=30°，以保证刀头的刚性和削平切削的凸峰。

刃倾角=0°，以保证刃口的刚性和切屑的排向。

（2）修光刃角度的设计

前角与（1）相同。

修光刃与主切削刃之间有0.1mm的过度刃，主偏角=6°，以满足主切削刃到修光刃之间切削力的过渡，提高刚性，提高表面质量，减少切削力。

修光刃与副切削刃之间有0.1mm的过度刃，副偏角=6°，以满足修光刃到副切削刃之间切削力的过渡，提高刚性，削平切削槽的凸峰，提高表面质量，减少切削力。

修光刃宽0.12～0.16mm，后角=5°，以提高修光刃刀刃的刚性，削平切削槽的凸峰，提高表面质量，减少切削力。

修光刃的刃倾角=0°，以达到削平切削槽的凸峰，修光已加工表面的目的。

修光刃的表面粗糙度应达到0.006mm（镜面）

车刀刀头其它的设计角度如图2所示。

1.4 实训效果

经过数控车工一体化实训，对不同人员、不同数控车床加工的数百件工件经过抽样检测，表面粗糙度可以稳定地达到0.025um，个别的表面可以达到0.012um（雾状镜面），直线度、圆度和圆柱度等几何形状偏差可以稳定的达到1um，个别的工件可以达到0.5um。

经过数控车床操作人员对车刀材料的选用、刀具的设计、车削参数的选用，经过镜面车削实训教学，解决了高技能型学员在数控车工加工教学中遇到的不宜用磨削、研磨加工有色金属方面超精密加工的问题，同理也按照设计的刀具的参数，学习了对成型车刀整体的选用过程，即：成型车刀要满足刀具的设计要求。

2 加工时的几点注意事项

（1）车刀刃磨时，必须保证修光刃平直，使其在切削过程中真正起到修光作用。

（2）装刀时，必须使刀尖与车床主轴轴心等高，以免影响工件表面素线的几何精度。

（3）数控车床必须满足刚性好、传动平稳、振动小，主轴的径向回转精度应当高而稳定，轴向跳动在1um以内。实训车间的数控车床经过测验，满足其要求。

（4）车削过程中，必须采用清洁的5号锭子油作为切削液，以免产生刀瘤，影响加工表面的粗糙度。

（5）由于金刚石刀头性脆、韧性差，与铁的亲和力大，在高温下容易碳化，所以不宜加工黑色金属。

（6）刃口表面粗糙度应当达到0.012um（雾状镜面），修光刃表面粗糙度为0.006mm（镜面）。

（7）金刚石刀具的价格较贵，并且刃磨困难。

3 结束语

文章对不适宜用磨削等方法加工的有色金属和高精密、高表面粗糙度的加工进行了尝试，对操作者的数控编程和操作没有较高的技术要求，只是对刀具的整体设计进行了优化、经过对刀具的设计教学，使操作者会按照自己设计的刀具样品，选择符合设计要求的成型刀具，由此达到满足工件加工各项精度要求、生产效率高的目的。

参考文献

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[2]王英杰，金升.金属材料及热处理[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]袁哲俊，刘华明.金属切削刀具设计手册[M].北京：机械工业出版社，2008.