第二章数控机床刀具的选择

第二章数控机床刀具的选择•2.1刀具材料及其选用在金属切削加工中，刀具材料的性能直接影响着生产效率、工件的加工精度和已加工表面质量，刀具消耗和加工成本。2.1.1刀具材料应具备的基本性能•刀具材料应具备的基本性能（3）较强的耐磨性和耐热性（2）高强度与韧性刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性（1）高硬度（5）良好的工艺性与经济性（4）优良的导热性（1）高硬度•刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。•刀具材料最低硬度应在60HRC以上。•对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；高速钢硬度为63HRC～70HRC；硬质合金刀具硬度为89HRC～93HRC。（2）足够的强度与韧性•刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。•如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f＝0.5㎜/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。•一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。（3）高耐磨性和耐热性•A、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。•一般刀具硬度越高，耐磨性越好。•刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。•B、刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。•刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。（4）良好的导热性•刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。•刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强。（5）良好的工艺性与经济性•刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。•经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本（6）抗粘接性•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接。（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。数控刀具的材料高速钢钨钴类钨钛钴类Mo系高速钢W系高速钢钨钛钽（铌）钴类陶瓷纯氧化铝类（白色陶瓷）TiC添加类（黑色陶瓷）立方碳化硼聚晶金刚石硬质合金2.1.2刀具材料的种类及其选用•1．高速钢（HighSpeedSteel，HSS）•（1）概念：•高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢•（2）性质：•①、高速钢具有良好的热稳定性•②、高速钢具有较高强度和韧性•③、高速钢具有一定的硬度(63～70HRC)和耐磨性•3）高速钢的分类•①普通高速钢•A、钨系高速钢（简称W18）•优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。•缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。•B、钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢）•优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀性。•缺点：高温切削性能和W18相比稍差。•②高性能高速钢•优点：具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的1.5～3倍。•缺点：强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差。•适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。③粉末冶金高速钢•优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达69～70HRC；•保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；•磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高2～3倍；•耐磨性好。•适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。•2．硬质合金（CementedCarbide）•（1）硬质合金组成•硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。•（2）硬质合金的性能特点•硬质合金优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好,热硬性好，切削速度高。•硬质合金缺点：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/3～1/2，冲击韧性只有高速钢的1/4～1/35。•硬质合金力学性能：主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定•（2）普通硬质合金的种类、牌号及适用范围•按其化学成分的不同可分为：•①、钨钴类（WC+Co）（合金代号为YG，对应于国标K类）•合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；•钴含量低，适于精加工。②、钨钛钴类•钨钛钴类（WC+TiC+Co）（合金代号为YT，对应于国标P类）•此类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑成呈片状的钢件等塑性材料。•合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低→粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。③、钨钛钽（铌）钴类•钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（合金代号为YW，对应于国标M类）•适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。•④、碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）合金代号YN，对应于国标P01类。•用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。（2）新型硬质合金•超细晶粒硬质合金多用于YG类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢。•适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。①涂层刀具•（1）概念：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。•（2）常用的涂层材料有：TiC、TiN、Al2O3等•（3）涂层形式：可以采用单涂层和复合涂层•（4）优点：涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有较高的耐磨性•（5）适用范围：主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。（3）新型刀具材料②陶瓷刀具（Ceramics）•（1）材料组成：主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧化物等添加剂，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。•（2）常用种类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷•（3）优点：有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命比硬质合金高；具有很好的热硬性，摩擦系数低，切削力比硬质合金小，用该类刀具加工时能提高表面光洁度。•（4）缺点：强度和韧性差，热导率低。陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。•（5）适用范围：高速精细加工硬材料。a.聚晶金刚石（PolyCrystallineDiamondPCD）•（1）分类：天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；复合聚晶金刚石刀具。•（2）优点：极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达10000HV，耐磨性是硬质合金的60～80倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。•（3）缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。•（4）适用范围：用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。③超硬刀具材料b.立方氮化硼(CubicBoronNitride,CBN)•（1）概念：立方氮化硼（简称CBN）是由六方氮化硼为原料在高温高压下合成。•（2）优点：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。•（3）缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/5～1/2。•（4）适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，通常采用负前角的高速切削。2.2数控机床刀具的种类及特点按结构来分整体式镶嵌式内冷式减振式机夹可转位式按加工工艺来分车刀钻刀（钻头）镗刀铣刀常见的刀具库可装20把刀的无臂式ATC刀具库常见的刀具库BT40盘式斗笠气动刀库常见的刀具库门笠式刀库常见的刀具库可装60把刀的链条式刀具库（1）刀柄刀柄是机床主轴和刀具之间的连接工具，是加工中心必备的辅具（2）工具系统1.由于在数控机床上要加工多种工件，并完成工件上多道工序的加工，因此需要使用的刀具品种、规格和数量较多。2.为减少刀具的品种规格，有必要发展柔性制造系统和加工中心使用的工具系统车削类工具系统（整体式）目前我国的加工中心采用TSG整体式工具系统，其柄部有直柄（三种规格）和锥柄（四种规格）两种，共包括16种不同用途的刀柄。车削类工具系统（整体式）整体式工具系统组成铣镗类工具系统（模块式）模块式工具系统组成铣镗类工具系统（模块式）TMG21工具系统刀具，尤其是刀片的选择是保证加工质量提高加工效率的重要环节。2.2.2数控机床刀具的特点要有高的切削效率要有高的精度和重复定位精度要有高的可靠性和耐用度实现刀具尺寸的预调和快速换刀具有完善的模块式工具系统建立完备的刀具管理系统要有在线监控及尺寸补偿系统2.3可转位刀片及其代码•2.3.1可转位刀具的优点•刀具寿命长原因：刀片避免了由焊接和刃磨高温引起的缺陷。•生产效率高原因：减少了换刀时间•有利于推广新技术、新工艺2.3.2可转位刀片的代码及其标记方法•国际标准ISO1832—1985的可转位刀片的代码方法，是由十个字符串组成的，排列如下：•刀片的几何形状及其夹角•刀具的主切削刃后角•刀片内接圆D与厚度S的精度级别•刀片形式、紧固方法或断屑槽•刀片边长、切削刃长•刀片厚度•刀尖圆角半径或主偏角或修光刃后角•切削刃状态，刀尖切削刃或倒棱切削刃•进刀方向或倒刃宽度•厂商的补充符号或倒刃角度2.4数控刀具的选择刀具的选择是根据零件的材料种类、硬度、以及加工表面粗糙度要求和加工余量的已知条件来决定刀片的几何结构（如刀尖圆角）、进合量、切削速度和刀片牌号。刀具的选择是数控加工工艺中重要内容之一。选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。选取刀具时，要使刀具的尺寸和形状相适应。刀具选择应考虑的主要因素有：刀具选择应考虑的主要因素有：如操作间断时间、振动、电力波动或突然中断等。被加工工件的材料、性能如金属、非金属，其硬度、刚度、塑性、韧性及耐磨性等。加工工艺类别车削、钻削、铣削、镗削或粗加工、半精加工、精加工和超精加工等。加工工件信息工件的几何形状、加工余量、零件的技术经济指标。刀具能承受的切削用量辅助因数切削用量三要素，包括主轴转速、切削速度与切削深度。