切削刀片的优化设计

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自从第一枚硬质合金切削刀片于1927年问世以来，为了优化刀片的切削性能，金属切削领域的相关企业一直在不断开发具有创新性的刀片几何形状和成屑结构。这些设计创新加上刀片基体材料的不断改进，使切削加工硬度和强度更高的工件材料成为可能。

优化切削工艺的不懈努力与能提升加工速度的机床技术进步相得益彰。同时，现代加工中心的性能优势也对刀具制造商提出了更高要求。现在，他们必须提供更先进的刀具和刀片几何槽型，以满足提高金属去除率的要求。此外，在全球范围内，硬质合金的价格正在快速上涨，对刀具制造商开发产品的成本效益构成了很大压力。

上述这两个因素促使具有创新性的刀具产品不断面世，并将其切削性能优势拓展到了更广泛的加工领域。这些创新刀具能在很大程度上提高进给率、降低切削力和节省切削液，使其非常适合进给速度快、框架结构轻的现代金切机床。

刀片的可靠夹持

在切削加工中，刀片在切削力作用下有可能发生位移，确保其自动夹持到位已成为影响刀具切削性能的主要因素之一。因此，许多刀具制造商投入大量资源去优化刀片夹持技术也就不足为奇了。

伊斯卡公司开发的一种刀片夹紧机构能可靠夹持具有双负棱柱形后刀面的双面刀片，其燕尾形刀座和刀片的棱柱形后刀面可防止刀片在切削力作用下向上翘起，从而确保对具有双面燕尾形棱柱后刀面的刀片的正确定位和牢固夹持（图1）。

切削刀片的优化设计

图1  燕尾形刀座和刀片的棱柱形后刀面可防止刀片在切削力作用上翘

以前，切削力很容易使杠杆式夹紧刀具的刀片发生倾斜（图2左），而这种新的刀片夹持机构成功地消除了这种现象（图2右）。在如今的新型车削中心上，利用燕尾刀片夹持机构，能以更高的进给速度和更大的切屑负荷实现高效加工。

切削刀片的优化设计

图2  两种夹紧方式的对比

刀片的小型化

对于采用特定切削参数的小尺寸车削和切槽加工，人们有时会使用比实际所需更大的切削刀片，从而造成浪费。消除这种浪费的方法其实非常简单：使用尺寸较小的刀片。

这些小型刀片（也称为“生态”刀片）可以完成与尺寸较大的刀片一样的加工任务，但对价格不菲的硬质合金材料消耗更少。伊斯卡公司的Isoturn Eco车刀片（图3）就是“生态”刀片的一个实例。与同系列的标准刀片相比，它们尺寸更小，消耗的硬质合金材料更少，但加工能力却毫不逊色。为了减小切削力，它们同样采用了螺旋切削刃和大前角几何形状，其加工效率与规格较大的同类刀片不相上下。

切削刀片的优化设计

图3  材料消耗量更少的“生态”刀片

提高加工速度和安全性

在切削加工大型零件（如发电、运输、重型机械等行业的典型零件）时，材料去除率通常与加工速度密切相关。虽然高速、高效地切除工件材料对所有切削加工都至关重要，但在大型零件的切削加工中，速度是一个更为关键的要素。

伊斯卡的Heavy Superturn Lomx 402224-H6P车刀片即使在不太稳定的加工条件下，也能提高大型零件的加工速度，同时还能提供更可靠的安全性和更长的刀具寿命。这种重载车刀采用了刚性杆锁紧的刀片夹持系统，以及适合大型零件车削加工（需要采用大进给率）的高刚性牌号IC8250刀片（图4），能以35mm的切深和2mm/r的进给率进行高效加工。

切削刀片的优化设计

图4  能提高加工速度和确保安全性的高刚性刀片

切向铣刀片通过用刀片强度最高的横截面来承受最大的切削力矢量（主要为压缩力），可以提高加工安全性和延长刀具寿命。在铣刀片上采用大前角前刃面几何形状、螺旋刃和制备断屑台可以实现更轻快的“劈裂”切削、更流畅的排屑和降低切削温度。

重载切槽刀片的优化设计

在重载切槽加工中，保持刀片的可靠定位至关重要。为此，刀具制造商采用了一些刀具设计新技术。如伊斯卡公司的燕尾IQ切槽刀（Dove IQ Grip）刀片采用了高刚性的燕尾形夹持方式和前端锁紧机构（图5），可确保刀片在重载切槽时不会发生松动或移位。刀片锁紧机构的操作也很方便，只需将前端紧固螺钉旋转180°（无需完全旋出，避免了掉落风险），即可锁紧/松开刀片。由于这种刀片设计取消了上压块及螺钉凹槽，因此增加了排屑的流畅性。此外，采用刀板夹持刀夹的结构设计也提高了刀板的安全性。

切削刀片的优化设计

图5  创新设计的燕尾IQ切槽刀

抗振铣刀片的优化设计

在设计刀片时，加工表面光洁度是一个不容忽视的重要考虑因素，用于容易发生颤振的加工场合（如长悬伸铣削）的刀片尤其如此。优化设计的一个典型例子是伊斯卡Heli2000抗振铣刀片（图6）。该刀片采用2个非对称设计的高强度切削刃，可有效抑制谐波振动；同时还设计了刮削修光刃，用于改善加工表面光洁度。该刀片的磨制切削刃可获得更好的铣削垂直度。切削刃采用不同的轴向倾角，有效提升了排屑性能。与常规刀片相比，抗振铣刀片所需的机床功率可降低10%，刀具寿命也显著提高。

切削刀片的优化设计

图6  可提高加工表面光洁度的抗振铣刀片

为了有效提高切削加工的生产率和利润率，如今的可转位刀片正不断采用各种经过优化的几何刃型和刀片夹紧机构，以确保精确的切削角度、良好的切屑控制和表面质量、可靠的加工稳定性，以及利用最新的基体材质加工各种类型工件材料的可能性。