第七章-數(shù)控刀具系統(tǒng)

新世紀應用型高等教育機械類課程規(guī)劃教材機床數(shù)控技術JICHUANGSHUKONGJISHU主編魏斯亮黎旭初主審林厚波第七章

數(shù)控刀具系統(tǒng)機械數(shù)控技術7.1數(shù)控刀具的特點7.1數(shù)控刀具的特點一、數(shù)控刀具的種類1．按刀具的結構分類：（1）整體式刀具：由整塊刀具材料根據(jù)不同用途專門磨削而成的刀具。優(yōu)點是結構簡單，使用方便，工作可靠，換刀快捷等。（2）鑲嵌式刀具：將刀片以焊接或機械夾持的方式鑲嵌在刀體上的刀具。（3）減振式刀具：當?shù)毒叩墓ぷ鞅圯^長時，為了減小刀具在切削時的振動所采用的一種特殊結構的刀具。主要應用于鏜孔加工。（4）內(nèi)冷式刀具：可通過機床主軸或刀盤將切削液自動輸送到刀體內(nèi)部，并從噴嘴自動噴射到切削部位進行冷卻的刀具。（5）特殊刀具：包括強力夾緊刀具、擠壓螺紋刀具、復合刀具等。一、數(shù)控刀具的種類2．按刀具的刀頭材料分類：（1）高速鋼刀具（2）硬質(zhì)合金刀具（3）陶瓷刀具（4）超硬刀具一、數(shù)控刀具的種類3．按數(shù)控刀具的切削工藝分類:（1）車削刀具：外圓車刀、端面車刀和成形車刀等。（2）鏜削刀具：單刃鏜刀、雙刃鏜刀和多刃組合鏜刀等。（3）鉆削刀具：普通麻花鉆、可轉位淺孔鉆和擴孔鉆等。（4）銑削刀具：立銑刀、球端銑刀、可轉位面銑刀、鍵槽銑刀、模具銑刀和成形銑刀等。一、數(shù)控刀具的種類4．按刀具系統(tǒng)分類：（1）整體式刀具系統(tǒng)（2）模塊式刀具系統(tǒng)二、數(shù)控刀具的特點1.切削效率高2.精度高3.可靠性和耐用度高4.刀具尺寸能夠預調(diào)和快速換刀5.具有完善的工具系統(tǒng)6.具有刀具管理系統(tǒng)7.具有在線監(jiān)測補償系統(tǒng)7.2數(shù)控車床刀具系統(tǒng)一、數(shù)控車刀數(shù)控車刀按結構不同可分為整體式車刀、焊接式車刀、機夾式車刀和可轉位式車刀。目前廣泛使用的是機夾可轉位不重磨車刀。機夾可轉位不重磨車刀的型號表示規(guī)則,可參見教材P230表7—1一、數(shù)控車刀一、數(shù)控車刀一、數(shù)控車刀二、車削類工具系統(tǒng)隨著車削中心的產(chǎn)生和各種全功能數(shù)控車床數(shù)量的增加，人們對車削中心和數(shù)控車床所使用的刀具提出了更高的要求，形成了一個具有特色的車削類工具系統(tǒng)。數(shù)控車削工具系統(tǒng)的構成和結構，與機床刀架的形式、刀具類型及刀具是否需要動力驅(qū)動等因素有關。目前廣泛采用的德國DIN69880工具系統(tǒng)具有重復定位精度高、夾持剛性好、互換性強等特點，可分為非動力刀夾和動力刀夾兩部分。另外一種被廣泛采用的整體式車削工具系統(tǒng)是CZG車削工具系統(tǒng)，它與機床連接接口的具體尺寸及規(guī)格可參考相關資料。二、車削類工具系統(tǒng)△數(shù)控車削加工用工具系統(tǒng)的一般結構體系7.3數(shù)控銑床與加工中心刀具系統(tǒng)一、刀柄我國制定的刀具工具標準中，刀柄有直柄(JE)和錐柄(JT)兩種形式二、鏜銑類工具系統(tǒng)1．