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1、金属切削原理论文数控刀具及应用 学院:机械工程学院 专业: 机械工程 班级: 冶金6班 姓名: 范忠起 学号:S目 录一、数控刀具的主要种类及特点11.1、数控加工刀具的种类11.1.1根据刀具结构可分为:11.1.2根据制造刀具所用的材料可分为:11.1.3从切削工艺上可分为:21.1.4特殊型刀具:31.2、数控加工刀具的特点31.2.1数控刀具的基本特点:31.2.2与普通机床刀具相比的特点:4二、数控刀具的选择和应用52.1、数控刀具的选择52.1.1、选择刀具时应考虑的因素:52.1.2刀具的选择原则:52.2、数控刀具的应用72.2.1、超硬质材料领域:72.2.2、W、Co类涂层
2、和细颗粒(超细颗粒)硬质合金材料领城:82.2.3、含Co类粉末冶金高速钢材料领城:9数控刀具在数控技术发展的过程中扮演着重要的角色。不同材料不同特点的刀具有着不同的用途,每次数控刀具的跨时代创造都将数控技术的发展向前迈进了一大步。现在的数控技术应用在机械制造业的方方面面,尤其是模具等行业。现在机械行业里数控机床的应用逐渐由传统加工转变为高速加工,数控技术正日趋完善。 数控技术的应用不仅表现在加工方式上,根据刀具的特点和材料来选用适当刀具也是保证加工的精度的重要途径,并以此最大限度的发挥数控技术的优势。刀具的特点及选用,关系着加工的质量与加工的效率,在竞争日益激烈的机械行业里,这点显得尤为重要
3、。一、数控刀具的主要种类及特点1.1、数控加工刀具的种类1.1.1根据刀具结构可分为: 整体式:刀具为一体,由一个坯料制造而成,不分体; 镶嵌式:a、焊接式:采用焊接方法连接,分刀头和刀杆; b、机夹式:又可分为不转位和可转位两种;通常数控刀具采用机夹式;减震式:当刀具的工作臂长与直径之比较大时,为了减少刀具的振动,提高加工精度,多采用此类刀具;内冷式:切削液通过刀体内部由喷孔喷射到刀具的切削刃部;特殊形式:如复合式刀具、可逆攻螺纹刀具等。1.1.2根据制造刀具所用的材料可分为:高速钢刀具:高速钢通常是型坯材料,韧性较硬质合金好,硬度、耐磨性较硬质合金差,不适于切削硬度较高的材料,也不适于进行
4、高速切削。高速钢刀具使用前需生产者自行刃磨,且刃磨方便,适于各种特殊需要的非标准刀具。硬质合金刀具:硬质合金刀片切削性能优异,在数控车削中被广泛使用。硬质合金刀片有标准规格系列产品,具体技术参数和切削性能由刀具生产厂家提供。硬质合金刀片按国际标准分为三大类:P类、M类、K类。 P类适于加工钢、长屑可锻铸铁(相当于我国的YT类) M类适于加工奥氏体不锈钢、铸铁、高锰钢、合金铸铁等(相当于我国的YW类)M-S类适于加工耐热合金和钛合金K类适于加工铸铁、冷硬铸铁、短屑可锻铸铁、非钛合金(相当于我国的YG类)K-N类适于加工铝、非铁合金K-H类适于加工淬硬材料金刚石刀具;其他材料刀具,如立方氮化硼刀具
5、,陶瓷刀具等。1.1.3从切削工艺上可分为:切削刀具:分外圆、内孔、外螺纹、内螺纹、切断、切端面、切端面环槽、切槽刀具等多种。 数控车床一般使用标准的机夹可转位刀具。机夹可转位刀具的刀片和刀体都有标准,刀片材料采用硬质合金、涂层硬质合金以及高速钢。 数控车床机夹可转位刀具类型有外圆刀具、外螺纹刀具、内圆刀具、内螺纹刀具、切断刀具、孔加工刀具(包括中心孔钻头、镗刀、丝锥等)。 机夹可转位刀具夹固不重磨刀片时通常采用螺钉、螺钉压板、杠销或楔块等结构。常规车削刀具为长条形方刀体或圆柱刀杆。 方形刀体一般用槽形刀架螺钉紧固方式固定。圆柱刀杆是用套筒螺钉紧固方式固定。它们与机床刀盘之间的联接是通过槽形刀
