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数控刀具培训教材.pdf

发布时间：2022-04-21 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.45M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    数控刀具培训教材 目 录 关于培训刀具相关材料 一、切削刀具的概述……………………………………………………………（3） 材料的应用与选择……………………………………………………（4） 二、切削刀具的种类与应用 1．车刀类 ⑴刀片的表示方式与选型…………………………………………….（6） ⑵外圆………………………………………………………………….（12） ⑶内孔…………………………………………………………………..（16） ⑷切槽…………………………………………………………………..（18） ⑸切断…………………………………………………………………..（19） ⑹螺纹加工……………………………………………………………..（20） 2．铣床类 ㈠加工中心刀柄类……………………………………………………（24） ⑴弹性夹头及夹头………………………………………………… （24） ⑵钻夹头………………………………………………………………（25） ⑶侧固式刀柄…………………………………………………………（26） ⑷莫氏刀柄……………………………………………………………（26） ⑸强力夹头……………………………………………………………（26） ⑹铣刀盘刀柄…………………………………………………………（27） ⑺丝攻夹头………………………………………………………… （27） ⑻粗镗刀与精镗刀……………………………………………………（28） ⑼对刀仪………………………………………………………………（31）
    ㈡刀具类 ⑴立铣刀…………………………………………………………… （32） ⑵钻头…………………………………………………………………（40） ⑶丝攻…………………………………………………………………（42） l 三、加工的各种要素……………………………………………………………（49） l 四、加工中常遇到的问题与解决方法 车削细长轴常见的工件缺陷和产生原因……………………………（53） 卧式车床加工常见问题的产生原因及解决方法……………………（53） 切削加工出现的故障和解决方法……………………………………（54） 磨削加工出现的故障和解决方法……………………………………（56） 在模具制造领域的常见问题解答……………………………………（57） l 五、刀具的保养与维护. ………………………………………………………..（66） l 六、相关的刀具论文 1. 五金工具的市场分布及发展趋势分析………………………….（66） 2. 正确为数控机床选用刀具及编程……………………………….（72） 3. 汽车工业切削与刀具技术现状………………………………….（75） 4. 淬硬模具的高速加工…………………………………………….（81） 5. 硬质合金刀具科普知识……………………...…………………..（83） 6. 如何加工不锈钢…………………………………………… （86） 7. 刀具产品概述…………………………………………… (87) 8. 刀具的选择和切削用量的确定。。。。。。。。。。。。。。(93) 9. 对钢材性能产生影响的元素。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（95） 10. 金属材料工艺性能名词简介。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（96）
