數(shù)控刀具的選材及發(fā)展應(yīng)用.(1)

1、 晉 中 學(xué) 院 畢業(yè)論文（設(shè)計） 題 目 數(shù)控刀具的選材 和發(fā)展應(yīng)用 院 系 _ 職業(yè)技術(shù)學(xué)院_專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計與制造 姓 名 吳佳 學(xué) 號 1217222142 學(xué)習(xí)年限 2012年09月至2015年07月指導(dǎo)教師 丁守福 職稱 講師 申請學(xué)位 目 錄1. 數(shù)控刀具材料的發(fā)展現(xiàn)狀1 1.1 數(shù)控刀具材料的發(fā)展史1 1.2 數(shù)控刀具材料的現(xiàn)況12. 數(shù)控刀具材料的分類2 2.1 數(shù)控刀具分類簡介2 2.2數(shù)控刀具材料的性能23. 數(shù)控刀具的發(fā)展和特征2 3.1數(shù)控刀具的概述2 3.2數(shù)控刀具的特點(diǎn)3 3.3數(shù)控刀具的發(fā)展方向44. 數(shù)控刀具對機(jī)床的選擇4 4.1 數(shù)控的系統(tǒng)要求5 4.2 切

2、削用量的確定6結(jié)束語7致辭8數(shù)控刀具的選材和發(fā)展應(yīng)用學(xué)生姓名：吳佳 指導(dǎo)教師：丁守福摘要：隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在我國機(jī)械加工行業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。它不僅解決了普通機(jī)床難以解決的許多加工難題，而且提高了加工精度和生產(chǎn)效率，同時也對加工工藝和刀具設(shè)計提出了許多新的、更高的要求。為使這些先進(jìn)的設(shè)備更好地發(fā)揮作用，必須要求我們了解近幾年來數(shù)控刀具的特點(diǎn)、刀具材料及結(jié)構(gòu)，未來數(shù)控刀具的發(fā)展趨勢。本文通過對幾種典型刀 具加工特點(diǎn)以及在機(jī)床的應(yīng)用的分析，總結(jié)出加工刀具用于數(shù)控機(jī)床的各方面的選擇應(yīng)用要點(diǎn)，使之能夠了解如何從眾多數(shù)控機(jī)床中作出選擇。關(guān)鍵詞：刀具的種類 材料 機(jī)械 切削用量 第

3、一章 數(shù)控刀具材料的發(fā)展現(xiàn)狀 1.數(shù)控刀具的發(fā)展史 金屬切削加工的發(fā)展史，從某種意義上說，可歸結(jié)為刀具材料的發(fā)展史刀具材料的發(fā)展史，實(shí)際上就是不斷提高刀具材料耐熱性能的過程刀具的發(fā)展在人類進(jìn)步的歷史上占有重要的地位。中國早在公元前28前20世紀(jì)，就已出現(xiàn)黃銅錐和紫銅的錐、鉆、刀等銅質(zhì)刀具。戰(zhàn)國后期(公元前三世紀(jì))，由于掌握了滲碳技術(shù)，制成了銅質(zhì)刀具。當(dāng)時的鉆頭和鋸，與現(xiàn)代的扁鉆和鋸已有些相似之處。然而，刀具的快速發(fā)展是在18世紀(jì)后期，伴隨蒸汽機(jī)等機(jī)器的發(fā)展而來的。1783年，法國的勒內(nèi)首先制出銑刀。1792年，英國的莫茲利制出絲錐和板牙。有關(guān)麻花鉆的發(fā)明最早的文獻(xiàn)記載是在1822年，但直到18