整體式結構工具系統(tǒng)整體式結構工具系統(tǒng)將刀柄的柄部和夾持刀具的工作部分做成一體，使用時根據(jù)刀具選擇不同品種和規(guī)格的刀柄即可。二、鏜銑類工具系統(tǒng)圖示為我國TSG82工具系統(tǒng)的連接組合形式二、鏜銑類工具系統(tǒng)2．模塊式結構工具系統(tǒng)二、鏜銑類工具系統(tǒng)配備完善、先進的鏜銑類刀具工具系統(tǒng)是用好數(shù)控銑床和數(shù)控加工中心的重要環(huán)節(jié)。目前出現(xiàn)的模塊式結構工具系統(tǒng)已達數(shù)十種，國內(nèi)的TMG10工具系統(tǒng)、TMG21工具系統(tǒng)就屬于該類,它們之間的主要區(qū)別在于分模塊的定心方式和鎖緊方式各有不同。模塊式結構工具系統(tǒng)能更好地適應多品種中小批量零件的加工，且有利于工具的生產(chǎn)、使用和管理，能有效地減少用戶廠的工具儲備量，因此得到了推廣使用。7．4數(shù)控機床的對刀裝置一、數(shù)控機床對刀方式對刀的目的：是為了確定工件坐標系與機床坐標系的相互位置關系，確保在數(shù)控加工時的坐標數(shù)值取得協(xié)調(diào)一致。對刀的方法：對刀過程一般依坐標軸方向分別進行。生產(chǎn)中可以采用試切對刀法，也可以使用對刀量塊、Z軸定位器、尋邊器等裝置來提高對刀效率。為了提高數(shù)控機床的開機率，還可以采用機外對刀方式進行對刀。用于機外對刀的裝置，通常稱為對刀儀(或刀具預調(diào)儀)。二、對刀儀對刀儀按檢測對象分類，可分為數(shù)控車床用的車刀對刀儀、數(shù)控鏜銑床和加工中心用的鏜銑類機外對刀儀，也有綜合兩類功能的綜合對刀儀。1.對刀儀的組成部分(1)刀柄定位機構(2)測頭部分(3)軸向尺寸測量機構(4)測量數(shù)據(jù)處理裝置二、對刀儀2．對刀儀的種類（1）車床用光學對刀儀二、對刀儀（2）鏜銑類數(shù)顯對刀儀二、對刀儀3．對刀儀的使用注意事項(1)校正零位：使用之前，進行零位校正。(2)零點漂移：持續(xù)較長時間使用對刀儀時，需要定期檢查電子元器件的零點位置，以消除零點漂移的不良影響。(3)試切修正：最佳修正值應由操作者根據(jù)切削條件和工具系統(tǒng)的剛性，憑經(jīng)驗試切確定。(4)儀器的測量精度：目前情況下，徑向精度為±0.0005mm，軸向精度為±0.01mm。三、對刀器對刀器的作用是測定數(shù)控刀具與工件的相對位置。對刀器的種類很多，包括對刀量塊、Z軸定位器和尋邊器等。1．對刀量塊對刀量塊的使用方法是：在刀具與工件之間放入量塊，調(diào)整刀具相對于工件和量塊的接觸松緊程度，使量塊在刀具和工件之間剛好輕輕接觸，可以微量移動但不會出現(xiàn)晃動，即可認為刀具的長度偏置值為量塊的標定高度值。三、對刀器2.Z軸定位器Z軸定位器是用于測量刀具長度補償值的裝置，特別適用于單件、小批量生產(chǎn)。將Z軸定位器放在工件的表面上，使刀具2與檢測面1接觸，調(diào)節(jié)刀具位置，使表對零，此時被測刀具的長度偏置值即為Z軸定位器的出廠標定值。三、對刀器3．尋邊器按工作原理，尋邊器可分為偏心式尋邊器和光電式尋邊器兩種。偏心式尋邊器分為上、下兩截，用彈簧連接，利用旋轉測頭的機械偏心擺動幅度來反映被測位置的檢測精度。光電式尋邊器的內(nèi)部裝有電池，當觸頭與金屬工件接觸時LED可發(fā)光，使用時不要求主軸轉動。