數(shù)控機床的刀具選擇

第二篇模具數(shù)控操作詳解

第3章數(shù)控機床的刀具選擇加工中心的常用操作第5章數(shù)控銑床的常用操作第6章數(shù)控車床的常用操作第7章數(shù)控線切割機床的常用操作第8章數(shù)控電火花機床的常用操作隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，模具行業(yè)、汽車工業(yè)以及航空航天工業(yè)等重點行業(yè)對數(shù)控切削加工不斷提出更高的要求，同時也推動著金屬切削刀具的持續(xù)發(fā)展。模具工業(yè)的特點是高效、單件、小批生產(chǎn)、模具材料的硬度高、加工難度大、形狀復雜、金屬切除量大、交貨周期短，因此要求模具數(shù)控加工刀具必須具備高效率、高精度、高可靠性和專用化的特點。本章重點對數(shù)控機床的刀具選擇做一些介紹。第3章數(shù)控機床的刀具選擇

3.1數(shù)控刀具概述3.1.1數(shù)控刀具的種類數(shù)控刀具通常是指數(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)中最薄弱的一個環(huán)節(jié)。數(shù)控刀具的落后已經(jīng)成為影響我國國產(chǎn)和進口數(shù)控機床充分發(fā)揮作用的主要障礙。數(shù)控機床(包括加工中心)除數(shù)控磨床和數(shù)控電加工機床之外，其他的數(shù)控機床都必須采用數(shù)控刀具。（1）按刀具切削部分的材料，可分為高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金剛石等刀具。（2）按刀具的結(jié)構(gòu)形式，可分為整體式、焊接式、機夾可轉(zhuǎn)位式和涂層刀具(數(shù)控機床廣泛使用機夾可轉(zhuǎn)位式刀具)、減振式、內(nèi)冷式和一些特殊形式刀具；（3）從切削工藝的劃分，包括下面幾個方面。車削刀具分外圓、內(nèi)孔、外螺紋、內(nèi)螺紋，切槽、切端面、切端面環(huán)槽、切斷等。數(shù)控車床一般使用標準的機夾可轉(zhuǎn)位刀具。機夾可轉(zhuǎn)位刀具的刀片和刀體都有標準，刀片材料采用硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金以及高速鋼。數(shù)控車床機夾可轉(zhuǎn)位刀具類型有外圓刀具、外螺紋刀具、內(nèi)圓刀具、內(nèi)螺紋刀具、切斷刀具、孔加工刀具（包括中心孔鉆頭、鏜刀、絲錐等）。機夾可轉(zhuǎn)位刀具夾固不重磨刀片時通常采用螺釘、螺釘壓板、杠銷或楔塊等結(jié)構(gòu)。常規(guī)車削刀具為長條形方刀體或圓柱刀桿。方形刀體一般用槽形刀架螺釘緊固方式固定。圓柱刀桿是用套筒螺釘緊固方式固定。它們與機床刀盤之間的聯(lián)接是通過槽形刀架和套筒接桿來聯(lián)接的。在模塊化車削工具系統(tǒng)中，刀盤的聯(lián)接以齒條式柄體聯(lián)接為多，而刀頭與刀體的聯(lián)接是“插入快換式系統(tǒng)”。它既可以用于外圓車削又可用于內(nèi)孔鏜削，也適用于車削中心的自動換刀系統(tǒng)。數(shù)控車床使用的刀具從切削方式上分為三類：圓表面切削刀具、端面切削刀具和中心孔類刀具。3.1.1數(shù)控刀具的種類

