数控刀具之数控刀具基础篇

版权所有，盗版必究个人原创，豆丁网首发第1页共14页数控刀具之—数控刀具基础篇编著：吴光辉版权所有，盗版必究个人原创，豆丁网首发第2页共14页第一章数控刀具基础1.1数控刀具的种类和特点数控刀具通常是指数控机床和加工中心用的刀具，在国外发展很快，品种很多，已形成系列。但在中国，由于对数控刀具的研究开发起步较晚，数控刀具成了工具行业中最薄弱的一个环节。数控刀具的落后已经成为影响我国国产和进口数控机床充分发挥作用的主要障碍。1.1.1数控刀具的总类数控刀具的分类方法很多。按刀具的切削部分材料可分为高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具等；按刀具结构形式可分为整体式、焊接式、机夹可转位式和涂层刀具（数控机床广泛使用机夹可转位式刀具）；按所使用机床的类型和被加工工件表面的特征可分为车刀、铣刀和孔加工工具等（如下图所示）。外圆车刀车削刀具内孔车刀切槽与切断刀具螺纹车削刀具面铣刀具整体合金立铣刀方肩铣刀具可转位立铣刀铣削刀具整体合金立仿形铣刀数控刀具仿形铣刀具舍弃式仿形铣刀槽铣刀具整体合金钻头钻削刀具可转位刀片快速钻深孔钻孔加工刀具粗镗刀镗削刀具精镗刀铰削刀具钻孔刀具刀柄镗孔刀具刀柄刀柄系统铣刀类刀柄螺纹刀具刀柄直柄刀具类刀柄图1.1a数控刀具的分类版权所有，盗版必究个人原创，豆丁网首发第3页共14页1.1.2数控刀具的特点为了能够实现数控机床上刀具高效、多能、快换和经济的目的，数控机床所用的刀具主要具备下列特点：a.刀片和刀具几何参数和切削参数的规范化、典型化；b.刀片或刀具材料及切削参数与被加工工件的材料之间匹配的选用原则；c.刀片或刀具的耐用度经济寿命指标的合理化；d.刀片及刀柄的定位基准的优化；e.刀片及刀柄对机床主轴的相对位置的要求高；f.对刀柄的强度、刚性及耐磨性的要求；g.刀柄或工具系统的装机重量限制的要求；h.对刀具柄的转位、装拆和重复精度的要求i.刀柄及刀具切入的位置和方向的要求；j.刀片和刀柄高度的通用化、规则化和系列化；k.整个数控工具系统自动换刀系统的优化。1.2刀具的基本术语1.2.1基本术语待加工表面----工件上有待切除的表面。已加工表面----工件上经刀具切削后产生的表面。过渡表面(同义词：加工表面)----工件上由切削刃形成的那部分表面，它将在下一个行程，刀具或工件的下一转里被切除，或者由下一个切削刃切除。前面(同义词：前刀面)----刀具上切屑流过的表面。它直接作用于被切削的金属层，并控制切屑沿其排出的刀面。后面(同义词：后刀面)----与工件上切削中产生的表面相对的表面。主后面(同义词：主后刀面)----刀具上同前面相交形成主切削刃的后面。它对着过渡表面。副后面(同义词：副后刀面)----刀具上同前面相交形成副切削刃的后面。它对着已加工表面。主切削刃----起始于切削刃上主偏角为零的点，并至少有一段切削刃拟用来在工件上切出过渡表面的那个整段切削刃。副切削刃----切削刃上除主切削刃以外的刃，亦起始于切削刃上主偏角为零的点，但它向背离主切削刃的方向延伸。1.2.2切削用量切削用量是用来表示切削运动、调整机床加工参数的参量，可用它对主运动和进给运动进行定量描版权所有，盗版必究个人原创，豆丁网首发第4页共14页述。切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量。也称切削三要素。a.切削速度（Vc）切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时线速度。回转主运动的线速度Vc（m/min）的计算公式如下：Vc=πdn/1000公式中d——切削刃上选定点处所对应工件或刀具的回转直径，mm；n——工件或刀具的转速，r/min；π——圆周率，3.14。b.进给量（f）刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，称为进给量。用刀具或工件每转或每行程的位移量f（mm/r）来表示。编程时，通常采用进给速度Vf（F）表示刀具与工件的相对运动速度，单位是mm/min。车削是的进给速度VfVf=n·f对于铰刀、铣刀等多齿刀具，通常规定每齿进给量fz（mm），其含义是刀具的每转过一个齿，刀具相对于工件在进给运动方向上的位移量。进给速度Vf与每齿进给量的关系为Vf=n·Z·fz公式中n——工件或刀具转速，r/min；Z——刀具齿数。