刀具结构对机械切削加工的影响及优化分析

刀具结构对机械切削加工的影响及优化分析

张军峰，成友友

中国工程物理研究院材料研究所

摘要：提升机械切削加工的效率和精确度对我国工业和科研的发展有着非常重要的现实意义，为了达到这一目标，对刀具结构进行优化则是不可或缺的一项内容。基于此，文章对刀具结构如何影响机械切削加工进行了分析，并以此为基础，从多个方面入手，详细探讨了如何通过优化刀具结构参数提高机械切削加工水平的具体措施，以期为今后的相关工作提供借鉴。

关键词：刀具结构；机械切削加工；优化措施

前言：近年来，随着科学技术的发展，机械加工领域已经呈现出高精尖的发展态势，这给机械加工的精度和效率等多方面都提出了更高的要求。目前来看，决定机械加工精度和效率的因素相对较多，除了常规的机床性能指标和数控程序编写等方面之外，刀具结构也是不容忽视的一项因素。因此，如何确保刀具结构的合理性，仍是一项需要重点研究的内容。

1机械加工中刀具的基本结构和特点

在机械加工行业中，由于所加工的产品不同，所使用的刀具也各不相同。但整体来看，很多刀具都“大同小异”。一般来说，机械加工中的刀具都由刀体部分和夹持部分所组成，其中，刀体部分包括刀尖、削刃、副刃、前刀面、后刀面等组成部分；夹持部分则用来与机床相连接，通常具有标准化约束^[1]。

刀具切削部分的几何参数会对加工质量和切削的效率产生较大的影响。从理论上来讲，如增大前角，则能够减小前刀面挤压切削层的相应塑性变形，这有助于切屑快速通过前刀面，降低前刀面部位的摩擦阻力，从而降低切削力和摩擦生成的热量。当然，为了提高加工效率，还需要对刀具的物理性能方面予以考虑，制作刀具的材料通常需要较高的耐磨性与高温硬度，并需要具备良好的化学惰性、冲击韧性和抗弯强度，才能使之满足机械切削加工的需要。因此，当前的机械切削加工刀具通常以超硬材料、硬质合金、高速钢或合金工具钢制备而成^[2]。

2刀具结构如何影响机械切削加工

2.1影响表明质量

通常情况下，刀具的结构直接影响着零件表面的加工质量，特别是刀具几何参数中的角度这一变量，对机械切削加工的影响则更为显著。如果能够控制刀刃角度值处于合理区间，则在机械切削加工中，能够有效降低刀具受到的弹性形变力、塑性变形力和摩擦阻力等作用力，同时使刀具的进给方向力和切削方向力处于更平衡的状态。在这种情况下，切削加工的最终效果也就得以保证。反之，如果刀具结构设计不尽合理，则会导致切削加工中的部分参数出现错误，进而引起零件成品的参数不符合要求，严重时甚至会导致刀具的损坏。

2.2影响材料适应性

不同的零件结构和原材料对于所需要的刀具结构也有着不同的要求，对于一些特殊金属材料，或是硬度较高的原材料而言，虽然可以选用强度较高的刀具予以解决，但其通常只能解决对零件加工的硬性要求，对于一些细节方面的加工难度仍然较高。为此，在此基础上，还需要根据其物理参数，设计合理的刀具结构，其重点则在于合理设置吃刀量和切削角度，确保切削刀具有较长的使用寿命，这对于提高机械生产线稳定水平而言，无疑有着重要的现实意义。

2.3影响表面加工温度

在机械切削加工过程中，刀具对金属材料进行切削时会不可避免地产生较大的摩擦力和冲击力，从而引起金属材料和刀具表面温度的升高。这种表面加工温度升高的现象实际上是一把“双刃剑”，一方面，其能够降低切削阻力，优化零件的表面性能；但另一方面，过高的温度也很可能导致金属材料和刀具受到结构性破坏，甚至造成刀具损坏或是废品零件的出现。一般来说，为避免表面加工温度过高，需要对吃刀量和切削角度进行灵活调整，使之符合加工的实际需要^[3]。

