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数控加工刀具的选择及切削用量的确定--1引言刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，不仅影响数控机床的加工效率，而且影响工件加工质量。随着CAD\CAM软件技术的发展，使得数控加工中直接利用CAD或PRO/E软件设计的数据成为可能，特别是微机与数控机床的联接，使得设计、工艺规划、编程的整个过程全在计算机上完成。例如选择刀具、确定加工路线、设定切削用量等，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成CNC程序，并传输至数控机床完成加工。因此，数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的，一般不需要输出专门的工艺文件。因此，数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机床加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点，能够正确选择刀刃具及切削用量。铣床的出口量下降比较严重，部分产品出口转内销，进一步加剧了国内市场竞争。而对于产品档次比较高的企业来说，受到的冲击就不是很明显，特别是高精尖的高档机床依旧是供不应求。这些都在说明，国内机床市场转型已迫在眉睫。数控加工刀具的选择及切削用量的确定2第一章数控车床刀具的选择及切削用量的确定1.1数控车床类刀具知识由于机床、刀具、夹具、工件等组成的切削加工工艺系统中，刀具是最活跃的成员。刀具性能的好坏取决于其材料和结构。其中，刀具材料起决定作用，它直接影响切削生产率、刀具寿命、加工成本、加工精度和表面质量等高低。刀具材料包括刀体材料和刀具切削部分材料两部分，但通常刀具材料是指刀具切削部分材料。1.1.1刀具材料性能刀具材料性能刀具材料不仅是影响刀具切削性能的重要因素，而且它对刀具耐用度、切削用量、生产率、加工成本等有着重要的影响。因此，在机械加工过程中，不数控车床但要熟悉各种刀具材料的种类、性能和用途，还必须能根据不同的工件和加工条件，对刀具材料进行合理的选择。切削时，刀具在承受较大压力的同时，还与切屑、工件产生剧烈的摩擦，由此而产生较高的切削温度；在加工余量不均匀和切削断续表面时，加工中心刀具还将受到冲击，产生振动。为此，刀具切削部分的材料应具备下列基本性能。刀具材料性能：刀具材料不仅是影响刀具切削性能的重要因素，而且它对刀具耐用度、切削用量、生产率、加工成本等有着重要的影响。因此，在机械加工过程中，不但要熟悉各种刀具材料的种类、性能和用途，还必须能根据不同的工件和加工条件，对刀具材料进行合理的选择。大压力的同时，还与切屑、工件产生剧烈的摩擦，由此而产生较高的切削温度；在加工余量不均匀和切削断续表面时，刀具还将受到冲击，产生振动。为此，刀具切削部分的材料应具备下列基本性能。1.硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须大于工件材料的硬度，一般情况下，要求其常温硬度在60HRC以上。通常，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好，刀具切削部分抗磨损的能力也就越强。耐磨性还取决于材料的化学成分、显微组织。刀具材料组织中硬质点的硬度越高，数量越多，晶数控加工刀具的选择及切削用量的确定--3粒越细，分布越均匀，则耐磨性越好。此外，刀具材料对工件材料的抗黏附能力越强，耐磨性也越好。2.强度和韧性：由于切削力、冲击和振动等作用，数控车床刀具材料必须具有足够的抗弯强度和冲击韧性，以避免刀具材料在切削过程中产生断裂和崩刃。3.耐热性与化学稳定性：耐热性是指刀具材料在高温下保持其硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。耐热性越好，则允许的切削速度越高，同时抵抗切削刃塑性变形的能力也越强。化学稳定性是指刀具材料在高温下不易和工件材料、周围介质发生化学反应的能力。化学稳定性越好，刀具的磨损越慢。4.工艺性能：刀具材料应具备好的制造性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等。5.经济性能：在具有上述性能的同时，刀具材料尽可能满足资源充足、价格低廉的要求。6.