4、64年才作為商品生產(chǎn)。那時的刀具是用整體高碳工具鋼制造的，許用的切削速度約為5米/分。1868年，英國的穆舍特制成含鎢的合金工具鋼。1898年，美國的泰勒和懷特發(fā)明高速鋼。1923年，德國的施勒特爾發(fā)明硬質(zhì)合金。在采用合金工具鋼時，刀具的切削速度提高到約8米/分，采用高速鋼時，又提高兩倍以上，到采用硬質(zhì)合金時，又比用高速鋼提高兩倍以上，切削加工出的工件表面質(zhì)量和尺寸精度也大大提高。由于高速鋼和硬質(zhì)合金的價格比較昂貴，刀具出現(xiàn)焊接和機(jī)械夾固式結(jié)構(gòu)。19491950年間,美國開始在車刀上采用可轉(zhuǎn)位刀片，不久即應(yīng)用在銑刀和其他刀具上。1938年，德國德古薩公司取得關(guān)于陶瓷刀具的專利。1972年，美國

5、通用電氣公司生產(chǎn)了聚晶人造金剛石和聚晶立方氮化硼刀片。這些非金屬刀具材料可使刀具以更高的速度切削。1969年，瑞典山特維克鋼廠取得用化學(xué)氣相沉積法，生產(chǎn)碳化鈦涂層硬質(zhì)合金刀片的專利。1972年，美國的邦沙和拉古蘭發(fā)展了物理氣相沉積法，在硬質(zhì)合金或高速鋼刀具表面涂覆碳化鈦或氮化鈦硬質(zhì)層。表面涂層方法把基體材料的高強(qiáng)度和韌性，與表層的高硬度和耐磨性結(jié)合起來，從而使這種復(fù)合材料具有更好的切削性能。1952年美國麻省理工大學(xué)研制出世界上第一臺數(shù)控機(jī)床，1958年由美國卡尼-特雷克公司首先研制成功第一臺數(shù)控加工中心。當(dāng)時的數(shù)控刀具多為高速鋼刀體配合可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片，這在當(dāng)時是最先進(jìn)的刀具技術(shù)。隨后的數(shù)

6、控刀具材料的發(fā)展即是硬質(zhì)合金、金剛石、立方氮化硼、陶瓷以及涂層刀具與切削刀具材料的發(fā)展一樣。 2.數(shù)控刀具材料的現(xiàn)況 近年來，數(shù)控刀具材料基礎(chǔ)科研和新產(chǎn)品的成果集中應(yīng)用在高速(超高速)、硬質(zhì)(含耐熱、難加工)、干式、精細(xì)(超精)數(shù)控機(jī)加工技術(shù)領(lǐng)域。刀具材料新產(chǎn)品的研發(fā)在超硬材料(金剛石、表面改性涂層材料、TiC基類金屬陶瓷、立方氮化硼、Al2O3、Si3N4基類陶瓷)，W、Co類涂層和細(xì)顆粒(超細(xì)顆粒)硬質(zhì)合金基體及含Go類粉末冶金高速鋼等領(lǐng)域進(jìn)展速度較快。1 第二章 數(shù)控刀具材料的分類 1.數(shù)控刀具分類簡介 （1）根據(jù)刀具結(jié)構(gòu)可分為：整體式：刀具為一體，由一個坯料制造而成，不分體；焊接式式：

7、采用焊接方法連接，分刀頭和刀桿；機(jī)夾式：機(jī)夾式又可分為不轉(zhuǎn)位和可轉(zhuǎn)位兩種；通常數(shù)控刀具采用機(jī)夾式。特殊型式：如復(fù)合式刀具，減震式刀具等。 （2) 根據(jù)制造刀具所用的材料可分為：高速鋼刀具；硬質(zhì)合金刀具；金剛石刀具；其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。 （3）從切削工藝上可分為車削刀具，分外圓、內(nèi)孔、螺紋、切斷、切槽刀具等多種；鉆削刀具，包括鉆頭、鉸刀、絲錐等；鏜削刀具；銑削刀具等。 2.數(shù)控刀具材料的性能 （1）刀具材料的選擇對刀具壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工成本等的影響很大。刀具切削時要承受高壓、高溫、摩擦、沖擊和振動等作用。因此，刀具材料應(yīng)具備如下一些基本性能： （2）硬度和耐磨