借助于光電式尋邊器的指示和機床坐標位置的顯示，可得到被測表面的準確坐標值；利用球觸頭的對稱性，還可以測量一些簡單的三維尺寸。三、對刀器△偏心式尋邊器及其應用7．5高速切削專用刀具系統(tǒng)一、高速切削對刀具的要求高速切削對刀具的特殊要求主要有：（1）刀具材料與被加工材料的化學親和力小；（2）具有優(yōu)良的力學性能、熱穩(wěn)定性、抗沖擊性和耐磨性；（3）具有正確、合理的刀具切削角度，刀尖和刃形結構具有足夠的抗磨損能力；（4）刀具系統(tǒng)與數(shù)控機床有牢固可靠的連接；（5）刀具系統(tǒng)有可靠的預警功能。二、高速切削的刀片材料高速切削的刀片材料，除應具備所需的硬度和耐磨性、強度和韌性、耐熱性、工藝性和經(jīng)濟性外，還應具備高可靠性、高耐熱性、抗熱沖擊性能以及良好的高溫力學性能。針對生產(chǎn)中意義重大的鋁合金、鑄鐵、鋼和耐熱合金等工件材料的高速切削，已發(fā)展的刀具材料主要有涂層刀具、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具等，它們各有特點，適用于不同的工件材料和切削速度范圍。三、高速切削刀具的刀體結構高速切削刀具在極高的回轉速度下工作，刀體和可轉位刀片均受到極大的離心力作用，需要十分可靠的刀體結構和刀片夾緊結構。為了調(diào)節(jié)刀具的不平衡度，在刀體上徑向安裝了平衡調(diào)整螺釘。高速切削中采用的平面銑刀刀體現(xiàn)已使用鋁合金制造，其優(yōu)點是刀具質(zhì)量約為鋼的60％，明顯降低了轉動慣量，使機床達到主軸最高轉速的過渡過程時間大為縮短，且大尺寸刀具不容易產(chǎn)生顫動。為了提高鋁合金刀體的表面硬度，可采用表面硬質(zhì)氧化膜處理，使表面硬度達到350~400HV。鉆頭、立銑刀等小直徑刀具可設計成整體硬質(zhì)合金刀具，這一類刀具已在模具高速切削中成為主流刀具。三、高速切削刀具的刀體結構為了更好地冷卻，出現(xiàn)了帶冷卻孔結構的刀具設計；為了容易排屑，將鉆頭的槽設計成拋物線截面；為了得到更好的加工表面，簡化后續(xù)工序，廣泛采用CBN球頭立銑刀。斷屑刀片在數(shù)控機床上已成為重要的斷屑手段，由于走刀量和切削深度都影響斷屑效果，所以其合理選擇和應用較為困難。高速切削刀具的切削部分應盡量短，以提高刀具的剛性和減少刀刃破損的概率。如陶瓷銑刀的切削部分就比較短，而高速鉆頭副切削刃的倒錐就比較大。三、高速切削刀具的刀體結構下圖給出了三種刀體與刀片的安裝夾緊形式：四、高速切削刀具的刀柄結構由于高速切削所用刀具的旋轉速度極高，無論從保證加工精度方面考慮，還是從操作安全性方面考慮，對刀具的裝夾技術都有很高的要求。傳統(tǒng)的刀柄連接采用7∶24錐面定心方式，刀具與主軸的連接剛性相對較低，當主軸轉速超過10000r／min時，錐孔的大端會產(chǎn)生不可忽視的孔徑擴張現(xiàn)象，使刀具的軸向定位精度與連接剛度下降，甚至產(chǎn)生振動加劇的現(xiàn)象。主軸定位錐孔大端的孔徑膨脹擴張，還會引起刀柄及夾緊機構質(zhì)量的偏離，影響主軸的動平衡效果。因此，傳統(tǒng)的7∶24錐面定心配合方式，已經(jīng)遠遠不能滿足高速切削時的剛度與精度要求，需要開發(fā)新型的高速工具系統(tǒng)。