摘要：刀具材料大致分如下几类：高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金刚石。陶瓷用于切削刀具的时间比硬质合金早，但由于其脆性，发展很慢。立方氮化硼（CBN）是纯人工合成的材料，它是20 世纪50 年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超硬材料———CBN 微粉。
关键词：机械加工刀具；成分设计；切削性能；
现阶段，由于生产需要使得机械加工需求量逐渐增大，但由于切削时机械工件与刀具会发生摩擦，切削所产生的切屑也会影响刀具使用效果，且在高温高压环境影响下，刀具磨损现象更为明显，当刀具发生磨损后会出现一系列不良反应，导致机械加工成本增加，机械加工质量及效率有所降低。
一、机械加工刀具的成分设计
近年来研制出的新型硬质合金主要有以下几种：①涂层硬质合金，由该材料所打造出的刀具综合性相对较强，后期使用过程中磨损程度更小[3]。②超微粒硬质合金，该材料耐磨性抗温性以及耐热性相对较强，因此其更适用于断续切削、低速切削、高温切削中。③钢结硬质合金，该材料性能介于硬质合金以及高速钢之间，适用于打造结构相对复杂的刀具，适用于打造结构相对复杂的刀具。粗糙度是由于加工残留和切削过程引起的在已加工表面的理论残留面积，在不同的机械加工刀具进行切削工艺试验时，造成的残留面积会随着切削工艺参数的变化而变化，而用粗糙度可以描述这一变化过程。由于随着切削速度的增加，切削加工表面所残留的切屑的尺寸有所减小，在一定程度上可以减小塑性变形；此外，在切削速度较大时，切削刀面的热量会增加，可以一定程度降低摩擦系数。无论是陶瓷刀具还是立方氮化硼刀具，表面粗糙度都不会随着切削深度的变化而发生显著改变，切削深度对表面粗糙度的影响较小。相对而言，经过机械加工后表面显微硬度的离散度要明显小于基体材料。这主要是由于加工过程中机械刀具的挤压使得表面发生变形，局部硬度有所提升而减小了表面显微硬度的差距。我们可以了解到机械加工时切削环境是影响刀具磨损的一个重要因素，基于此，要想避免机械加工中刀具出现磨损，就需要加强对切削区域温度以及压力的控制。针对需要在高温环境中进行加工的机械工件，工作人员需要通过控制打造刀具的材料，来保证刀具不会出现磨损现象。而针对在切削过程中刀具与工件发生磨损而出现高温的情况，机械加工部门领导人员则应该通过采购温度控制设备，保证切削环境温度更为合理，使得刀具可以在较为恒温的状态下进行切削，从而有效提高刀具使用质量。除此以外，机械加工人员还需要通过控制刀具切削压力，降低刀具发生磨损的概率。只有选择出合理的刀具，才可以保证机械加工质量与效率，若想刀具选择的更加合理，就需要正确选择刀具参数。具体来说，刀具使用人员需要控制前刀面形状、刀具主偏角、刀具刃倾角、刀具后角，此时需要考虑到该刀具主要应用于哪类工件加工过程中，从而结合工件材料、形状、规格，选择出更适合的刀具参数，提高刀具耐磨性。
二、切削性能研究
由于切削力和刀具表面摩擦系数是反应刀具切削性能的主要参数，并根据切削力计算摩擦系数，以此来判断切削性能优良。
1.机械表面织构对切削力和摩擦系数的影响。通过研究表明，机械织构刀具的切削力和表面摩擦系数都低于普通刀具，在深度、面积占有率相同的情况下，表面微坑的直径为 110 微米和 200 微米的织构刀具具有比较小的切削力和比较好的摩擦性能。表面织构对主切削力的影响十分有限，相较于背向力、轴向力和前刀面摩擦系数会产生重要影响。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这是由于刀具在切削过程中，切削金属与前刀面中间产生粘结摩擦区，通过粘结摩擦区，刀尖挤压工件表层产生塑性变形，让切屑和刀具之间紧紧挤压，切削液无法进入该区域；而在滑动摩擦区内，切屑和刀具之间的压力比较小，切削液可以渗入的比较多，防摩擦效果也就更好。最终得出结论，比较合理的表面织构对于改善刀具的切削性能有很大的作用，而表面织构可以充当微型储油槽的作用，可以帮助切削液的渗入，改善刀具和切屑之间的润滑效果，减少由于刀具和切削的直接摩擦造成的刀具磨损影响。