8、性。刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。 （3）強(qiáng)度和韌性。刀具材料應(yīng)具備較高的強(qiáng)度和韌性，以便承受切削力、沖擊和振動,防止刀具脆性斷裂和崩刃。 （4）耐熱性。刀具材料的耐熱性要好，能承受高的切削溫度，具備良好的抗氧化能力。 （5）工藝性能和經(jīng)濟(jì)性。刀具材料應(yīng)具備好的鍛造性能、熱處理性能、焊接性能；磨削加工性能等，而且要追求高的性能價格比。 第三章 數(shù)控刀具的發(fā)展和特征 1.數(shù)控刀具的概述 2 刀具是機(jī)械制造中用于切削加工的工具，又稱切削工具。廣義的切削工具既包括刀具，還包括磨具。 絕大多數(shù)的刀具是機(jī)用的，但也有手用的。由于機(jī)械設(shè)計

9、中使用的刀具基本上都用于切削金屬材料，所以“刀具”一次一般就理解為金屬切削工具，切削本材用的刀具則稱為木工刀具。 刀具的發(fā)展在人類進(jìn)步的歷史上占有重要的的地位。中國早在公元前28前20世紀(jì)，就已出現(xiàn)黃銅錐和紫銅的錐、鉆、刀等銅質(zhì)刀具。戰(zhàn)國后期，由于掌握了滲碳技術(shù)，制成了銅質(zhì)刀具。當(dāng)時的鉆頭和鋸，與現(xiàn)在的扁鉆和鋸已有些相似之處。 然而刀具的發(fā)展是在18世紀(jì)后期，伴隨蒸汽機(jī)等機(jī)器的發(fā)展而來的。1783年，法國的勒內(nèi)首先制出銑刀。1792年，英國的莫茲利制出絲錐和板牙。有關(guān)麻花鉆的發(fā)明最早的文獻(xiàn)記載是1822年，但直到1864年才做出商品生產(chǎn)。那時的刀具是用整體高碳工具鋼制造的，許用的切削速度約為5

10、米/分。1868年，英國的穆舍特制成含鎢的合金工具鋼。1898年，美國的泰勒和懷特發(fā)明高速鋼。1923年，德國的施勒特爾發(fā)明硬質(zhì)合金。在采用合金工具鋼時，刀具的切削速度提高到8米/分，采用高速鋼時，又提高兩倍以上，到采用硬質(zhì)合金時，又比用高速鋼提高兩倍以上，切削加工出的工件表面和尺寸精度也大大提高。由于高速鋼和硬質(zhì)合金的價格比較昂貴，刀具出現(xiàn)焊接和機(jī)械加固式結(jié)構(gòu)。1949 1950年間，美國開始在車刀上采用可轉(zhuǎn)位刀片。這些非金屬刀具材料可使刀具以更高的的速度切削。1969年，瑞典山特維克鋼廠取得用化學(xué)氣相沉積法，生產(chǎn)碳化鈦涂層硬質(zhì)合金刀片的專利，1972年，美國的邦沙和拉古蘭發(fā)展了物理氣相沉積

11、法，在硬質(zhì)合金貨高速鋼刀具表面涂賦碳化鈦或氮化鈦硬質(zhì)層。表面涂層方法把基體材料的高強(qiáng)度和韌性，與表層的高硬度和耐磨性結(jié)合起來，從而使這種復(fù)合材料具有更好的切削性能。 2.數(shù)控刀具的特點(diǎn) 數(shù)控刀具與普通機(jī)床上用的刀具實(shí)際沒有多大區(qū)別，它們需具有以下特點(diǎn)： （1）刀具的切削性能必須穩(wěn)定可靠高。 目前生產(chǎn)上通常用刀具耐用度來評定刀具的好壞。刀具耐用度愈大，表示刀具切削性能愈好。但是切削一批相同的零件，由于使用的刀具材料及工件材質(zhì)不可能完全相同，再加上刃磨質(zhì)量等一些不能完全嚴(yán)格控制的因素，所以即使在相同條件下，刀具耐用度仍隨機(jī)變動。因此在數(shù)控上，除應(yīng)給出刀具耐用度的平均值指標(biāo)外，還應(yīng)給出刀具的可靠指標(biāo)