數(shù)控加工刀具可分為常規(guī)刀具和模塊化刀具兩大類。模塊化刀具是發(fā)展方向。發(fā)展模塊化刀具的主要優(yōu)點：減少換刀停機時間，提高生產(chǎn)加工時間；加快換刀及安裝時間，提高小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟性；提高刀具的標準化和合理化的程度；提高刀具的管理及柔性加工的水平；擴大刀具的利用率，充分發(fā)揮刀具的性能；有效地消除刀具測量工作的中斷現(xiàn)象，可采用線外預調(diào)。事實上，由于模塊刀具的發(fā)展，數(shù)控刀具已形成了三大系統(tǒng)，即車削刀具系統(tǒng)、鉆削刀具系統(tǒng)和鏜銑刀具系統(tǒng)。數(shù)控刀具的分類方法很多，下面具體敘述。鉆削刀具鉆削刀具分小孔、短孔、深孔、攻螺紋、鉸孔等。鉆削刀具可用于數(shù)控車床、車削中心，又可用于數(shù)控鏜銑床和加工中心。因此它的結(jié)構(gòu)和聯(lián)接形式有多種。有直柄、直柄螺釘緊定、錐柄、螺紋聯(lián)接、模塊式聯(lián)接（圓錐或圓柱聯(lián)接）等多種。鏜削刀具鏜削刀具分粗鏜、精鏜等刀具。鏜刀從結(jié)構(gòu)上可分為整體式鏜刀柄、模塊式鏜刀柄和鏜頭類。從加工工藝要求上可分為粗鏜刀和精鏜刀。銑削刀具數(shù)控銑削刀具分面銑、立銑、三面刃銑等刀具，如圖3-1所示為各種數(shù)控銑削刀具。圖3-1數(shù)控銑削刀具面銑刀（也叫端銑刀）面銑刀的圓周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃為副切削刃。面銑刀多制成套式鑲齒結(jié)構(gòu)和刀片機夾可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)，刀齒材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，刀體為40Cr。立銑刀立銑刀是數(shù)控機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，它們可同時進行切削，也可單獨進行切削。結(jié)構(gòu)有整體式和機夾式等，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給。銑刀工作部分用高速鋼或硬質(zhì)合金制造。鍵槽銑刀。用來加工鍵槽類工序，可以軸向進給。鼓形銑刀。鼓形銑刀的切削刃分布在半徑的圓弧面上，端面無切削刃。加工時控制刀具上下位置，相應改變刀刃的切削部位，可以在工件上切出從負到正的不同斜角。一般用在與安裝面傾斜的表面進行三坐標加工。成形銑刀。根據(jù)加工零件的形狀特制與之相適應的刀具，仿形加工。（4）特殊型刀具特殊型刀具有帶柄自緊夾頭、強力彈簧夾頭刀柄、可逆式（自動反向）攻螺紋夾頭刀柄、增速夾頭刀柄、復合刀具和接桿類等。具體分類如圖3-2所示。圖3-2數(shù)控刀具分類3.1.2數(shù)控刀具的要求與特點