    一、 切削刀具的概述 切削刀具作为机械加工的辅助产品，现在机械业发展已在各行各业不断的应用，很多企业者会用 到刀具，特别是五金、机械、电子、模具、汽车和航天航空产业，对刀具的应用越来越广泛，其 刀具包括各种刀具,如,车刀、铣刀、丝攻、钻头、和各种非标的刀具，应用之广泛。当然这只是 中国汽车产业一个代表而已，就中国而言，每个省份都有生产汽车，其相关的配套厂分布也非常 广。加之，汽车零部件的需求量来更为广了，虽然航天航空产业来说在中国不是很多地方都有此 产业，但其用量也很大，而且其刀具的的要求也非常高 （上图为车削类刀片） （上图铣削类刀片） 材料的应用与选择 工具钢 碳素工具钢 、合金工具钢、 高速工具钢、 普通高速钢、 高性能高速钢 硬质合金 按晶粒大小区分： 普通硬质合金、 细颗粒硬质合金、 微颗粒硬质合金 按主要成分区分： 钨基硬质合金 、钛基硬质合金 陶瓷 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 超硬材料 立方氮化硼 、金刚石 刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构。刀具材料对刀具 使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响，因此十分重要。 1 刀具材料应具备的性能 刀具切削部分的材料在切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动，因此应具备以下基本性 能：高的硬度、高的耐磨性、足够的强度和韧性、高的耐热性（热稳定性）、良好的热物理性能 和耐热冲击性能和良好的工艺性能和经济性。 2 常用刀具材料 （1）高速钢—具有较高的热稳定性、高的强度，刀具制造工艺简单。 （2）硬质合金—具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用语制造整体刀具。 （3）陶瓷材料—硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提高 由于干切削时会产生强烈的摩擦和极高的温度(如用硬质合金钻头在调质钢 CK45 上以 Vc=80m/min 和 f=0.2mm/min 进行干切削时，在接触区会达到 380℃-410℃的高温。又如干铣钢件时温度通常 会超过 600℃)，所以对用于干切削的刀具要具有较高的高温硬度和耐磨性。目前，用于干切削的 主要有立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具材料、钛基硬质合金(Cermets)、硬质合金和聚晶金刚石(PCD)
    等刀具材料。其中 CBN 是淬硬钢和铸铁干加工最常用的刀具材料；而氮化硅(Si3N4)特别适合于在 断续切削和铸件有砂皮情况下对铸件和球墨铸铁进行干切削； Cermets 在硬度上是介于陶瓷刀具 和硬质合金之间的刀具材料，它是高速干切削钢件的合适材料。 表 1：几种硬涂层和软涂层的性能 开发干切削刀具，除了正确选择刀具材料和优化刀具几何参数外，大力发展刀具涂层具有特别重 要的意义。通过在刀具基体上的硬、软涂层可以弥补由于放弃冷却润滑液而失去的某些功能。涂 层的作用在于在刀具与切削材料之间筑起一道屏障，以阻拦大部分切削热向刀体传导。由于涂层 摩擦系数小，减少了摩擦并由此降低摩擦热。在目前已可以通过一系列高温耐磨的硬涂层和润滑 性好的软涂层来满足各种干切削工艺的不同要求(表 1)。例如，由于 TiAlN 涂层具有较高的高温 硬度和抗氧化性能，所以在切削温度很高的场合，它是最常用的“隔热”涂层，并特别适用于干 切削铸铁、钢和不锈钢等零件。而 TiCN 只是在较低温度下具有较高的硬度和较好的韧性，故很 适合于用作丝锥的涂层，用于干式攻丝。 铣削和车削是一种外加工，切削热和切屑的排除比较简单。而在实心材料上钻孔则是一种内加工， 从孔中排除切削热和切屑就比较困难。因此，干钻削是干加工工艺中最难的工艺。但经过多年的 开发和实验，目前这个难题已可以通过改进钻头的几何形状和采用硬涂层来解决。如改进排屑槽 的横截面形状，使槽口直延伸到柄部、增大排屑槽的螺旋角、采用较大的倒锥、较窄的倒棱和较 小的刀刃半径以及采用 TiAlN 涂层和微量润滑等措施，以减少摩擦和确保可靠排屑。 应该指出，干钻削与湿式钻削相比，前者的优点还在于干切削钻头的寿命要高于湿式切削的钻头。 有一个例子，在采用相同切削参数情况下，干切削时钻孔的数量达到 2700 个，而湿式加工时，因 受到由冷却润滑引起温度突变(热冲击)的影响，孔的加工数量仅为 1080 个，干切削钻头的耐用度 提高了 2.5 倍。 在干切削像铝合金这样的塑性材料时，在刀刃上易形成积屑瘤。目前，在涂金刚石涂层的硬 质合金刀具上再涂上滑动和润滑性好的 WC/C 涂层后，可明显减少了积屑瘤的形成。 二、 切削刀具的种类与应用 如何分清其加工的机械的种类与选型的标准 （一） 机械加工中常用到的是：车、铣、钻、磨、刨。