數(shù)控刀具及選用

1、第2章數(shù)控刀具及選用2.1 數(shù)控機(jī)床刀具的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床刀具的特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)格化、模塊化和通用化。為了達(dá)到高效、多能、快換、經(jīng)濟(jì)的目的，對(duì)數(shù)控機(jī)床使用的刀具有如下要求：（1）具有較高的強(qiáng)度、較好的剛度和抗振性能；（2）高精度、高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)性；（3）能夠滿足高切削速度和大進(jìn)給量的要求；（4）刀具耐磨性及刀具的使用壽命長(zhǎng)，刀具材料和切削參數(shù)與被加工件材料之間要適宜；（5）刀片與刀柄要通用化、規(guī)格化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，相對(duì)主軸要有較高位置精度，轉(zhuǎn)位、拆裝時(shí)要求重復(fù)定位精度高，安裝調(diào)整方便。2.2 金屬切削刀具的主要角度從屬切削刀具的種類(lèi)繁多，但它們的切削部分都可以近似地用外圓車(chē)刀的切削

2、部分來(lái)描述。確定刀具角度的正交平面參考系和車(chē)削刀具幾何角度如圖所示。圖 正交平面參考系圖 車(chē)削刀具幾何角度車(chē)刀的五個(gè)基本角度：（1）前角o：是前刀面切削平面之間的夾角，表示前刀面的傾斜程度。（2）后角o：是主后刀面與切削平面之間的夾角，表示主后刀面傾斜的程度。（3）主偏角：是主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給方向之間的夾角；（4）副偏角：是副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角；（5）刃傾角0：是主切削刃與基面之間的夾角。刀具主要角度的選擇原則：前角。增大前角，切屑易流出，可使切削力減少，切削很輕快。但前角過(guò)大，刀刃強(qiáng)度降低。后角。增大后角可減少刀具后刀面與工件之間的摩擦。但后角過(guò)大，刀刃強(qiáng)

3、度降低。主偏角。在切削深度和進(jìn)給量不變的情況下，增大主偏角，可使切削力沿工件軸向力加大，徑向力減小，有利于加工細(xì)長(zhǎng)軸并減小振動(dòng)。刃傾角。增大刃傾角有利于承受沖擊。刃傾角為正值時(shí)，切屑向待加工方向流動(dòng)；刃傾角為負(fù)值時(shí)，切屑向已加工面方向流動(dòng)。通常，精車(chē)時(shí)取04；粗加工時(shí)取105。2.3 刀具常用材料刀具切削部分的材料應(yīng)具備如下性能：高的硬度，足夠的強(qiáng)度和韌性，高的耐磨性，高的耐熱性，良好的加工工藝性。刀具材料：高速鋼(俗稱白鋼刀條)，硬質(zhì)合金，陶瓷，立方氮化硼(CBN)，聚晶金剛石(PCD)。數(shù)控機(jī)床上常用高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具。材料越硬就越脆，越耐磨，在使用時(shí)需要高速平穩(wěn)，防止沖擊和振動(dòng)。碳

4、素工具鋼和合金工具鋼的紅硬性較差，已很少使用。一、高速鋼高合金工具鋼，具有良好的工藝性，能制成復(fù)雜的刀具。高速鋼刀具使用前需要使用者自行刃磨，因此，適合于特殊需要的非標(biāo)準(zhǔn)刀具。二、硬質(zhì)合金比高速鋼硬得多。允許的切削速度比高速鋼高410倍，切削速度可達(dá)100m/min以上。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定，切削加工用硬質(zhì)合金按其排屑類(lèi)型和被加工材料分為三大類(lèi)：K類(lèi)、P類(lèi)、和M類(lèi)，類(lèi)似于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的YG類(lèi)、YT類(lèi)、和YW類(lèi)。根據(jù)被加工材料及適用的加工條件，每大類(lèi)中又分為若干組，用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字表示，每類(lèi)中組號(hào)數(shù)字越大，其耐磨性越低、韌性越高，因此，組號(hào)數(shù)字越大，可選用越大的進(jìn)給量和切削深度，而切削速度則應(yīng)越小。

