華北工學(xué)院機(jī)械工程系 龐學(xué)慧 常興 

    在高速切削技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，高速切削機(jī)床、高速刀具系統(tǒng)和高速切削工藝是其中三項(xiàng)主要技術(shù)，而刀具技術(shù)起到了非常關(guān)鍵的作用。隨著切削速度的大幅提高，對(duì)切削刀具材料、刀具幾何參數(shù)、刀體結(jié)構(gòu)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(shí)產(chǎn)生的切削熱和對(duì)刀具的磨損比普通速度時(shí)高得多，所以高速切削技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要障礙就是刀具材料的耐高溫和耐磨損問(wèn)題。對(duì)刀具材料的要求主要包括以下幾方面：①高硬度、高強(qiáng)度和耐磨損；②韌性好，抗沖擊能力強(qiáng)；③高的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性；④抗熱沖擊能力強(qiáng)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用了刀具涂層技術(shù)和燒結(jié)層壓技術(shù)，但同時(shí)滿(mǎn)足上述要求還是很困難的，而且CBN、金剛石等刀具的價(jià)格也很高�？梢�(jiàn)一味地追求刀具材料的發(fā)展與進(jìn)步，不是最優(yōu)的選擇。自滾切刀具從刀具結(jié)構(gòu)入手，巧妙地使刀具增加了一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(guò)程中靠工件和刀具間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)驅(qū)使刀片繞自身軸線不停地旋轉(zhuǎn)。以車(chē)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(chēng)為Ⅰ型自滾切刀具（前者刃傾角為正，后者刃傾角為負(fù)）；另一種是以圓刀片的周面作前刀面，端面作后刀面，稱(chēng)為Ⅱ型自滾切刀具。 

    由于自滾切刀具的刀片增加了一個(gè)切削運(yùn)動(dòng)單元，它不僅具有斜角切削的特點(diǎn)，而且后刀面的棱帶對(duì)工件表面還有滾壓作用，所以自滾切刀具的切削特點(diǎn)就是“滾”與“切”相結(jié)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(gè)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(yùn)動(dòng)增加一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的先決條件。刃傾角對(duì)工作前、后角、流屑角，甚至對(duì)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(chēng)其為安裝刃傾角。若將圓弧刀刃上主偏角為零的點(diǎn)命名為刀尖，則安裝刃傾角λ即為刀尖點(diǎn)的刃傾角。對(duì)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(jiǎn)要的推導(dǎo)也可得到。 

    事實(shí)上上述對(duì)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(duì)速度的“運(yùn)動(dòng)參數(shù)”。對(duì)滾切刀具而言，當(dāng)切削過(guò)程不穩(wěn)定或刀片回轉(zhuǎn)的阻力發(fā)生變化時(shí)，甚至當(dāng)?shù)镀�的旋轉(zhuǎn)是靠外加動(dòng)力驅(qū)使時(shí)（此為驅(qū)動(dòng)式滾切刀具），刀片的旋轉(zhuǎn)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(diǎn)的真實(shí)刃傾角都會(huì)有變化。因此，一些學(xué)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(kāi)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(chē)削加工為例，V（工件表面線速度）稱(chēng)為名義切削速度，它是與普通刀具對(duì)比以及計(jì)算機(jī)床轉(zhuǎn)速的重要參數(shù)；Vr稱(chēng)為相對(duì)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(dāng)不考慮刀片回轉(zhuǎn)的摩擦阻力時(shí)，可得Vr＝Vcosλ。上述Vr實(shí)際只是刀尖處的相對(duì)切削速度。 

    有些學(xué)者還提出了有效切削速度的概念，認(rèn)為刀具轉(zhuǎn)速Vt和相對(duì)轉(zhuǎn)速Vr都是由名義切削速度V產(chǎn)生的，因此應(yīng)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(chēng)為有效切削速度Ve。 

    進(jìn)給速度對(duì)刀片的轉(zhuǎn)速Vt也是有影響的，這在許多文獻(xiàn)中均有論述。 

    以上對(duì)自滾切刀具的兩個(gè)重要概念作了粗淺介紹，可見(jiàn)還有分歧和不同見(jiàn)解。本文旨在拋磚引玉，以期深入的理論研究，加深對(duì)自滾切刀具的認(rèn)識(shí)并指導(dǎo)實(shí)踐。

    3．對(duì)自滾切刀具的整體評(píng)價(jià) 

    理論與試驗(yàn)研究都表明，自滾切刀具具有下列優(yōu)點(diǎn)： 

   （1）刀具耐用度高，適于高速切削。文獻(xiàn)表明，采用高速鋼刀片的Ⅰ型自滾切車(chē)刀，可以150m/min的名義速度正常切削50鋼，而這對(duì)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(yàn)中，名義速度均在1000m/min左右。文獻(xiàn)表明，采用CBN刀片的Ⅰ型自滾切車(chē)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(jìn)給量αf=0.05mm/z，表面粗糙度達(dá)到Ra0.1～0.2μm。 

   （3）生產(chǎn)率高、經(jīng)濟(jì)效益好。試驗(yàn)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(jìn)給量達(dá)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(diǎn)和不足，主要有： 

    （1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)制造精度要求較高，尤其是刀具轉(zhuǎn)動(dòng)部分。若制造誤差大或調(diào)整不當(dāng)，則易引起振動(dòng)，破壞表面質(zhì)量。 
    （2）刀刃—工件接觸弧較長(zhǎng)，徑向力大，因此對(duì)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(tái)階的零件。 

     4．結(jié)論 

    （1）自滾切刀具通過(guò)給刀片增加一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，改變了刀具切削時(shí)的受力、受熱狀態(tài)，從而用普通刀具材料即可進(jìn)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(jìn)行修正以完善理論，并指導(dǎo)自滾切刀具的合理使用； 
（   3）自滾切刀具雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在著不足，使用時(shí)應(yīng)揚(yáng)長(zhǎng)避短。