1。數(shù)控刀具的要求（1）要有很高的切削效率。提高切削速度致關重要，硬質(zhì)合金刀具切削速度可達500～600m/min,陶瓷刀具可達800～1000m/min。（2）要有很高的精度和重復定位精度，一般3～5個微米或者更高。（3）要有很高的可靠性和耐用度，是選擇刀具的關鍵指標,（4）實現(xiàn)刀具尺寸的預調(diào)和快速換刀，縮短輔助時間提高加工效率（5）具有完善的模塊式工具系統(tǒng)，儲存必要的刀具以適應多品種零件的生產(chǎn)（6）建立完備的刀具管理系統(tǒng)，以便可靠、高效、有序的管理刀具系統(tǒng)（7）要有在線監(jiān)控及尺寸補償系統(tǒng)，監(jiān)控加工過程中刀具的狀態(tài)，提高加工可靠度。2。數(shù)控加工刀具的特點隨著高剛度整體鑄造床身、高速運算數(shù)控系統(tǒng)和主軸動平衡等新技術(shù)的采用以及刀具材料的不斷發(fā)展，現(xiàn)代切削加工朝著高速、高精度和強力切削方向發(fā)展，因此現(xiàn)代切削刀具有悖于傳統(tǒng)的刀具，被中國工具業(yè)命名的“數(shù)控刀具”，特指與加工中心、數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床、數(shù)控鉆等先進高效的數(shù)控機床相配套使用的整體合金刀具、超硬刀具，可轉(zhuǎn)位刀片、工具系統(tǒng)、可轉(zhuǎn)位刀具等，以其高效精密和良好的綜合切削性能取代了傳統(tǒng)的刀具。為了達到高效、多能、快換、經(jīng)濟的目的，數(shù)控加工刀具與普通金屬切削刀具相比應具有以下特點：（1）刀片及刀柄高度的通用化、規(guī)格化、系列化。（2）刀片或刀具的耐用度及經(jīng)濟壽命指標的合理性。（3）刀具或刀片幾何參數(shù)和切削參數(shù)的規(guī)范化、典型化。（4）刀片或刀具材料及切削參數(shù)與被加工材料之間應相匹配。（5）刀具應具有較高的精度，包括刀具的形狀精度、刀片及刀柄對機床主軸的相對位置精度、刀片及刀柄的轉(zhuǎn)位及拆裝的重復精度。（6）刀柄的強度要高、剛性及耐磨性要好。（7）刀柄或工具系統(tǒng)的裝機重量有限度。（8）刀片及刀柄切入的位置和方向有要求。（9）刀片、刀柄的定位基準及自動換刀系統(tǒng)要優(yōu)化。另外，數(shù)控機床上用的刀具應滿足安裝調(diào)整方便、剛性好、精度高、耐用度好等要求。3.1.3數(shù)控刀具的材料