6、架和套筒接杆来联接的。在模块化车削工具系统中,刀盘的联接以齿条式柄体联接为多,而刀头与刀体的联接是“插入快换式系统”。它既可以用于外圆车削又可用于内孔镗削,也适用于车削中心的自动换刀系统。 数控车床使用的刀具从切削方式上分为三类:圆表面切削刀具、端面切削刀具和中心孔类刀具。 钻削刀具,包括钻头、铰刀、丝锥等;分小孔、短孔、深孔、攻螺纹、铰孔等。 钻削刀具可用于数控车床、车削中心,又可用于数控镗铣床和加工中心。因此它的结构和联接形式有多种。有直柄、直柄螺钉紧定、锥柄、螺纹联接、模块式联接(圆锥或圆柱联接)等多种。 镗削刀具,有粗镗刀、精镗刀等; 镗刀从结构上可分为镗刀柄、模块式镗刀柄和镗头类。从
7、加工工艺要求上可分为粗镗刀和精镗刀。 铣削刀具,包括面铣刀、立铣刀、螺纹铣刀、三面刃铣刀具等。1面铣刀(也叫端铣刀) 面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃,端部切 削刃为副切削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构和刀片机夹可转位结构,刀齿 材料为高速钢或硬质合金,刀体为40Cr。2立铣刀 立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃,它们可以同时进行切削,也可单独进行切削,结构有整体式和机夹式等,高速钢和硬质合金是铣刀工作部分的常用材料。3模具铣刀 模具铣刀由立铣刀发展而成,可分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种,其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄。它的结
8、构特点是球头或端面上布满切削刃,圆周刃与球头刃圆弧连接,可以作径向和轴向进给。铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造。4键槽铣刀5鼓形铣刀6成形铣刀1.1.4特殊型刀具: 特殊型刀具有带柄自紧夹头、强力弹簧夹头刀柄、可逆式(自动反向)攻螺纹夹头刀柄、增速夹头刀柄、复合刀具和接杆类等。1.2、数控加工刀具的特点1.2.1数控刀具的基本特点:切削刀具由传统的机械工具实现了向高科技产品的飞跃,刀具的切削性能有显著的高。 切削技术由传统的切削工艺向创新制造工艺的飞跃,大大提高了切削加工的效率。 刀具工业由脱离使用、脱离用户的低级阶段向面向用户、面向使用的高级阶段的飞跃,成为用户可利用的专业化的社会资源和合
9、作伙伴。 切削刀具从低值易耗品过渡到全面进入“三高一专(高效率、高精度、高可靠性和专用化)”的数控刀具时代,实现了向高科技产品的飞跃; 成为现代数控加工技术的关键技术; 与现代科学的发展紧密相连,是应用材料科学、制造科学、信息科学等领域的高科技成果的结晶。1.2.2与普通机床刀具相比的特点:为了达到高效、多能、快换、经济的目的,数控加工刀具与普通金属切削刀具相比应具有以下特点: 刀片及刀柄高度的通用化、规格化、系列化,互换性好便于调整,便于快速换刀,减少换刀时间。(刀具应能快速或自动更新,并需有控制和调节尺寸的功能或具有磨损的自动补偿装置,以减少换刀调整的停机时间。)寿命高,切削性能稳定、可靠
10、刀片或道具的耐用度及经济寿命指标的合理性。(目前生产上通常用刀具耐用度来评定刀具的好坏。刀具耐用度愈大,表示刀具切削性能愈好。但是切削一批相同的零件,由于使用的刀具材料及工件材质不可能完全相同,再加上刃磨质量等一些不能完全严格控制的因素,所以即使在相同条件下,刀具耐用度仍随机变动。因此在数控上,除应给出刀具耐用度的平均指标外,还应给出刀具的可靠指标Tp。它已成为选择刀具的关键性指标。通常是规定可靠度P0.9,即9%时刀具切削时间为T0.9。研究表明,当耐用度的随机变量接近于正态分布时,如以耐用度的平均直T作为标准,刀具的可靠性只有50%。)刀具或刀片几何参数与被加工材料之间应相匹配。刀片或刀具