适应性能：随着科学的发展，各种高强度、高硬质、耐腐蚀和抗拉工程材料越来越多的被采用，刀具材料应能适应新型难加工材料的需要。1.1.2常用刀具材料1.刀体材料一般刀体军用普通碳钢或合金钢制作。如焊接车、镗刀的刀柄，钻头、铰刀的刀体常用45钢或40Cr制造。尺寸较小的刀具或切削负荷较大的刀具宜用合金钢或高速钢整体制成，如螺纹刀具、成型铣刀、拉刀等；尺寸较小的精密刀具（如小镗刀、小铰刀）也可用硬质合金整体制成。机夹、可转位硬质合金刀具、镶硬质合金钻头、可转位铣刀等可用合金工具钢，如9SiCr或GCr15等制成刀体。2.切削部分材料目前刀具材料分四大类：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢）、硬质合金、陶瓷及超硬刀具材料等。刀具材料的硬度按照由大到小的顺序为：金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具。刀具材料的抗弯强度按照由大到小的顺序为：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、合金石刀具和立方氮化硼刀具。各种刀具材料的物理力学性能见以下表格。下面分别介绍各种刀具材料的组成、性能、使用等数控加工刀具的选择及切削用量的确定4各种刀具材料的物理力学性能3.高速钢高速钢（HighSpeedSteel，简称HSS）是一种加入较多的钨（W）、锰（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢，有较高的热稳定性，切削材料种类相对密度或密度/（g/cm3)硬度/HRC(HRA)［HV］抗弯强度σbb/GPa冲击韧度αk/（MJ/m2)热导率λ/［W/（m·K）］耐热性/°C切削速度大致比值工具钢碳素工具钢7.6～7.860～65（81.2～84）2.16－≈41.87200～2500.32～0.4合金工具钢7.7～7.960～65（81.2～84）2.35－≈41.87300～4000.48～0.6高速钢8.0～8.863～70（83～86.6）1.96～4.410.098～0.58816.75～25.1600～7001～1.2硬质合金钨钴类14.3～15.3（89～91.5）1.08～2.160.019～0.05975.4～87.98003.2～4.8钨钛钴类9.35～13.2（89～92.5)0.882～1.370.0029～0.006820.9～62.89004～4.8含有碳化钼、铌类—（≈92）≈1.47——1000～11006～10碳化钛基类5.56～6.3（92～93.3）0.78～1.08——11006～10陶瓷氧化铝陶瓷3.6～4.7（91～95）0.44～0.6860.0049～0.01174.19～20.9312008～12氧化铝碳化物混合陶瓷0.71～0.8811006～10氮化硅陶瓷3.26［5000］0.735～0.83—37.681300—超硬材料立方氮化硼3.44～3.49［800～9000］≈0.294—75.551400～1500—人造金刚石3.47～3.56［10000］0.21～8—146.54700～800≈25数控加工刀具的选择及切削用量的确定--5温度达500～650℃时仍能进行切削，有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性。其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、数控车床拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，在复杂大局，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具时，高速钢占据着重要的地位。由于钨（W）、钴（Co）等主要元素的资源紧缺，高速钢刀具在所有刀具材料的比重逐渐下降，今后高速钢的使用比例还将逐渐减少。高速钢刀具的发展方向包括：发展各种少钨（W）的通用型高速钢，扩大使用各种无钴（Co）、少钴（Co）的高性能高速钢，目前，推广使用粉末冶金高速钢（PMHSS）和涂层高速钢。高速钢的品种繁多：按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢：按化学成分可分为钨系、钨钼系和钼系高速钢；按制造工艺不同，分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。