c.背吃刀量（ap）已加工表面与待加工表面之间的垂直距离，称为背吃刀量（mm），也叫切深。1.3刀具的几何角度1.3.1刀具几何角度前角γo——前面与基面间的夹角。后角αo——后面与切削平面间的夹角。楔角βo——前面与后面间的夹角。主偏角kr——主切削平面与假定工作平面间的夹角，在基面中测量。副偏角kr’——副切削平面与假定工作平面间的夹角，在基面中测量。刃倾角λs——切削平面中测量的切削刃与基面之间的夹角。版权所有，盗版必究个人原创，豆丁网首发第5页共14页1.3.2刀具几何参数的合理选择当确定刀具材料后，刀具的切削性能由几何参数来决定，选择刀具合理几何参数的目的在于充分发挥刀具材料的效能，保证加工质量，提高生产效率，降低生产成本。a.前角的功能及选择方法前角有正前角和负前角之分，其大小影响切削变形和切削力的大小、刀具耐用度及加工表面质量的高低。取正前角的目的是为了减小切屑被切下时的弹性塑性变形和切屑流出时与前面的摩擦力，从而减小切削力和切削热，使切削轻快，提高刀具寿命和已加工表面质量，所以应尽可能采用正前角。但前角过大，刀具强度低、散热体积小，反而会使刀具耐用度降低。取负前角的目的在于改善切削刃受力状况和散热条件，提高切削刃强度和耐冲击能力。正前角刀具切削脆性材料，特别是前角较大时，切屑和前面接触较短，切削力集中作用在切削刃附近，切削刃部位受切削力的弯曲和冲击，容易产生崩刃。而负前角刀具的前面则受压力，刃部相对比较结实，特别在切削硬脆材料时，刃口摩擦阻力增大，切削力和切削功率也增加。在一定的切削条件下，用某种刀具材料加工某种工件材料时，总有一个使刀具获得最高寿命的前角值，这个前角就叫合理前角。合理前角可能是正前角，也可能是负前角。选择前角时首先应保证切刃锋利，同时又要兼顾足够的切削刃强度。在保证加工质量的前提下，一般以达到最高的刀具寿命为目的。前角的合理数值选取原则如下：①加工塑性材料取较大前角，加工脆性材料取较小前角；②当工件材料的强度和硬度低时，可取较大前角；当工件材料的强度和硬度高时，可取较小前角；③当刀具材料的抗弯强度和冲击韧性较低时，取较小前角。高速钢刀具的合理前角比硬质合金刀具的打，陶瓷刀具的合理前角比硬质合金刀具的小；④粗加工时取较小的前角甚至负前角，精加工时应选取较大的前角；⑤工艺系统刚性差和机床功率小时，宜选择较大前角，以减小切削力和振动；⑥数控机床、自动线上用的刀具，为保证刀具工作的稳定性（不发生崩刃和破损），一般选用较小的前角。表1.3.1硬质合金车刀合理前角的参考值工件材料种类合理前角参考值/（o）粗车精车低碳钢20～2525～30中碳钢10～1515～20合金钢10～1515～20淬火钢-15～-5不锈钢（奥氏体）15～2020～25灰铸铁10～155～10铜及铜合金（脆）10～155～10铝及铝合金30～3535～40钛合金（σb≤1.177Gpa）5～10b.后角的功能及选择方法后角的主要作用时减小后面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦；影响楔角的大小，从而配合前角调整切削刃的锋利程度和强度后角减小后面与工件表面摩擦加大，刀具磨损加大，工件冷硬程度增加，加工表面质量差；后角增大，摩擦减小，但刀刃强度和散热情况变差。所以在一定切削条件下，后角也有一个对应于最高刀具寿命的合理数值。合理后角的选择原则：①粗加工时，为保证刀具强度，应取较小的后角。精加工时，为保证表面质量，应取较大的后角；②工件材料的强度、硬度高时，宜取较小的后角。工件材料硬度低、塑性较大时，主后刀面的摩擦对已加工表面质量和刀具摩擦影响较大，此时应取较大的后角；加工脆性材料时，切削力集版权所有，盗版必究个人原创，豆丁网首发第6页共14页中在切削刃附近，为强化切削刃，宜选取较小的后角；③对于尺寸精度要求较高的精加工刀具，为减少重磨后刀具尺寸的变化，应取较小的后角；④工艺系统刚性差，容易产生振动时，应取较小的后角以增强刀具对振动的阻尼作用。工件材料种类合理后角参考值/（o）粗车精车低碳钢8～1010～12中碳钢5～76～8合金钢5～76～8淬火钢8～10不锈钢（奥氏体）6～88～10灰铸铁4～66～8铜及铜合金（脆）6～86～8铝及铝合金8～1010～12钛合金（σb≤1.177Gpa）10～15c.主偏角的功能及选择方法主偏角的功用主要影响刀具耐用度、已加工表面粗糙度及切削力的大小。