5、從另一個(gè)方面講，組號(hào)數(shù)字越小，硬度越高，韌性越差，適用于精加工；反之，組號(hào)數(shù)字越大，適用于粗加工。硬質(zhì)合金的常見(jiàn)類(lèi)型：1.鎢鈷類(lèi)鎢鈷類(lèi)（WC+Co）硬質(zhì)合金由碳化鎢和鈷組成。ISO標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)是K類(lèi)，常用牌號(hào)有國(guó)內(nèi)代號(hào)為YG。常用牌號(hào)有YG3、YG6、YG8等。適合加工短切屑黑色金屬（鑄鐵），有色金屬以及非金屬。2.鎢鈦鈷類(lèi)鎢鈦鈷類(lèi)（WC+TiC+Co）硬質(zhì)合金由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成。ISO標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)是P類(lèi)，國(guó)內(nèi)代號(hào)為YT。常用牌號(hào)有YT5、YT14、YT15、YT30等。適合加工長(zhǎng)切屑黑色金屬（塑性好的材料低碳鋼），常用于加工鋼材。我們經(jīng)常使用YT15。3.鎢鈦鈷鉭（鈮）類(lèi)鎢鈦鈷鉭（鈮）類(lèi)（WC

6、+TiC+TaC（Nb）+Co）硬質(zhì)合金由碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭（碳化鈮）和鈷組成。ISO標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)是M類(lèi)，國(guó)內(nèi)代號(hào)為YW。常用牌號(hào)有YW1、YW2等。綜合性能好，既可加工鑄鐵又可加工鋼材及有色金屬，常用于不銹鋼。K、P、M類(lèi)合金切削用量的選擇規(guī)律K類(lèi)K01K10K20K30K40P類(lèi)P01P05P10P15P20P25P30P40P50M類(lèi)M10M20M30M40進(jìn)給量背吃刀量切削速度三、陶瓷陶瓷特耐高溫，在2000度條件下，仍具有高的硬度，非常耐磨，耐磨性是硬質(zhì)合金的5倍，但是，韌性很低，不能承受沖擊，適用于精加工和高速切削。四、立方氮化硼有極好的耐磨性，極高的熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。是

7、在高溫、高壓條件下人工合成的新型刀具材料，其性能與金剛石相似，能高速切削淬火鋼和耐熱鋼，是高速切削的首選刀具材料。立方氮化硼刀具適用于加工高硬度淬火鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金材料。它不宜加工塑性大的鋼件和鎳基合金，也不適合加工鋁合金和銅合金，通常采用負(fù)前角的高速切削。五、聚晶金剛石即人工合成的金剛石，是在高溫、高壓下合成的新型刀具材料。硬度很高，耐磨性好(硬質(zhì)合金的6080倍)，有鋒利的刀刃。缺點(diǎn)是耐熱性差，強(qiáng)度低，脆性大，對(duì)振動(dòng)很敏感。它與鐵系材料有很強(qiáng)的親和力，易使碳元素?cái)U(kuò)散而磨損，只適用于加工有色金屬、非金屬如陶瓷等極硬的材料。因此，金剛石刀具主要用于高速條件下精細(xì)加工有色金屬及其合金和非金

8、屬材料，能實(shí)現(xiàn)超精密微量加工和鏡面加工。在以車(chē)代磨加工淬火鋼時(shí)，可用陶瓷、立方氮化硼刀具；加工有色金屬和非金屬材料，砂輪修磨時(shí)，可用聚晶金剛石刀片。六、表面涂層材料涂層材料是在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上或高速鋼基體上，涂覆一層耐磨性較高的難熔金屬化合物而制成。高速鋼基體涂層刀具耐用度可提高210倍，硬質(zhì)合金基體刀具提高13倍。加工材料硬度愈高，涂層效果愈好。在刀具壽命相同的前提下，可提高切削速度25%30%。涂層刀具經(jīng)過(guò)鈍化處理，切削刃鋒利程度減小，不適合進(jìn)給量很小的精密切削。2.4 數(shù)控機(jī)床刀具分類(lèi)按照刀具材料可分為：高速鋼刀具，硬質(zhì)合金刀具，陶瓷刀具，立方氮化硼刀具和金剛石刀具。按照刀具結(jié)構(gòu)

9、可分為：整體式，焊接式，機(jī)夾式(可轉(zhuǎn)位和不轉(zhuǎn)位)，內(nèi)冷式和減振式。按照切削工藝分為：車(chē)削刀具，孔加工刀具（如鉆頭，絲錐和鏜刀等），銑削刀具等。按照數(shù)控工具系統(tǒng)的發(fā)展可分為：由整體式工具系統(tǒng)向模塊式工具系統(tǒng)發(fā)展。有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高加工效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)控刀具已形成了三大系統(tǒng)，即車(chē)削刀具系統(tǒng)、鉆削刀具系統(tǒng)和鏜銑刀具系統(tǒng)。2.5 常用數(shù)控刀具結(jié)構(gòu)一、整體式刀具結(jié)構(gòu)整體式刀具是指刀具切削部分和夾持部分為一體式結(jié)構(gòu)的刀具。制造工藝簡(jiǎn)單，刀具磨損后可以重新修磨。二、機(jī)夾式刀具結(jié)構(gòu)機(jī)夾式刀具是指刀片在刀體上的定位形式。機(jī)夾式刀具分為機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具和機(jī)夾不可轉(zhuǎn)位刀具。數(shù)控機(jī)床一般使用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)