12、Tp。它已成為選擇刀具的關(guān)鍵性指標(biāo)。通常是規(guī)定可靠度P0.9，即9時刀具切削時間為T0.9。研究表明，當(dāng)耐用度的隨機(jī)變量接近于正態(tài)分布時，如以耐用度的平均值T作為標(biāo)準(zhǔn)，刀具的可靠性只有50。 (2)可靠地斷屑、排屑。 刀具必須能可靠地斷屑或卷屑即切削控制。數(shù)控機(jī)床上每一工位設(shè)備上。裝置著許多刀具，切削量大，切屑多，因此，在切削塑性金屬時，必須控制切屑不纏繞在刀具，工件及工藝裝備上，控制切屑不飛濺，保證操作者安全，不影響切削液噴注，不影響零件的定位和輸送，不劃傷已加工表面，使切屑易于清理，為此，采用卷屑槽或斷屑塊的刀具，或用間隙切削或振動切削措施提高斷屑效果。 (3)應(yīng)具有高的精度。 刀具切削部

13、分的幾何尺寸變化要小，刀體刀桿和刀片反復(fù)裝卸也應(yīng)能保持精度穩(wěn)定。 (4)快速更換及尺寸預(yù)調(diào)。 刀具應(yīng)能快速或自動更換，并需有控制和調(diào)整尺寸的功能或具有刀具磨損的自動補(bǔ)償裝置，以減少換刀調(diào)整的停機(jī)時間。 3.數(shù)控刀具的發(fā)展方向 (1)超硬材料領(lǐng)域。 金剛石(釬焊聚晶、單晶)各類刀具已迅速應(yīng)用于高硬度、高強(qiáng)度、難加工及有色金屬切削加工行業(yè)中。表面改性涂層材料主要有：TiN、TiCN、TiALN、等，將上述涂層材料用于各種機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片的表面改性涂層處理，滿足高速、高壽命切削加工高強(qiáng)度、高硬度等材質(zhì)工件的生產(chǎn)技術(shù)不同要求。 (2)硬質(zhì)合金材料領(lǐng)城。 硬質(zhì)合金基體材料為適應(yīng)各種表面改性涂層材料的涂覆工

14、藝技術(shù)要求添加各種微量元素，滿足于各種機(jī)加3232藝技術(shù)對可轉(zhuǎn)位刀片切削性能的要求而發(fā)展的； (3)冶金高速鋼材料領(lǐng)城 以改進(jìn)制粉、熱壓工藝、添加微量元素創(chuàng)新的粉末冶金高速鋼材料，制成各種成形拉刀、高速滾刀、絲錐、波紋刃立銑刀等刀具，大量應(yīng)用于轎車、摩托車、航空發(fā)動機(jī)、汽輪機(jī)等制造行業(yè)，加工高強(qiáng)度、高硬度鑄鐵合金等合金材料工件。根據(jù)切削加工技術(shù)不同的要求，其表面分別配涂TiN、TiCN等涂層材料，滿足高速、高效、硬質(zhì)精密機(jī)加工技術(shù)要求。 (4)發(fā)展方向 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，重點(diǎn)解決數(shù)控刀具的材

15、料，提高生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量，贏得市場。 第四章 數(shù)控刀具對機(jī)床的選擇 1.數(shù)控的系統(tǒng)要求 （1）需要幾個數(shù)控軸 刀具一般可根據(jù)其外形分為回轉(zhuǎn)刀具（如銑刀，鉆頭）和方形輪廓刀具（如車刀，鏜刀），因而一般都需要X，Y，Z三個數(shù)控直線軸對其進(jìn)行加工以保證其外形尺寸，有所區(qū)別的是對數(shù)控回轉(zhuǎn)軸的要求。加工復(fù)雜的可轉(zhuǎn)位刀具體現(xiàn)得較為明顯。 以加工可轉(zhuǎn)位立銑刀工序中的數(shù)控銑削為例 絕大多數(shù)可轉(zhuǎn)位立銑刀都有數(shù)個（條）均布的切削齒，在每個齒加工完畢后都應(yīng)對其進(jìn)行分度旋轉(zhuǎn)（如圖1所示B軸）進(jìn)行下一個（條）齒的加工。如果CNC銑床沒有數(shù)控分度頭或數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，則應(yīng)在程序中加入無條件停止指令，機(jī)床運(yùn)動停止后通過人工