但我们多数做的多是车、铣、钻等。如何 知道那些是加工中心加工（铣床）？那些是数控车加工（普通车床）呢？在这行有接触的人都知 道的，零件多数为两种：一是箱体（杂合体）；一是盘轴类。箱体相对来说比较复杂的需要十几 把或是很更多种刀具来加工，如加工中心上才能来完成的，盘轴类的多数是比较单一，刀具比较 少是枇量生产的，如数控车床加工（或是普通车床加工），但通常会出现这样的情况，有箱体与 盘类相结合的时候，就容易让人糊涂了，其实我们只要有心想一下还是能分清的，也就是一般工 厂的习惯是，先服从车削而后再进行铣削加工的。因车床的造价低，加工的成本相对来说比较低 的。 （二） 从我了解的配刀方案的经验中，有下面几个选择方法 Ⅰ。首先要按图纸要求加工，了解其加工的的工艺，从面到点而一步步的选取刀具，挺别注意的 是：
    ①车我外圆时的要注意仿型加工和切槽，一定要避开后刀背与工件的接触，车床最多考虑的也是 接触到各个面和排屑等的方题，如果能避开其已加工面，或是刀尖能完成其切削路线就是达到了 加工要求了。 ②铣削时多数考虑到的是仿型与加工的精度，还有就是各种特殊的要求，下面将细说，在此先不 表了。 Ⅱ当很多种刀具都能满足加工要求时我们就要从两方面来考虑 ①我们现在的库存，这是首选的，因为这样可以减少我们的库存 ②选取造价比较低的，这样客户能接受我们的价格，胜算相对来说也比较大的。 Ⅲ在配刀时，一定要知：那些是消耗比较大的？那些是一次性定购或是不常定购的？ ①如果客户首先考虑到的是价格，那选择一次性定购的或是比较少定购的，而质量将就的行。就 要选便宜一点的，比较选台湾的刀杆等， ②如果客户首先考虑到的是加工的质量的话，就是选比较好一点的，也就是刀杆这一方面要选取 原装进口的 ③刀片等其他消耗品是我们以后发展的主要来源，所选的品牌一定是我们有优势的，最好是只有 我们才有的，这样别人就没有代替了，就比如山特维克一样，他们所选的刀具多数是只有他们才 有的，别家的产品是很难替代的，但其他的品牌他就能替代。 1． 车刀类 车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具。它可以在车床上加工外圆、端平面、螺纹、内孔， 也可用于切槽和切断等。车刀在结构上可分为整体车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片的车刀。 机械夹固刀片的车刀又可分为机床车刀和可转位车刀。机械夹固车刀的切削性能稳定，工人不必 磨刀，所以在现代生产中应用越来越多。 复杂零件的仿形车削加工 在机械加工中，一些结构复杂的零件，其加工工艺是很复杂的，有时还要求操作者能在最短的时 间内将工件加工出来，尤其是难加工材料的工件，其加工工艺更为复杂。为此，制造厂家不断地 寻求更加经济有效的方法来加工复杂零件，包括车削零件。CNC 机床的先进性已使我们对几乎可 想象到的刀具轨迹进行编程。但是当刀具沿着这些轨迹运动时，其刀具和零件之间的关系(切入角、 进给量、切削速度和深度)持续发生着变化。所以，解决上述问题的关键在于如何以最有效和经济 的方式车削复杂零件。 复杂性的含义 复杂的车削加工可能是刀具在径向和轴向上同时进给的加工以形成不同的零件廓形。除此之外， 其它复杂因素还包括工件材料的可加工性、期望的产量和机床能力，当然也有交货期及加工成本。
    应当注意的是一个车间认为复杂的零件也许被另一个车间认为是常规零件，即零件的复杂性并不 总是很明显的。 Voss 工业公司的 John Campell 先生指出，一个看起来简单的零件或许比一个复杂形状的零件更 具挑战性。他将 718 镍合金法兰的车削加工与螺旋管接头的加工作了一个比较。尽管螺旋管接头 要求 10 次安装和 24 道工序，但一旦安装好开始加工后，这个过程就不再需要调节。另一方面， 718 合金法兰在加工过程中要求连续进行调节以补偿材料回弹、收缩和刀具磨损。另外，不同材 料、同样形状的工件对切削力的反应不同。以法兰为例，在材料规定的范围内，镍和铬元素的变 化可能使一批材料与另一批材料以及零件与零件之间的切削条件发生变化。 选择刀片几何形状 车削一个复杂零件，最基本的要求是切削刃能够进入到零件廓形所在的区域。这要求选择适当的 刀片形状、主偏角、副偏角、前角和后角。当选择刀片形状时，关键是应考虑刀片的强度。其中， 圆刀片的强度最高。对非圆形刀片，刀尖角越大，其强度越高。但是由于隙角的原因，仿形车削 通常使用 35°或 55°的菱形刀片。