⑴普通高速钢通用型高速钢约占高速钢总产量的75%～80%。按钨钼的含量可分为钨系、钨钼系两类。这类高速钢碳（C）的质量分数为0.7%～0.9%，钨钼钢中钨（W）的质量分数的不同，可分为12%或18%的钨钢、钨（W）的质量分数为6%或8%的钨钼钢、钨（W）的质量分数为2%或不含钨（W）的钼钢。普通型高速钢具有一定的硬度（63～66HRC）和耐磨性、搞的强度和韧性、良好的塑性和加工工艺性，因此广泛用于制造各种复杂刀具。①钨钢我国长期使用的通用型高速钢中的钨钢，其典型牌号为W18Cr4V，具有较好的综合性能，在600℃时的高温硬度为48.5HRC，可用于制造各种复杂刀具。它具有可磨削性好、脱碳敏感性小等优点，但由于碳化物含量较高、分布较不均匀、颗粒较大、强度和韧性不高，特别是热塑性差，不宜做大截面的刀具。钨钢已很少采用，逐渐淘汰，而由钨钼系高速钢取代。②钨钼钢钨钼钢是指将钨钢中的一部分钨用钼代替所获得的一种高速钢。钨钼钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2（简称M2）。W6Mo5Cr4V2的碳化物颗粒细小均匀，强度、韧性和高温塑性都比W18Cr4V好。其主要缺点是含钒量稍多，磨削加工性比W18Cr4V差，脱碳敏感性大、淬火温度范围较窄。钨钼钢为W9Mo3Cr4V（简称W9），其热稳定性略高于W6Mo5Cr4V2钢，抗弯强度和韧性都比W6Mo5Cr4V2好，具有良好的可加工性能。这种钢易轧、数控加工刀具的选择及切削用量的确定6易锻，热处理范围较宽。脱碳敏感性小、磨削性能较好。此外，我国还开发了W3MO2Cr4Si和W3MO2Cr4SiN等低合金高速钢，其价格比W6Mo5Cr4V2钢便宜15%～20%。实验证明，用它们制作低、中速切削的刀具、如中心钻、丝锥、小直径麻花钻等，其切削性能不比W6Mo5Cr4V2差。⑵粉末冶金高速钢普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法制成的。粉末冶金高速钢(PMHSS)是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压氩气使之雾化，再急冷得到细小均匀的晶体组织（高速钢粉末），用此粉末在高温、高压下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状，再通过各种加工而成刀具。与熔融法制造的高速钢相比具有以下有点：①粉末冶金高速钢没有碳化物偏析的缺陷，，不论刀具截面尺寸有多大，其碳化物晶粒小且均匀，达2～3μm（一般熔炼为8～20μm）。因此，粉末冶金高速钢具有较高的力学性能，其强度和韧性分别是熔炼钢的2倍和2.5～3倍。②与熔炼钢塑钢相比，粉末冶金高速钢的常温度能提高1～1.5HRC，热处理后硬度可达69.5～70HRC，600℃时的高温硬度比熔炼钢高2～3HRC，高温硬度提高尤为显著。由于PMHSS碳化物颗粒均匀，分布的表面积较大，且不易从切削刃上剥落，故PMHSS刀具的耐磨性也提高20%～30%。③由于碳化物细小均匀且含钒量适当提高，PMHSS的可磨削性较好。④由于物理力学性能各向同性，可减少热处理变形和应力。PMHSS适合制造钻头、拉刀、螺纹刀、滚刀、插齿刀等复杂刀具。早粉末冶金高速钢表面进行PVD涂层TiC、TiCN、TiAIN后，切削速度可进一步提高。数控加工刀具的选择及切削用量的确定--7我国常用高速钢的主要牌号和性能4.硬质合金硬质合金是有硬度和熔点很高的碳化物（称硬质相）和金属（称粘结相）通过粉末冶金工艺制成的。硬质合金刀具中常用的碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等。常用的粘结剂是Co，碳化钛的粘结剂是Mo、Ni。其物理学性能取决于合金的成份。粉末颗粒的粗细以及合金的烧结工艺。由于有搞硬度、搞熔点的性质，常温硬度达89～94HRA，耐热温度达800～1000℃。切削钢时，切削速度可达220m/min左右。假如熔点更高的TaC、NbC，可使耐热温度提高到1000～1100°℃，切削钢时，切削速度进一步提高到200～300m/min。硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料，如车刀、加工中心端铣刀以至深孔钻等。它制成各种形式的刀片，然后用机械夹紧或用钎焊方式固定在刀具的切削部位上。硬质合金按晶粒大小可分为普通硬质合金、细晶粒硬质合金和超细