10、夾可轉(zhuǎn)位刀具。機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具一般由刀片、刀墊、刀體和刀片定位夾緊元件組成。如圖所示?？赊D(zhuǎn)位刀片的夾緊方式：楔塊上壓式、杠桿式(如圖)、螺釘上壓式。要求：夾緊可靠、定位準(zhǔn)確、排屑流暢、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。三、可轉(zhuǎn)位刀片的代碼機(jī)夾式可轉(zhuǎn)位刀片的代碼由10位字符組成。各字符的含義不要求。常用W(不等角六邊形)，S(正方形)，T(等邊三角形)。四、加工中心的工具系統(tǒng)加工中心要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，數(shù)控機(jī)床和刀具的相應(yīng)部分應(yīng)有相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)和裝置。如圖所示，刀具夾裝部分一定具有相同的大小和形狀。因此，“數(shù)控刀具”的含義應(yīng)該理解為“數(shù)控工具系統(tǒng)”。刀具系統(tǒng)(+刀具)刀庫(kù)結(jié)構(gòu)：鏈輪式和轉(zhuǎn)盤(pán)式。1.刀柄刀柄是機(jī)床主軸和

11、刀具之間的連接工具。能夠安裝各種刀具，已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。加工中心上一般采用7：24圓錐刀柄，這類(lèi)刀柄不自鎖，換刀方便。高速加工時(shí)用直刀柄(HSK)2.工具系統(tǒng)工具系統(tǒng)一般由與機(jī)床主軸連接的錐柄、延伸部分的連桿和工作部分的刀具組成。鏜銑類(lèi)工具系統(tǒng)分為整體式結(jié)構(gòu)和模塊式結(jié)構(gòu)兩類(lèi)。（1）整體式結(jié)構(gòu)將錐柄和連桿制造在一起。我國(guó)TSG82屬于這類(lèi)，缺點(diǎn)是使用的錐柄型號(hào)較多。（2）模塊式結(jié)構(gòu)由主柄模塊、中間模塊和工作模塊組成。如瑞士的山特維克公司的模塊式刀具系統(tǒng)。2.6 數(shù)控機(jī)床刀具的選擇一、選擇刀具時(shí)應(yīng)考慮的因素（1）被加工工件的材料類(lèi)別（黑色金屬，有色金屬或合金）；（2）工件毛坯的成形方法（鑄造，鍛

12、造，型材等）；（3）切削加工工藝方法（車(chē)，銑，鉆，擴(kuò)，鉸，鏜，粗加工，半精加工，精加工等）；（4）工件的結(jié)構(gòu)與幾何形狀，精度，加工余量以及刀具能承受的切削用量等因素；（5）其他因數(shù)包括生產(chǎn)條件和生產(chǎn)類(lèi)型。二、刀具的選擇1.刀具的選擇原則（1）盡可能選擇大的刀桿橫截面尺寸，較短的長(zhǎng)度尺寸提高刀具的強(qiáng)度和剛度，減小刀具振動(dòng)；（2）選擇較大主偏角（大于75，接近90）；粗加工時(shí)選用負(fù)刃傾角刀具，精加工時(shí)選用正刃傾角刀具；（3）精加工時(shí)選用無(wú)涂層刀片及小的刀尖圓弧半徑；（4）盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化刀具；（5）選擇正確的、快速裝夾的刀桿刀柄。2.選擇車(chē)削刀具的考慮要點(diǎn)數(shù)控車(chē)床一般使用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀

13、具。機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具的刀片和刀體都有標(biāo)準(zhǔn)，刀片材料采用硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金等。數(shù)控車(chē)床機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具類(lèi)型有外圓刀、端面車(chē)刀、外螺紋刀、切斷刀具、內(nèi)圓刀具、內(nèi)螺紋刀具、孔加工刀具（包括中心孔鉆頭、鏜刀、絲錐等）。首先根據(jù)加工內(nèi)容確定刀具類(lèi)型，根據(jù)工件輪廓形狀和走刀方向來(lái)選擇刀片形狀(如圖所示)。主要考慮主偏角，副偏角(刀尖角)和刀尖半徑值?？赊D(zhuǎn)位刀片的選擇：(1)刀片材料選擇：高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、立方碳化硼或金剛石。(2)刀片尺寸選擇：有效切削刃長(zhǎng)度、主偏角等。(3)刀片形狀選擇：依據(jù)表面形狀、切削方式、刀具壽命等。(4)刀片的刀尖半徑選擇1)粗加工、工件直徑大、要求刀刃強(qiáng)度高