16、旋轉(zhuǎn)精密手動分度頭實(shí)現(xiàn)分度旋轉(zhuǎn)（應(yīng)注意機(jī)床外罩鎖的影響），然后繼續(xù)執(zhí)行NC程序。精度一般能夠滿足要求。但這樣會增加工人勞動強(qiáng)度，同時影響工作效率。如果CNC銑床有數(shù)控分度頭或數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，則分度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動可通過程序中的數(shù)控指令實(shí)現(xiàn)，精度和效率都較高，但增加一個CNC回轉(zhuǎn)軸也會使CNC銑床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，CNC系統(tǒng)功能增加，大為增加CNC銑床的價格。 需要指出的是，精密手動分度頭的分度能力是有限的，特別是對于非整數(shù)的角度往往無法滿足要求（可轉(zhuǎn)位成形銑刀此類情況較多），此時只能用CNC回轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)。此類CNC回轉(zhuǎn)軸一般用交流伺服電機(jī)驅(qū)動精密蝸桿副，液壓或氣動夾緊，高精度編碼器作為角度檢測元件，因而具備

17、在行程范圍內(nèi)任意角度的旋轉(zhuǎn)功能。而采用端面齒盤定位的CNC回轉(zhuǎn)軸卻只能進(jìn)行等分轉(zhuǎn)度，不適用于此類情況。 某些可轉(zhuǎn)位立銑刀有刃傾角s，在銑削刀片槽或容屑槽時都應(yīng)將槽底面轉(zhuǎn)刃傾角s，使其與CNC銑刀軸線垂直，此時需要一個回轉(zhuǎn)軸（如圖1所示A軸）旋轉(zhuǎn)刃傾角s。 受精密手動分度頭的裝夾結(jié)構(gòu)和剛性的限制，將其作為A軸效果不佳。因此應(yīng)選擇具有較高剛性的CNC回轉(zhuǎn)軸作為A軸。 可見如果某CNC銑床加工的可轉(zhuǎn)位刀具品種單一且無刃傾角，可以選擇3軸CNC（X，Y，Z）銑床加精密手動分度頭，可降低加工成本。否則應(yīng)選擇5軸CNC銑床（X，Y，Z，A，B）。 （2）需要幾個數(shù)控軸聯(lián)動 CNC系統(tǒng)的若干軸聯(lián)動插補(bǔ)功能最

18、能體現(xiàn)CNC系統(tǒng)的性能和其檔次高低，也往往決定著CNC系統(tǒng)的價格，因此應(yīng)根據(jù)加工刀具產(chǎn)品的具體情況來仔細(xì)選擇。對于加工一般可轉(zhuǎn)位刀具的CNC銑床而言，具有2個直線軸的直線和圓弧插補(bǔ)功能就可以加工幾乎所有的ISO標(biāo)準(zhǔn)刀片槽形式，其它運(yùn)動都可單軸插補(bǔ)完成。如果也選擇多達(dá)5-6軸聯(lián)動的CNC系統(tǒng)則沒有必要。要求比較高的是一些螺旋類精加工刀具。以下以加工等螺旋角等前角錐度立銑刀。 （3)需要什么數(shù)控系統(tǒng) 加工一般精度的可轉(zhuǎn)位刀具，選擇具有間隙補(bǔ)償和螺距誤差補(bǔ)償?shù)陌腴]環(huán)CNC系統(tǒng)的 數(shù)控機(jī)床就可以滿足要求，而對較高精度刀具（如整體材質(zhì)的精加工刀具）的精加工可以選擇閉環(huán)CNC系統(tǒng)。需要注意的是：為編程方便