四、高速切削刀具的刀柄結構△普通標準主軸孔的孔徑擴張現(xiàn)象：四、高速切削刀具的刀柄結構將原來的單靠7∶24錐面接觸定位方式，改為錐面與端面同時接觸的定位方式。改革的本質(zhì)是采用了過定位方案，使其彌補了單靠7∶24錐面定位方案的許多不足現(xiàn)在，該項改革已經(jīng)成為高速切削刀具與高速主軸連接的主要結構形式；其中最有代表性的，是德國的HSK刀柄和美國的KM刀柄?！鞲纳频毒吲c主軸連接的最佳途徑：四、高速切削刀具的刀柄結構采用1∶10短錐面與端面雙重定位的方案；通過斜楔結構推開開口套筒，使空心柄部產(chǎn)生彈性變形，實現(xiàn)徑向定位；再用高精度凸緣面相接觸，來保證軸向定位精度和連接剛度；定心精密，連接可靠，從夾持原理上消除了離心力作用的不良影響?！鞯聡鴣嗚」I(yè)大學開發(fā)的HSK刀柄四、高速切削刀具的刀柄結構采用1∶10短錐空心刀柄；刀柄設計為中空結構；在拉桿軸向拉力的作用下，空心刀柄的短錐面徑向收縮，實現(xiàn)端面與錐面同時接觸定位；該刀柄的錐柄直徑較小，在高速旋轉時的徑向擴張量小，高速性能好?！髅绹鳮ennametal公司與德國Widia公司聯(lián)合研制的KM刀柄五、高速切削刀具的安全性高速切削時，高速旋轉的刀具積蓄了巨大的能量，承受著巨大的離心力。例如，當主軸轉速達到40000r／min時，若有刀片崩裂，掉下來的刀具碎片就像出膛的子彈，可能造成重大事故和傷害。對于機夾可轉位不重磨銑刀，其高速切削安全性除了刀體的自身強度之外，還有零件、刀片夾緊的可靠性問題。根據(jù)計算和試驗，機夾可轉位不重磨銑刀在高速旋轉條件下的失效有兩種形式：一種形式是夾緊刀片的螺釘被剪斷，刀片或其他夾緊元件被甩飛；另一種形式是刀體發(fā)生爆裂破碎。日本三菱金屬公司開發(fā)的OCATCUT系列高速銑刀，其刀座與刀片結構如圖所示；它利用刀片底面的圓鍵孔與刀體上的圓環(huán)凸臺相互接觸配合，改善了刀片夾緊的可靠性；這類銑刀刀片的被甩飛失效轉速可提高24％?！饔锌椎镀姆浪︼w結構：五、高速切削刀具的安全性右圖所示為無孔刀片的防甩飛設計這種結構可以用于16000r/min轉速范圍內(nèi)。△無孔刀片的防甩飛結構：五、高速切削刀具的安全性《高速旋轉銑刀的安全性要求》標準規(guī)定：用于高速切削的銑刀必須經(jīng)過動平衡測試，并應達到ISO1940—1規(guī)定的G1平衡質(zhì)量等級以上。要想達到如此高等級的動平衡要求，采用常規(guī)方法對主軸零件分別進行動平衡是不夠的，還必須在組裝之后進行整體精確動平衡，甚至還要專門的自動平衡系統(tǒng)來實現(xiàn)主軸在線動平衡，以確保主軸高速刀具系統(tǒng)的高速切削平穩(wěn)運行。六、高速切削刀具的動平衡引起高速刀具系統(tǒng)動不平衡的主要因素有：六、高速切削刀具的動平衡刀具平衡極限和殘余不平衡度、刀具結構不平衡度、刀柄不對稱度、刀具及夾頭的安裝(如單刃鏜刀)不對稱度、主軸—刀具界面上的徑向裝夾精度、主軸的磨損與回轉精度、刀具與主軸接合面上的雜物顆粒污染等?！鲗Σ煌瑱C床的動平衡要求是：六、高速切削刀具的動平衡普通機床的旋轉件G6.3；普通刀柄和機床傳動件G2.5；磨床及精密機械旋轉件G1.0；精密磨床主軸及部分高速電主軸G0.4；6000r／min以上的高速切削刀具和刀柄系統(tǒng)的動平衡等級必須≤G2.57.6數(shù)控車床的刀架數(shù)控回轉刀架是一種簡單的自動換刀裝置，