數(shù)控機床刀具選擇

2.1刀具材料及其選用數(shù)控機床刀具的選擇刀具材料是指刀具切削部分的材料。在金屬切削加工中，刀具材料的切削性能直接影響著生產(chǎn)效率、工件的加工精度和已加工表面質(zhì)量、刀具消耗和加工成本。正確選擇刀具材料是設計和選用刀具的重要內(nèi)容之一。2.1.1刀具材料應具備的基本性能

①高硬度刀具材料的硬度必須更高于被加工工件材料的硬度。高速鋼的硬度為63~70HRC；硬質(zhì)合金的硬度為89～93HRA。②足夠的強度和韌性一般用刀具材料的抗彎強度b（單位為Pa：N/m2）表示它的強度大小。用沖擊韌度ak（單位為J/m2）表示其韌性的大小，它反映刀具材料抗脆性斷裂和崩刃的能力。③高耐磨性和耐熱性刀具材料的耐磨性是指抵抗磨損的能力。一般說，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料的耐磨性和耐熱性有著密切的關系。其耐熱性通常用高溫硬度來衡量，或叫紅硬性。高溫硬度越高，表示耐熱性越好。④良好的導熱性刀具材料的導熱性用熱導率[單位為W/（m·K）]來表示。⑤良好的工藝性好和經(jīng)濟性為了便于制造、要求刀具材料有較好的可加工性。經(jīng)濟性是評價新型刀具材料的重要指標之一，刀具材料的選用應結合本國資源，降低成本。⑥抗粘接性防止工件與刀具材料分子間在高溫高壓作用下互相吸附產(chǎn)生粘接。⑦

化學穩(wěn)定性指刀具材料在高溫下，不易與周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應。2.1.2刀具材料的種類及其選用

數(shù)控機床刀具從制造所采用的材料上可以分為：高速鋼刀具，硬質(zhì)合金刀具，陶瓷刀具，立方氮化硼刀具，聚晶金剛石刀具。目前數(shù)控機床用得最普遍的刀具是硬質(zhì)合金刀具。（1）高速鋼（HighSpeedSteel，HSS）高速鋼是一種含鎢（W）、鉬（MO）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素較多的工具鋼，它具有較好的力學性能和良好的工藝性，可以承受較大的切削力和沖擊。①普通高速鋼國內(nèi)外使用最多的普通高速鋼是W6Mo5Cr4V2（M2鉬系）及W18Cr4V（W18鎢系）鋼，含碳量為0.7%~0.9%，硬度63～66HRC，不適于高速和硬材料切削。新牌號的普通高速鋼W9Mo3Cr4V（W9）是根據(jù)我國資源情況研制的含鎢多、含鉬少的鎢鉬鋼。硬度65～66.5HRC，硬度和韌性配合較好，熱塑性、熱穩(wěn)定性都較好，焊接性能、磨削加工性能都較高，磨削效率比M2高20％，表面粗糙度值也小。②高性能高速鋼指在普通高速鋼中加入一些合金，如Co、Al等，使其耐熱性、耐磨性又有進一步提高，熱穩(wěn)定性高。但綜合性能不如普通高速鋼，不同牌號只有在各自規(guī)定的切削條件下，才能達到良好的加工效果。我國正努力提高高性能高速鋼的應用水平，如發(fā)展低鈷高碳鋼W12Mo3Cr4V3Co5Si、含鋁的超硬高速鋼W6Mo5Cr4V2A1、W10Mo4Cr4V3Al，提高韌性、熱塑性、導熱性，其硬度達67～69HRC，可用于制造出口鉆頭、鉸刀、銑刀等。③粉末冶金高速鋼可以避免熔煉鋼產(chǎn)生的碳化物偏析。其強度、韌性比熔煉鋼有很大提高。可用于加工超高強度鋼、不銹鋼、鈦合金等難加工材料。用于制造大型拉刀和齒輪刀具，特別是切削時受沖擊載荷的刀具效果更好。（2）硬質(zhì)合金（CementedCarbide）①鎢鈷類（YG）WC+Co，強度好，硬度和耐磨性較差，用于加工脆性材料、有色金屬和非金屬材料。常用牌號：YG3、YG6、YG8、YG6X。數(shù)字表示Co的百分含量，Co多韌性好，用于粗加工；Co少用于精加工。1)普通硬質(zhì)合金②鎢鈦鈷類（YT）TiC+WC+Co類（YT）：常用牌號有YT5、YT14、YT15、YT30等。此類硬質(zhì)合金硬度、耐磨性、耐熱性都明顯提高，但韌性、抗沖擊振動性差，主要用于加工鋼料,不宜加工脆性材料。含TiC量多，含Co量少，耐磨性好，適合精加工；含TiC量少，含Co量多，承受沖擊性能好，適合粗加工。①鎢鈦鉭（鈮）鈷類（YW）