刀杆的选择实际上由所要求切入的轨迹来决定，如果需要进行 复杂的仿形车削，则可选择安装菱形刀片的 J 型刀杆，这样可形成较大的后角。 刀片的刀尖角和主偏角一起决定着刀具能否进入工件轮廓；工件和刀片主切削刃之间的间隙、副 后刀面及其下半部分的后角至关重要。我们常常靠估计、经验来判定刀具能否进入到工件及其相 关的后角。这种方法很费时。现在 CAD 作图和切削模拟软件在计算机显示屏上进行模拟切削而不 需要在实际零件上进行。 美国绿叶公司的 Dale Hill 说，他们公司直接根据顾客提供的 CAD 图纸进行刀具设计。设计人员 可以看出刀具是否需要铲背或刀具能否进入一个深槽区域。对于一些真正复杂廓形的零件，采用 标准刀具通常是不可行的，因为它们通常不能进入到复杂零件的凹腔和拐角处。而计算机模拟可 以加速专用刀具的设计。 刀片后角 刀片的主前角和副前角将决定后刀面和工件间的后角。不同的材料要求不同的后角。例如当加工 韧性材料，尤其是镍基合金时，其回弹性非常大。这些合金会在切削刃前面鼓起，在切削刃通过 后产生回弹。这些回弹的工件将刮擦后刀面，并产生大量的切削热。另外镍基材料的加工硬化也 会产生切削热，最终导致刀具热失效。失效形式可能是崩刃，但切削刃的热膨胀将导致刀具断裂。 钛金属材料可能回弹 0.05mm 和 0.08mm，因此加工这类材料时要求在后刀面和工件之间有 14°或 15°的后角，以防止热失效。然而钛和塑料有相似的回弹性。当加工钛金属时，后角太小将造成 刀片热失效。这样的刀具在加工塑料时，由回弹产生的切削力和切削热将融化塑料工件。 刀片的后角不能过大，过大的后角将会降低刀片的强度；无后角刀片有足够的强度，但必须安装 在负前角的刀杆上以形成足够的后角。使用一个有正前角槽形的无后角刀片可保证需要的刀片强 度，又可形成正前角的切削。 切削力和切屑控制
    工件、刀具和车削系统中其它因素之间关系的变化将影响有效的切屑控制。例如，在仿形车削加 工中，当刀片从工件中心向外移动时，切屑厚度变薄，切刀深度增加，切屑控制恶化。一个解决 方法就是将一次走刀分为两次走刀，将向外的进给换成向中心的进给，以获得最终的廓形。 薄壁细长零件难以装夹，切削力可能引起工件变形和极差的表面粗糙度甚至使零件报废。一个专 门设计的、可控制切屑的刀片可以减小这种变形。绿叶公司提供一种名为 TurboForm 的精加工硬 质合金刀片，它有很大的正前角和压制的断屑器，所以产生的切削力很低。同时，该刀片的周边 经过精密磨削，故具有很高的光洁度。如一个航空制造商在加工喷气式发动机压缩机的薄壁密封 钛零件时，由于刀具振动使得刀片崩刃和加工表面光洁度降低。在使用 TurboForm 刀片后，消除 了刀片振动和工件变形的现象，延长了刀具的寿命。 如果工件材料的可加工性造成了车削加工的复杂性，则由两种材料构成的零件可能双倍加大这种 复杂性。因此当加工由多种材料构成的零件时，一个办法就是选择可加工不同材料的刀片牌号。 例如当加工内部为 4340 钢、外部为镍基合金的零件时，制造者必须在编程时增加一暂停程序，以 便更换刀片。使用两种不同牌号的刀片进行加工，其刀片寿命仍很低时，则推荐使用日本住友电 工公司的 AC2000 CVD 涂层刀片，通过改变进给量和切削速度来加工上述两种材料，不必停机更换 刀片，显著地提高了刀具寿命。 修磨 一些零件轮廓不能简单地使用现成的刀片进行加工。在使用负前角 J 型刀杆进行切入式切削时， 35°刀片的副后刀面的下半部分可能与工件发生碰撞，引起刀片断裂。防止这种情况的一个方法 就是磨去妨碍切削的这个部分。 汽轮机管路系统制造商 Jeff Carver 先生说，他们经常使用非常锋利的刀具来加工零件，因为经 常没有标准的刀具，因此需要经常修磨刀具。 尽管一些制造厂商喜欢库存的标准刀片，通过修磨来满足特定的加工要求，但这些修磨的刀片也 可直接从刀具生产厂家购买，因为他们已为加工某些特殊零件准备了专用的刀片。当一把修磨的 刀具在一次走刀中不能满足要求时，唯一选择就是停机，使用另一种刀片来完成切削。不足之处 是要花费时间，并且要中断一次走刀，这将在工件上留下刀痕。 机床 CNC 机床制造商不断引进先进技术来简化复杂零件的车削。比较典型的就是 Mazak 公司的多功能 车/铣床。这些机床像一台在工作台一端有车削主轴的加工中心。机床的 B 轴在加工中能沿零件径 向转动 225°，这使刀尖半径始终在与切削相切的方向上，可用一把刀完成多道工序。 总之，金属切削学科的进步必将使复杂零件的车削变得更容易，要想经济有效地加工一些复杂零 件，还是需要工艺因素的配合。 ⑴刀杆、刀片的表示方式与选型 ⑵外圆