主偏角较小，则刀头强度高、则刀头强度高、散热条件好、已加工表面残留面积高度小，主切削刃的工作长度长，单位长度上的切削负荷小；其负面效应为背向力大，容易引起工艺系统振动，切削厚度小，断屑效果差。主偏角较大时，所产生的影响与上述相反。在一定的切削条件下，主偏角是有一个合理数值，其主要选择原则为：①粗加工和半精加工时，硬质合金车刀应选择较大的主偏角，以利于减少振动，提高刀具耐用度和断屑。②加工很硬的材料，如淬硬钢和冷硬铸铁时，为减少单位长度切削刃上的负荷，改善刀刃散热条件，提高刀具耐用度，应取kr＝10°～30°，工艺系统刚性好的取小值，反之取大值。③工艺系统刚性低（如车细长轴、薄壁筒）时，应取较大的主偏角，甚至取kr≥90°，以减小背向力。从而降低工艺系统的弹性边形和振动。④单件小批生产时，希望用一两把车刀加工出工件上所有表面，则应选用通用性较好的kr＝45°或者kr＝90°刀具。⑤需要从工件中间切入的车刀以及仿形加工的车刀，应适当增大主偏角和副偏角，有时主偏角的大小决定于工件的形状，例如车阶梯轴时，则需要用kr＝90°的刀具。1.4刀具材料的种类、性能和特点在金属切削加工中，刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度、加工表面的质量和刀具消耗以及加工成本。正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一，特别是对某些难加工材料的切削，刀具材料的选用显得尤为重要。刀具材料是指刀具切削部分的材料。金属切需时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触，承受着很大的切削压力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦，产生很高的切削温度。因此，刀具材料应具备以下的基本性能。①.高硬度刀具材料的硬度必须更高于被加工工件材料的硬度，否则在高温高压下，就不能保持刀具锋利的几何形状，这是刀具材料应具备的最基本特征。②.足够的强度和韧性刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削力和冲击力。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。③.高耐磨性和耐热性刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。一般说刀具的硬度越高，则耐磨性越好。耐热性与耐磨性有着密切的关系。其耐热性通常用它在高温下保持较高的硬度的性能版权所有，盗版必究个人原创，豆丁网首发第7页共14页即高温硬度来衡量，也叫红硬性。高温硬度越好，表示其耐热性也越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。④.良好的导热性刀具材料的导热性用热导率[W/（m.K）]来表示。热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。⑤.良好的工艺性和经济性为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性，包括锻压、焊接、切削加工、热处理、可磨性等。⑥.抗粘结性防止工件与刀具材料分子间在高温高压作用下互相吸附产生粘结。⑦.化学稳定性指刀具材料在高温下，不易与周围介质发生化学反应。目前金属切削加工中应用的刀具材料，碳素工具钢已基本被淘汰，合金工具钢基本已经被淘汰，合金工具钢也很少使用，所使用的刀具材料主要分为高速钢、硬质合金、涂层、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等六类。1.4.1高速钢（Highspeedsteel,HSS）高速钢是含钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素较多的高合金工具钢。高速钢刀具具有较好的强度、韧性等力学性能和优良的工艺性。在复杂刀具，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀和切齿刀等一些小型及形状结构复杂的刀具，高速钢仍占据一定的地位。随着材料科学的发展