添加TaC或NbC，提高高溫硬度、強度、耐磨性。用于加工難切削材料和斷續(xù)切削。常用牌號：YW1、YW2。2)新型硬質(zhì)合金②碳化鈦基類（YN）

TiC+Ni+Mo，硬度高、抗粘接、抗月牙洼磨損和抗氧化能力強。用于合金鋼、工具鋼、淬火鋼的連續(xù)精加工。牌號：YN05、YN10。（3）新型刀具材料

①涂層刀具

刀具基體材料上涂一薄層耐磨性高的難熔金屬化合物而得到的刀具材料.常用涂層材料:TiN、TiC、Al2O3②

陶瓷刀具材料（Ceramics）

主要成分Al2O3，硬度、耐熱性和耐磨性高于硬質(zhì)合金，不粘刀。但脆性大，易蹦刃,主要用于切削45-55HRC的工具鋼和淬火鋼。a.Al2O3基陶瓷刀具

主要成分Si3N4，強度、韌性、疲勞強度、切削穩(wěn)定性高于Al2O3基陶瓷刀具，主要用于端銑和切有氧化皮的毛坯工件，也可對鑄鐵、淬硬鋼進行精加工和半精加工。b.Si3N4基陶瓷刀具c.塞隆(Sialon)陶瓷Si3N4中加入Al2O3等形成的新材料。迄今陶瓷中強度最高的材料，化學穩(wěn)定性和抗氧化能力都很好。③

超硬刀具材料a.聚晶金剛石（PolyCrystallineDiamond，PCD）

金剛石和立方氮化硼的統(tǒng)稱，用于超精加工和硬脆材料加工。

硬度高、耐磨性好，但耐熱性差、強度低、脆性大，與鐵親和力強，用于高速精細車削、鏜削有色金屬及其合金和非金屬材料，不宜加工黑色金屬。b.立方氮化硼（CubicBoronNitride,CBN）

硬度和耐磨性僅次于金剛石，但熱穩(wěn)定性好，主要用于加工高硬度(64-70HRC)的淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料。2.2數(shù)控機床刀具種類及特點

2.2.1數(shù)控機床的刀具系統(tǒng)數(shù)控刀具指的是數(shù)控機床和加工中心用刀具，在國外發(fā)展很快，品種很多，已形成系列。在我國，由于對數(shù)控刀具的研究開發(fā)起步較晚，數(shù)控刀具成了工具行業(yè)中最薄弱的一環(huán)。

車刀鉆頭鉸刀銑刀外圓車刀端面車刀車孔刀切斷刀切槽刀螺紋車刀螺紋車刀麻花鉆中心鉆擴孔鉆锪鉆手用鉸刀機用鉸刀莫氏圓錐和公制圓錐鉸刀立銑刀面銑刀指狀銑刀三面刃銑刀半圓銑刀T形銑刀可轉(zhuǎn)位銑刀圖2-1按機床類型分類的數(shù)控刀具按刀具切削部分的材料可分為高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等刀具；按刀具的結構形式可分為整體式、焊接式、機夾可轉(zhuǎn)位式和涂層刀具；按所使用機床的類型、結構和性能可分為車刀、鉆頭、鉸刀和銑刀（如圖2-1所示）等。鏈式刀庫支點機械手臂座的運動機械手的運動換刀機械手臂圖2-2鏈輪式自動換刀裝置

典型數(shù)控刀具系統(tǒng)圖2-3轉(zhuǎn)盤式自動換刀系統(tǒng)這2種刀具系統(tǒng)是加工中心上應用比較普遍的刀具系統(tǒng)。（1）刀柄加工中心上一般采用7：24圓錐刀柄，如圖2-4所示。圖2-4自動換刀機床用7：24圓錐工具柄部簡圖（2）工具系統(tǒng)

①

整體式結構圖2-5所示是TSG82工具系統(tǒng)，選用時一定要按圖示進行配置。

代碼代碼的意義代碼代碼的意義代碼代碼的意義J裝接長刀桿用錐柄KJ用于裝擴、鉸刀TF浮動鏜刀Q彈簧夾頭BS倍速夾頭TK可調(diào)鏜刀KH7：24錐柄快換夾頭H倒锪端面刀X用于裝銑削刀具Z（J）用于裝鉆夾頭（莫氏錐度注J）T鏜孔刀具XS裝三面刃銑刀MW裝無扁尾莫氏錐柄刀具TZ直角鏜刀XM裝面銑刀M裝有扁尾莫氏錐柄刀具TQW傾斜式微調(diào)鏜刀XDZ裝直角端銑刀G攻螺紋夾頭TQC傾斜式粗鏜刀XD裝端銑刀C切內(nèi)槽工具TZC直角形粗鏜刀

規(guī)格用數(shù)字表示工具的規(guī)格，其含義隨工具不同而異。有些工具該數(shù)字為輪廓尺寸D-L；有些工具該數(shù)字表示應用范圍。還有表示其他參數(shù)值的，如錐度號等。表2-1是TSG82工具系統(tǒng)的代碼和意義。