刀具的發(fā)展伴隨切削加工技術(shù)高速發(fā)展，尤其是到了數(shù)控高速切削等技術(shù)得到發(fā)展應用后，新材料的加工對刀具的切削性能要求也越來越高，為了不斷滿足切削加工的需要，刀具的材料也進行了一系列的革命性的創(chuàng)新。從初期的工具鋼到現(xiàn)在生產(chǎn)中廣泛使用的硬質(zhì)合金鋼，再到能夠切削高硬度工件材料的陶瓷、超硬刀具材料等。近年來廣泛使用的刀具表面涂層技術(shù)，極大提高了刀具的表面硬度和耐磨性，延長了刀具的使用壽命。1。刀具材料性能比較（1）刀具材料硬度與韌性，如圖3-3。圖3-3刀具材料硬度與韌性對比圖（2）刀具材料的抗拉強度，如圖3-4。圖3-4刀具材料的抗拉強度2。常用刀具材料圖3-5分類列出了刀具的常用材料。（1）高速鋼高速鋼具有較高強度、良好的韌性，切削加工時性能比較穩(wěn)定，加工工藝性好、便于制造各種形狀復雜的刀具等優(yōu)點；但是高速鋼硬度較低，特別是在高溫的環(huán)境下保持硬度的能力較弱，使其使用范圍得到了較大的限制。（2）硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是一種主要由不同的碳化物和粘結(jié)相組成的粉末冶金產(chǎn)品，在硬質(zhì)合金工廠，硬質(zhì)合金需經(jīng)過混合、壓制和燒結(jié)。硬質(zhì)合金的硬度很高，這主要由其中的碳化物和粘結(jié)相造成的。其主要碳化物有：碳化鎢（WC）、碳化鈦（TiC）、碳化鉭（TaC）和碳化鈮（NbC）等，在大部分情況下，鈷作為粘結(jié)相使用。圖3-5刀具材料列表不同的硬質(zhì)合金材質(zhì)有不同的用途，如車削、銑削、孔加工、螺紋加工、切槽等。切削刀具用硬質(zhì)合金根據(jù)國際標準ISO分類，把所有牌號用顏色標識分成六大類，分別以字母P、M、K、N、S、H表示。分類的主要依據(jù)是加工材料的化學元素含量、結(jié)構(gòu)、硬度和導熱性能。其中，P類硬質(zhì)合金材料用于加工長切屑的鋼件；M類用于加工不銹鋼材料；K類用于加工短切屑的鑄鐵類材料；N類用于加工短切屑的非鐵類材料，如有色金屬等；S類用于加工難切削材料，如鎳基材料、鈦合金等；H類用于加工硬度高的材料，如淬硬鋼等。每一類中的各個牌號分別給以一個01～50之間的數(shù)字，表示從最高硬度到最大韌性之間的一系列合金，以供各種被加工材料的不同切削工序及加工條件時選用。根據(jù)使用需要，在兩個相鄰的分類代號之間，可插入一個中間代號，如在P10和P20之間插入P15，K20和K30之間插入K25等，但不能多于一個。近年來快速發(fā)展的金屬陶瓷材料，也稱為鈦基硬質(zhì)合金，因此也屬于硬質(zhì)合金材料的范疇。它是指以TiC或TiC、TiN為主要硬質(zhì)相，以Ni－Mo或Ni-Co－Mo等為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金。這類材料開發(fā)較早，50年代已出初型，但由于脆性太大，長期未能穩(wěn)定應用于生產(chǎn)，直至80年代中期在組成、燒結(jié)工藝等方面取得了技術(shù)新進展，在保留其高硬度特性基礎上，大幅度提高了強度。相對于鎢基硬質(zhì)合金，除抗沖擊韌度略低于部分新牌號鎢基硬質(zhì)合金外，在高溫硬度、耐磨損性、與被加工材料的親和力等方面均有其優(yōu)勢，因而成為現(xiàn)代小余量、精密車削的主要刀具材料品種之一。（3）超硬材料立方氮化硼CBN。氮化硼的化學組成和石墨非常相似，顏色為白色，晶格為密排六方晶格，象石墨一樣的低硬度。立方氮化硼刀片是由立方氮化硼細小顆粒在氮化鈦等基體材料上通過壓力燒結(jié)方式制造出來的。石墨經(jīng)高溫高壓處理變成人造金剛石，用類似的手段處理氮化硼（六方）就能得到立方氮化硼。立方氮化硼是六方氮化硼的同素異形體，是人類已知的硬度僅次于金剛石的物質(zhì)。立方氮化硼的熱穩(wěn)定性大大高于金剛石。在空氣中，人造金剛石在800℃時即碳化，而立方氮化硼可耐1300~1500℃的高溫，甚至在1500℃時也不發(fā)生相變。聚晶立方氮化硼在1400℃仍然保持其硬度，與鐵族元素的化學惰性比金剛石大，能以加工普通鋼和鑄鐵的切削速度切削淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等，從而大大提高生產(chǎn)率。金剛石材料碳元素被組成兩種不同的晶格形式,密排六方晶格的軟石墨和眾所周知的最硬的刀具材料立方晶格的金剛石。金剛石主要存在于沉積巖中。當被開采出來的時候，金剛石主要積聚在金伯利巖石之中。此外金剛石也存在于河流沉積物中。金剛石有天然的和人造的兩種，都是碳的同素異形體。人造金剛石是在高壓高溫條件下，借合金觸媒的作用，由石墨轉(zhuǎn)化而成的。金剛石硬度極高，是目前已知的最硬物質(zhì)，其硬度接近于10000HV，而硬質(zhì)合金的硬度僅為1,060～1,800HV。金剛石刀具既能勝任硬質(zhì)合金、陶瓷、高硅鋁合金等高硬度、耐磨材料的加工，又可用以切削有色金屬及其合金和不銹鋼．但它不適合加工鐵族材料。這是由于鐵和碳原子的親和性產(chǎn)生的粘附作用而損壞刀具。大顆粒金剛石分單晶和聚晶兩種。所謂聚晶就是由許多細小的金剛石晶粒（直徑約在1～100