11、材料及切削参数的规范化、典型化。刀具应具有较高的精度,包括刀具的形状精度、刀片及刀柄对机床主轴的相对位置精度、刀片及刀柄的转位及拆装的重复精度。可靠地断屑、排屑。(刀具必须能可靠地断屑或卷屑即切削控制。数控机床上每一工位设备上,装置着许多刀具,切削量大切削多,因此,在切削苏星金属时必须控制切屑不缠绕在刀具、工件及工艺装备上,控制切屑不飞溅,保证操作者安全,不影响切削液喷注,不影响零件的定位和输送,不划伤已加工表面,使切屑易于清理,为此,采用卷屑槽或断屑块的刀具,或用间隙切削或振动切削措施提高断屑效果。) 刀柄或工具系统的装机重量有限度。 刀片及刀柄切入的位置和方法有要求。 刀片、刀柄的定位基准
12、及自动换刀系统要优化。 刀具的抗振及热变形小。二、数控刀具的选择和应用 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,现在,许多CAD/CAM软件包都提供自动编程功能,这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题,比如,刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等,编程人员只要设置了有关的参数,就可以自动生成NC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,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。2.1、数控刀具的选择 刀具的选择是在数控编程的人机交互状态
13、下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是:安装调整方便,刚性好,耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下,尽量选择较短的刀柄,以提高刀具加工的刚性。2.1.1、选择刀具时应考虑的因素:被加工工件的材料类别;工件毛坯的成形方法(铸造、锻造、型材等);切削加工工艺方法(车、铣、钻、扩、铰、镗,粗加工、半精加工、精加工等);工件的结构和几何形状,精度,加工余量以及刀具能承受的切削用量等因素; 其他因数包括生产条件和生产类型。2.1.2刀具的选择原则:尽可能选择大的刀杆横截面尺寸,较短的长度尺寸提高刀具的强度和刚度,减小刀具
14、振动。 选择较大主偏角(大于75,接近90);粗加工时选用负刃倾角刀具,精加工时选用正刃倾角刀具; 精加工时选用无涂层刀片及小的刀尖圆弧半径; 尽可能选择标准化、系统化刀具;选择正确的、快速装夹的刀杆刀柄。选取刀具时,要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中,平面零件周边轮廓的加工,常采用立铣刀;铣削平面时,应选硬质合金刀片铣刀;加工凸台、凹槽时,选高速钢立铣刀;加工毛坯表面或粗加工孔时,可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀;对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工,常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。 在进行自由曲面加工时,由于球头刀具的端部切削速度为零,因此,为保证加工精度,切削
15、行距一般取得很能密,故球头常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀,因此,只要在保证不过切的前提下,无论是曲面的粗加工还是精加工,都应优先选择平头刀。另外,刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大,必须引起注意的是,在大多数情况下,选择好的刀具虽然增加了刀具成本,但由此带来的加工质量和加工效率的提高,则可以使整个加工成本大大降低。 在加工中心上,各种刀具分别装在刀库上,按程序规定随时进行选刀和换刀动作。因此必须采用标准刀柄,以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具,迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围,以便在