②

模塊式結構

圖2-6所示為TMG工具系統(tǒng)的示意圖。2.2.2數(shù)控機床刀具的特點

①刀片和刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)的規(guī)范化、典型化；②刀片或刀具材料及切削參數(shù)與被加工工件的材料之間匹配的選用原則；③刀片或刀具的耐用度及其經(jīng)濟壽命指標的合理化；④刀片及刀柄的定位基準的優(yōu)化；⑤刀片及刀柄對機床主軸的相對位置的要求高；⑥對刀柄的強度、剛性及耐磨性的要求高；⑦刀柄或工具系統(tǒng)的裝機重量限制的要求；⑧對刀具柄的轉(zhuǎn)位，裝拆和重復精度的要求；⑨刀片及刀柄切入的位置和方向的要求；⑩刀片和刀柄高度的通用化、規(guī)則化、系列化；11整個數(shù)控工具系統(tǒng)自動換刀系統(tǒng)的優(yōu)化。2.3可轉(zhuǎn)位刀片及其代碼

2.3.1可轉(zhuǎn)位刀具的優(yōu)點①

刀具壽命高②

生產(chǎn)效率高

③

有利于推廣新技術、新工藝

以機夾可轉(zhuǎn)位車刀為例，圖2-7表示可轉(zhuǎn)位車刀的組成

圖2-7可轉(zhuǎn)位車刀的組成刀桿；2—刀墊；3—刀片4—夾固元件2.3.2可轉(zhuǎn)位刀片的代碼極其標記方法

選用機夾式可轉(zhuǎn)位刀片，首先要了解其中的關鍵是各類型的機夾式可轉(zhuǎn)位刀片的代碼（Code）。按國際標準ISO1832-1985的可轉(zhuǎn)位刀片的代碼方法，是由10位字符串組成的，其排列如下:12345678910

①

刀片的幾何形狀及其夾角；②

刀片主切削刃后角（法后角）；③

刀片內(nèi)接圓d與厚度s的精度級別；④

刀片型式、緊固方法或斷屑槽；⑤

刀片邊長、切削刃長；⑥

刀片厚度；⑦

刀尖圓角半徑rε或方偏角Kr或修光刃后角αn；⑧

切削刃狀態(tài)，刀尖切削刃或倒棱切削刃。⑨

進刀方向或倒刃寬度；⑩

廠商的補充符號或倒刃角度。根據(jù)可轉(zhuǎn)位刀片的切削方式不同，應分別按車、銑、鉆、鏜的工藝來敘述可轉(zhuǎn)拉刀片代碼的具體內(nèi)容。由于刀片內(nèi)容很多，在此不做一一敘述。表2-2給出了可轉(zhuǎn)位車刀片、銑刀片的標記方法（GB2076-1987）。字符串是代表刀片某種參數(shù)的意義:2.4數(shù)控刀具的選擇（1）選擇刀片（刀具）應考慮的要素①

被加工工件材料的類別

②

被加工件材料性能的狀況

③

切削工藝的類別

④

被加工工件的幾何形狀

⑤要求刀片（刀具）能承受的切削用量（切削深度、進給量、切削速度）。⑥生產(chǎn)現(xiàn)場的條件（操作間斷時間、振動、電力波動或突然中斷）。⑦被加工工件的生產(chǎn)批量，影響到刀片（刀具）的經(jīng)濟壽命。（2）選擇鏜孔（內(nèi)孔）刀具的考慮要點①

盡可能選擇大的刀桿直徑，接近鏜孔直徑。

②

盡可能選擇短的刀臂

③選擇主偏角（切入角Kr）接近90°，大于75°。

④選擇無涂層的刀片品種（刀刃圓弧?。┖托〉牡都獍霃剑╮ε=0.2）。

⑤精加工采用正切削刃（正前角）刀片和刀具，粗加工采用負切削刃（負前角）刀片和刀具。

⑥鏜深的盲孔時，采用壓縮空氣（氣冷）或冷卻液（排屑和冷卻）。

⑦選擇正確的、快速的鏜刀柄夾具。車削加工時刀具形狀和工件形狀的關系

（3）選用數(shù)控銑刀時注意事項

①在數(shù)控機床上銑削平面時，應采用可轉(zhuǎn)位式硬質(zhì)合金刀片銑刀。

②高速鋼立銑刀多用于加工凸臺和凹槽，最好不要用于加工毛坯面，因為毛坯面有硬化層和夾砂現(xiàn)象，會加速刀具的磨損。③加工余量較小，并且要求表面粗糙度較低時，應采用立方氮化硼（CBN）刀片端銑刀或陶瓷刀片端銑刀。④鑲硬質(zhì)合金立銑刀可用于加工凹槽、窗口面、凸臺面和毛坯表面。⑤鑲硬質(zhì)合金的玉米銑刀可以進行強力切削，銑削毛坯表面和用于孔的粗加工。