    外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）由前面、主后面、副 后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。 可转位刀具选用的一般原则 可转位刀具按工艺类别已有相应 ISO 标准和 GB 国家标准，标准以若干位特定的英文字母代码和阿 拉伯数字组合，表示该刀具的各项特征及尺寸，在选择之前需确定加工工艺类别，即外圆车削、 内孔车削、切槽、铣削、还是其他。以外圆车削为例： 图 1 刀片夹紧的方式 刀片夹紧方式的选择 在国家标准中，一般夹紧方式有上压式(代码为 C)、上压与销孔夹紧(代码 M)、销孔夹紧(代码 P)和螺钉夹紧(代码 S)四种，有的公司还有牢固夹紧(代码为 D)图 1。但这仍 不可能包括可转位车刀所有的夹紧方式。例如代号 P 是用刀片的中心圆柱形销夹紧，而夹紧方式 有杠杆式，偏心式等，而且，各刀具商所提供的产品并不一定包括了所有的夹紧方式，因此选用 时要查阅产品样本。各夹紧方式适用不同形式的刀片，如无孔刀片常用上压式(C 型)，陶瓷、立 方氮化硼等刀片常用此夹紧方式。D 和 M 型夹紧可靠，适用于切削力较大的场合，如加工条件恶 劣、钢的粗加工、铸铁等短屑的加工等。P 型前刀面开放，有利于排屑，一般中、轻切削可选用。 S 型结构简单紧凑，无阻排屑，是沉孔刀片的夹紧方式，可用正前面刀片，适合于轻切削和小孔 加工等。 刀片外形的选择 刀片外形与加工的对象、刀具的主偏角、刀尖角和有效刃数等等有关。一般外圆 车削常用 80°凸三边形(W 型)，四方形(S 型)和 80°棱形( C 型)刀片。仿形加工常用 55°(D 型)、 35°(V 型)棱形和圆形(R 型)刀片。90°主偏角常用三角形(T 型)刀片。不同的刀片形状有不同的 刀尖强度，一般刀尖角越大，刀尖强度越大，反之亦然。圆刀片(R 型)刀尖角最大，35°菱形刀 片(V 型)刀尖角最小(图 2)。在选用时，应根据加工条件恶劣与否，按重、中、轻切削针对性地选 择。在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选用刀尖角较大的刀片，反之，机床刚 性和功率小、小余量、精加工时宜选用较小刀尖角的刀片。 刀片形状与刀尖强度、切削振动示意图 从切削力考虑，刀尖角越大，在车削中对工件的径向分力越大，越易引起切削振动。 从有效刃数来看，同等条件下，圆形刀片最多，棱形刀片最少，最近又现出了一种 80°的四边形 刀片(Q 型)(图 3)，这种刀片比 80°棱形刀片的有效刃数增加了一倍。 刀杆头部形式的选择刀杆头部形式按主偏角和直头、偏头分有 15～18 种，各形式规定了相应的代 码，国家标准和刀具样本中都—一列出，可以根据实际情况选择。有直角台阶的工件，可选大于 或等于叨往偏角的刀杆。一般粗车，可选主偏角 45°～90°的；精车，可选 45°～75°的；中间 切入、仿形，可选 45°～107.5°的；工艺系统刚性好时可选较小值，工艺系统刚性差时，可选 较大值。 刀片后角的选择常用的刀片后角有 N(0°)、C(7°)、P(11°)、E(20°)等，一般粗加工，半精加 工可用 N 型。半精加工、精加工可用 C 型、P 型、也可用带断屑槽形的 N 型刀片。加工铸铁、硬 钢可用 N 型。加工不锈钢可用 C 型、P 型。加工铝合金可用 P 型、E 型等。加工弹性恢复性好的材 料可选用较大一些的后角。 一般镗孔刀片，选用 C 型、P 型，大尺寸孔可选用 N 型。 左右手刀柄的选择有三种选择：R(右手)、L(左手)和 N(左右手)。要注意区分左右刀的方向(图 4)。 选择时要考虑机床刀架是前置式还是后置式、前刀面是向上还是向下、主轴的旋转方向以及需要 的进给方向等，表示了左右手螺纹刀在不同的情况下所得到的不同结果。 刀杆尺寸的选择 刀杆基本尺寸有刀尖高度，刀杆的宽度和长度，在标准尺寸系列中，这些都是相 对应的，选择时应与所使用的机床相匹配，使车刀装在卧式车床刀架上的刀尖位置处于车床主轴 中心线等高位置，若略低一点可以加垫片解决，但对于数控机床，原则上不得加垫片。刀杆的长
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