m之間）聚合而成的大顆粒的多晶金剛石塊，而晶粒的無定向排列，使其具有優(yōu)于天然金剛石的強度和韌性。3.2機夾式可旋轉(zhuǎn)刀片

3.2.1可轉(zhuǎn)位刀片的ISO符號標記如圖3-6所示，可轉(zhuǎn)位刀片的ISO符號標記有字母和數(shù)字組成，其中各位字母和數(shù)字含義如下：（1）刀片形狀。刀片形狀字母對應的具體刀片形狀見圖3-7所示。圖3-6可轉(zhuǎn)位刀片的ISO符號標記圖3-7刀片形狀（2）后角特征。后角符號標注由字母構(gòu)成，其對應關系如圖3-8所示。（3）刀片公差。如圖3-9所示。圖3-8后角特征圖3-9刀片公差（4）切削及夾緊特征。如圖3-10所示。（5）刀片刃長。表示刀片主切削刃長度，用兩位數(shù)代表，取理論長度的整數(shù)部分。如舍取小數(shù)部分后只剩下一位數(shù)字，則必須在數(shù)字前加一個“0”。（6）刀片厚度。表示刀片主切削刃到刀片定位面的距離，用兩位數(shù)代表，取理論長度的整數(shù)部分。如舍取小數(shù)部分后只剩下一位數(shù)字，則必須在數(shù)字前加一個“0”；當?shù)镀穸鹊恼麛?shù)相同而小數(shù)部分值不同，則將小數(shù)部分大的刀片的代號用“T”代替“0”，以示區(qū)別。（7）刀尖圓角半徑或刀尖轉(zhuǎn)角形狀。如02表示刀尖圓弧半徑為0.2mm。（8）刃口形狀。刃口形狀與切削力、切削功率以及刀口鋒利程度和刃口強度的關系，如圖3-11所示。（9）切削方向。如圖3-12所示。（10）倒棱寬度。如圖3-13所示。（11）倒棱角度。所圖3-14如示。圖3-10切削及夾緊特征圖3-11刃口形狀與切削力關系圖3-12切削方向圖3-13倒棱寬度圖3-14倒棱角度3.2.2刀片夾緊系統(tǒng)

刀片的夾緊系統(tǒng)對刀片在刀柄上安裝的可靠度、排屑以及刀片更換操作是否便捷關系重大。下面分別對車刀和銑刀的幾種常用夾緊方式進行介紹。1。車刀刀片夾緊方式（1）杠桿式夾緊系統(tǒng)杠桿式夾緊系統(tǒng)是最常用的刀片夾緊方式。如圖3-15所示，其特點為：夾緊較為牢固可靠；有兩個定位面,定位精度高；調(diào)節(jié)距離較偏心銷大；定位精度高,切屑流暢,操作簡便,可與其它系列刀具產(chǎn)品通用；結(jié)構(gòu)復雜，制造工藝差和加工成本高，故適合專業(yè)廠集中生產(chǎn)。圖3-15杠桿式夾緊系統(tǒng)圖3-16鍥銷壓緊式（2）鍥銷壓緊式鍥銷壓緊式夾緊系統(tǒng)如圖3-16所示，它常用于仿形加工，具有以下特點：調(diào)節(jié)距離大，能可靠地夾緊燒結(jié)刀片；鎖緊穩(wěn)定，能抑制振動和承受大的切削力。（3）螺釘式鎖緊式螺釘式鎖緊式夾緊系統(tǒng)如圖3-17所示，它適用于小孔徑內(nèi)孔以及長懸伸加工，具有以下優(yōu)點：甚至小型刀片也可用此方法夾緊；出屑流暢。但使用時也會有以下缺點：螺絲出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象時難以保證可轉(zhuǎn)位刀片的可靠定位；操作要小心，因為在上或取刀片時螺絲容易滑落；螺絲頂部可能會被出屑損壞，尤其在內(nèi)部加工時容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。圖3-17螺釘式鎖緊式（4）彈性刀槽壓緊式／彈性刀槽自鎖式