19、，CNC編程軟件系統(tǒng)都應(yīng)具有工件坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)功能，并支持幾何線性的多種表達(dá)方式。 現(xiàn)代CNC系統(tǒng)的編程方法較多，相對而言，以ISO標(biāo)準(zhǔn)G，M代碼編程的CNC系統(tǒng)具有較大的靈活性，能滿足多品種中小批量的生產(chǎn)要求，但初期編程速度較慢，機(jī)床準(zhǔn)備工作時間較長。而具有針對某類刀具產(chǎn)品開發(fā)的專業(yè)化軟件包的CNC系統(tǒng)則可以滿足某些復(fù)雜刀具的大批量加工，生產(chǎn)效率高，對人員素質(zhì)要求較低，但價格昂貴且需要不斷升級軟件包以滿足出現(xiàn)的新產(chǎn)品。 選擇CNC系統(tǒng)時還應(yīng)注意：現(xiàn)代CNC系統(tǒng)的功能較多，可以根據(jù)實(shí)際情況去掉一些基本不用或近期很少用到的功能（例如某些用于FMS的接口和軟件）以降低購買成本。 以上通過幾個例

20、子討論了針對加工刀具產(chǎn)品的CNC機(jī)床選擇方法和大概原則，實(shí)際情況遠(yuǎn)不止這些。總之應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品具體情況靈活地作出選擇，以滿足市場對精度和成本的雙重要求。 2.切削用量的確定 數(shù)控編程時，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫入程序中。切削用量包括切削速度、背吃刀量或側(cè)吃刀量及進(jìn)給速度等。對于不同的加工方法，需要選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是：保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度并充分發(fā)揮機(jī)床的性能，最大限度地提高生產(chǎn)率，降低成本。 （1）切削速度的確定銑削的切削速度與刀具的耐用度T、每齒進(jìn)給量fz、背吃刀量ap、側(cè)吃刀量ae以及銑刀齒數(shù)Z

21、成反比，與銑刀直徑d成正比。其中原因是fz、ap、ae、Z增大時，使同時工作齒數(shù)增多，刀刃負(fù)荷和切削熱增加，加快刀具磨損，因此刀具耐用度限制了切削速度的提高。如果加大銑刀直徑則可以改善散熱條件，相應(yīng)提高切削速度。下表列出了銑削切削速度的參考值。 銑削時的切削速度參考表 工件材料 硬度（HBS） 切削速度Vc（m/min） 高速鋼銑刀 硬質(zhì)合金銑刀 鋼 225 1842 66150 225325 1236 54120 325425 621 3675 鑄鐵 190 2136 66150 190260 918 4590 260320 4.510 2130 （2）進(jìn)給速度的確定 進(jìn)給速度F是數(shù)控機(jī)床切

22、削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進(jìn)給速度受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的性能限制。在輪廓加工中，在接近拐角處應(yīng)適當(dāng)降低進(jìn)給量，以克服由于慣性或工藝系統(tǒng)變形在輪廓拐角處造成“超程”或“欠程”現(xiàn)象。確定進(jìn)給速度的原則： 當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時，為提高生產(chǎn)效率，可選擇較高的進(jìn)給速度。一般在100200mm/min范圍內(nèi)選取。 在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時，宜選擇較低的進(jìn)給速度，一般在2050mm/min范圍內(nèi)選取。 當(dāng)加工精度，表面粗糙度要求高時，進(jìn)給速度應(yīng)選小些，一般在2050mm/min范圍內(nèi)選取。 刀具空行程時，特別是遠(yuǎn)距離“回零”時，可以選擇該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)給定的最高進(jìn)給速度。 （3）背吃刀量（或側(cè)吃刀量）的確定 在保證加工表面質(zhì)量加工質(zhì)量的前提下，背吃刀量(ap)應(yīng)據(jù)機(jī)床、工件和