2．机械表面织构对于加工工件表面质量的影响。通过分析比对加工零件的加工表面粗糙度、切屑的剪切角，可以发现：同普通刀具相比，织构刀具加工之后的工件表面粗糙度更低，切屑的剪切角要比较大。分析原因，在切削过程当中，织构刀具的较小切削力和前刀面摩擦系数令切屑得到了比较大的剪切角，切屑的形变变小，整个切削过程更加稳定，工件表面的质量磨损更小。在切削时，切屑会在前刀面上发生滑移并嵌入到凹坑当中，凹坑直径越大嵌入的越多，使得刀具的整个摩擦系数、切削力变大了，但是凹坑大到一定的程度后，织构表面的储油槽能力也就增大了，刀具的摩擦系数、剪切角就大幅度下降了，最终保留了工件的完整性。虽然织构面积占有率增加，刀具表层的储油槽能力增强了，但是织构的深度减小，使单个凹坑的储油槽能力降低，更容易发生切屑内嵌织构表层的现象，造成摩擦系数和剪切角变化。除此之外，比较深的凹坑还会存储一定的空气，不但能够降低刀-屑表面摩擦系数，还能够散失热量。因此，可以得出结论，综合织构表面的凹坑直径、深度、面积占有率可以进一步提高刀具的切削性能，达到比较好的效果。
3.切削参数对于织构刀具的切削性能影响。随着切削速度的增加，普通刀具的摩擦系数逐渐减小，而织构刀具的切削速度呈先增加后减小的趋势。织构刀具的切削性能在切削速度 120m/min，和 200n/min 时达到最优。分析原因，在切削过程中，随着切削速度的增加，切削液渗入接触区域能力逐渐减少，织构表面的切削力和摩擦系数都上升了，而切削期间温度也随之上升了，使得工件发生软化，切屑更容易发生剪力变形，普通刀具的摩擦系数因此而下降了。当切削速度达到了 200m/min 时，这时候的切削温度升高使工件的表面粘附情况加剧，此时织构刀具的良好的抗粘附性能保证了刀具切削的稳定性，使切削性能优于普通刀具。随着进给量的增加，普通刀具的表面摩擦系数出现先增大后减小的趋势，最优值出现在进给量 处，但是织构刀具则出现相反的结果。分析原因，当进给量刀屑与刀具的接触区域太小织构表层不能够发挥出其优势；当进给量达到 此时织构表层可以发挥其优势，抗摩擦性能也能够发挥出来；而进给量达到 切屑的厚度增大了，刀具会和切削的接触面积增大，切削合力以及摩擦系数也就增大。
综上所述，具有比较合理表面织构的刀具可以减少切削力、减少摩擦系数、保留工件的表面完整性。表面织构由于可以具有储油槽功能，所以可以降低刀具表面受到的摩擦系数。普通刀具切削期间的摩擦系数会随着切削速度的增大而先增大后减小；织构刀具的切削性能发挥和速度有关，选择合理的速度可以充分发挥其性能。增加进给量时，切削合力会逐渐增大，而织构刀具的摩擦系数会先减小后增大，织构刀具会在进给量合适时得到最佳切削性能。织构刀具相比普通刀具与刀屑的接触长度要小，但是进给量太大之后，织构区域同切削之间的摩擦力增大，切削性能降低。
参考文献：
[1]李渊.分析机械加工过程中机械振动问题的解决[J].民营科技，2015（05）：37.
[2]王铁成.机械加工中刀具磨损的影响因素分析及应对措施[J].湖南农机，2016，41（06）：92-93.
[3]张新聚，岳彦芳.制造执行系统中刀具剩余磨损寿命预测的研究[J].工具技术，2017（05）：32-33.
论文作者:姜飞宇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/1
标签：刀具论文; 摩擦系数论文; 切屑论文; 表面论文; 工件论文; 性能论文; 磨损论文; 《基层建设》2019年第1期论文;