14、、機(jī)床剛度大時(shí)選大刀尖半徑值。2)精加工、切深小、細(xì)長(zhǎng)軸加工、機(jī)床剛度小選小刀尖半徑值。3.選擇銑削刀具的考慮要點(diǎn)在數(shù)控銑床上使用的刀具主要立銑刀、面銑刀、球頭刀、環(huán)形刀、鼓形刀和錐形刀等。如圖所示。常用到面銑刀、立銑刀、球頭銑刀和環(huán)形銑刀。除此以外還有各種孔加工刀具，如鉆頭（锪鉆、鉸刀、絲錐等）鏜刀等。面銑刀（也叫端銑刀）如圖所示，面銑刀的圓周表面和端面上都有切削刃。面銑刀多制成套式鑲齒結(jié)構(gòu)和刀片機(jī)夾可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)，刀齒材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，刀體為40Cr。立銑刀如圖所示，立銑刀是數(shù)控機(jī)床上用得最多的一種銑刀。立銑刀的圓柱表面和端面上都有切削刃，它們可同時(shí)進(jìn)行切削，也可單獨(dú)進(jìn)行切削。結(jié)構(gòu)有整體

15、式和機(jī)夾式等，高速鋼和硬質(zhì)合金是銑刀工作部分的常用材料。模具銑刀如圖所示，模具銑刀由立銑刀發(fā)展而成，可分為圓錐形立銑刀、圓柱形球頭立銑刀和圓錐形球頭立銑刀三種，其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏錐柄。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是球頭或端面上布滿切削刃，圓周刃與球頭刃圓弧連接，可以作徑向和軸向進(jìn)給。銑刀工作部分用高速鋼或硬質(zhì)合金制造。首先根據(jù)加工內(nèi)容和工件輪廓形狀確定刀具類(lèi)型，再根據(jù)加工部分大小選擇刀具大小。(1)銑刀類(lèi)型的選擇：1)加工較大平面選擇面銑刀，2)加工凸臺(tái)、凹槽、平面輪廓選擇立銑刀，3)加工曲面較平坦的部位常采用環(huán)形（牛鼻刀）銑刀，4)曲面加工選擇球頭銑刀，5)加工空間曲面模具型腔與凸模表面選擇模具

16、銑刀，6)加工封閉鍵槽選鍵槽銑刀，等等(2)銑刀參數(shù)的選擇l 面銑刀主要參數(shù)選擇a)標(biāo)準(zhǔn)可轉(zhuǎn)位面銑刀直徑在16630）：粗銑時(shí)直徑選小的，精銑時(shí)銑刀直徑選大些，最好能包容待加工表面的整個(gè)寬度（多20%）。b)依據(jù)工件材料和刀具材料以及加工性質(zhì)確定其幾何參數(shù)：銑削加工通常選前角小的銑刀，強(qiáng)度硬度高的材料選負(fù)前角，工件材料硬度不大選大后角、硬的選小后角，粗齒銑刀選小后角，細(xì)齒銑刀取大后角，銑刀的刃傾角通常在-度，主偏角在度l 立銑刀主要參數(shù)選擇a)、刀具半徑r應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓最小曲率半徑b)、零件的加工高度H（1/41/6）rc)、不通孔或深槽選取l=H+(510)mmd)、加工外形及通槽時(shí)選取l

17、=H+r+(510)mme)、加工肋時(shí)刀具直徑為D=(510)bf)、粗加工內(nèi)輪廓面時(shí)，銑刀最大直徑DD=d+2sin(/2)-1/1-sin(/2)l 球頭刀主要參數(shù)選擇曲面精加工時(shí)采用球頭銑刀。球頭銑刀的球半徑應(yīng)盡可能選得大一些，以增加刀具剛度，提高散熱性，降低表面粗糙度值。加工凹圓弧時(shí)的銑刀球頭半徑必須小于被加工曲面的最小曲率半徑。(3)孔加工刀具類(lèi)型的選擇鉆孔前先鉆中心孔。加工盲孔時(shí)，刀刃長(zhǎng)度比也深多510mm。2.7 數(shù)控加工刀具選擇的典型實(shí)例數(shù)控銑床上加工如圖所示零件。零件材料：HT200毛坯尺寸：170mm110mm50mm。選擇加工該零件的加工刀具。零件上表面加工采用面銑刀，一次完成切削，刀徑比面寬20%可選125；加工零件的60外圓柱面及其臺(tái)階面采用立銑刀，一次完成切削，可選63；銑削外輪廓時(shí)，立銑刀直徑的大小不受加工表面形狀的限制，通常不要選得太大或太小即可