3机械加工刀具结构的优化措施分析

3.1利用仿真软件对刀具进行优化设计

目前，机械加工行业对刀具有着更高的质量要求，且部分刀具需要使用特殊材料进行制备。对于这些刀具而言，需要综合考虑其在运行中的吃刀量、切削角度和进给速度等参数。为实现对这些参数的精准控制，则需要应用计算机中的虚拟仿真软件来模拟刀具加工和运行的过程，通过模拟仿真实验修正相关指标参数，来达到优化设计的目标。通过采用这种方式，不仅有效克服了传统人工设计中效率低和准确度偏低的问题，而且还有效降低了刀具研发过程中的材料消耗，符合当前节约环保的理念^[4]。

3.2对刀具表面的散热状态进行优化

由于刀具表面积累的热量主要源自刀具与零件原材料之间的摩擦力和冲击力，因此如能降低刀具切削时与零件原材料的接触时间，即能有效降低热量的产生，并确保积聚的热量尽快散失。为实现这一目标，就需要在满足切削性能和使用寿命的前提下，合理调整刀具的切削接触面积，并适当增加刀具切削过程中的背吃刀量，这种方式能够增加切削刀刃在工作时的有效长度，并不会显著升高刀具表面温度。除此之外，在刀具材料的选择上，也要优先选择导热性能较高的刀具材料，并辅以合理的冷却技术，来改善刀具加工时热量聚集的问题。

3.3进一步优化刀具的切削参数

刀具切削参数是否合理，直接决定着刀具使用寿命的长短，特别是在当前常见的高速切削加工模式下，维持刀具的较长使用寿命更是机械行业的重点研究内容之一。为了延长刀具的使用寿命，需要对刀具前角和主偏角进行优化设计，一方面，前角应当适当加大，以20°左右为宜，在这种情况下，刀具在切削过程中不会受到过多摩擦阻力的影响，能够有效降低表面温度，提高切削的效率和质量，进而延长刀具的使用寿命。另一方面，由于主偏角过小会导致刀刃实际工作长度不足，进而导致刀具散热不良，因此，要根据刀具材料的导热系数，以及机械生产线的实际运行工况，对主偏角参数进行重新计算和确定。

3.4加强涂层技术的应用

由于刀具材料的特殊性，其韧性和硬度无法同时兼顾，因此刀具在切削加工时受到的磨损问题较为严重，常规方式通常难以有效解决。为此，可通过加强表面涂层处理技术应用的方式予以有效解决。通过运用这项技术，其能够将基体材料的高韧性与表层材料的高硬度有机结合，营造出类似复合材料的效果，从而提高刀具的切削性能，并提高刀具的耐磨程度，以延长刀具的使用寿命。

3.5加强新结构模式的应用

对于部分基础条件较为薄弱而难以引进硬质合金或高速钢刀具的企业而言，选用焊接式结构刀具则是一个行之有效的途径。在焊接式结构刀具应用时，其主要使用紫铜或黄铜等材料，将刀片焊接在刀杆上，这种方式结构简单，操作便利，能够更加灵活地满足机械切削加工的需要。当然，由于刀杆和刀片材料的线膨胀系数不同，因此需要适当增加刀片的厚度，使之保持在刀杆材料厚度的三倍左右，以避免刀具出现裂纹。

结束语：总的来看，机械切削加工刀具的结构性能等方面还有较大的提升空间，仍需要在多个方面予以提升。因此，相关企业和科研机构都要对此予以重视，加强新材料和新结构的研发和应用，并对相关参数重新进行优化和调整，实现刀具技术的全面升级，带动机械加工质量的提升，从而确保我国机械制造业全面迈入高端制造业的行列当中，以创造更高的经济和社会效益。

参考文献

[1]张晓琪,王雪峰,石宇轩,等.可调节式机械加工刀具的设计[J].轻工科技,2021,37(04):76-77.

[2]金艳,齐威.刀具结构对机械切削加工质量的影响及优化思路[J].农机使用与维修,2021(02):43-44.

[3]代文宾. 面向小刀具加工行业的并联机床机械结构设计与分析[D].北京交通大学,2019.

[4]孟艳玲,王良,陈强，等.大螺距高精度紧固连接螺纹车削加工探究[J].中国设备工程,2018(18):127-128.