16、编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。目前我国的加工中心采用TSG工具系统,其刀柄有直柄(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。 在经济型数控加工中,由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行,占用辅助时间较长,因此,必须合理安排刀具的排列顺序。一般应遵循以下原则:尽量减少刀具数量;一把刀具装夹后,应完成其所能进行的所有加工部位;粗精加工的刀具应分开使用,即使是相同尺寸规格的刀具;先铣后钻;先进行曲面精加工,后进行二维轮廓精加工;在可能的情况下,应尽可能利用数控机床的自动换刀功能,以提高生产效率等。2.2、数控刀具的应用不同的材料也从某种程度上决定了数控刀具的应用领域。近年来
17、,数控刀具材料基础科研和新产品的成果集中应用在高速(超高速)、硬质(含耐热、难加工)、干式、精细(超精)数控机加工技术领域。刀具材料新产品的研发在超硬质材料(金刚石、表面改性涂层材料、TiC基类金属陶瓷、立方氮化硼、Al2O3、Si3N4基类陶瓷),W、Co类涂层和细颗粒(超细颗粒)硬质合金基体及含Co类粉末冶金高速钢等领域进展速度较快。2.2.1、超硬质材料领域:金刚石(钎焊聚晶、单晶)各类刀具已迅速应用于高硬度、高强度、难加工有色金(合金)及有色金属-非金属复合材料零部件的高速、高效、干(湿)式机械切削加工行业中。其概况分述如下:汽车、摩托车行业:聚晶、人造单晶金刚石面铣刀、车刀、铰刀、复
18、合(组合)孔加工等数控刀具等正大量应用于高强度、高硬度SiAl合金零部件自动生产线上;竹木地板、傢具行业:聚晶、CVD厚膜沉积金刚石(复合片)立铣刀、三面刃成形铣刀、面铣刀等类刀具正大量应用于高硬度复合竹木地板、傢具及门窗等零部件自动生产线上;航空、航天、汽车及电子信息技术行业:金刚石CVD薄膜涂层数控刀具(以整体WCo类硬质合金刀具为主)多应用于铣削、车削、钻削、铰削及鍯削加工高强度铝合金(铸、锻)、纤维-金属层板、碳纤维热塑性复合材料、镁合金、石墨、陶瓷等零部件,满足高速、高寿命、干式机加工技术要求。精细(超精)加工技术领域:单晶天然、人造金刚石刀具应用于各种精密仪器透镜、反射镜、计算机磁
19、盘、复印机(录像机)磁鼓等工件的精细(超精、纳米级)车削加工;单晶金刚石刀具还被应用于眼科角膜手术精细切割和印刷制版精细雕刻等行业。表面改性涂层材料主要有:TiN、TiCN、TiALN、ALTiN、Al2O3、CrN、ZrC、MoS2、WS2等,采用计算机控制PVD、PCVD、CVD涂层工艺技术,将上述涂层材料用于对立铣刀、铰刀、钻头、复合(组合)孔加工刀具、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、成形拉(推)刀及各种机夹可转位刀片的表面改性涂层处理(基体为高速钢、WCo类硬质合金、Ti基类金属陶瓷),满足高速、高寿命切削加工高强度、高硬度铸铁(钢)、锻钢、不锈钢、钛合金、镍合金、镁合金、铝合金、粉末冶金、
20、竹木等材质工件的生产技术不同要求。刀具表面改性涂层工艺技术对于大幅度提高数控刀具的切削性能,具有成本低、见效快的特点,该工艺技术可根据各种切削加工技术要求,机动灵活地变换涂层材料,工艺技术较优。各厂商正在不断提高涂层工艺技术、改进涂层材料及开发纳米级多功能涂层材料,旨在不断提高涂层结合牢度、耐磨性、抗冲击韧性等,尽力扩大应用范围。Ti基类金属陶瓷(TiCN系)各种机夹可转位车刀、镗刀、铰刀、铣刀、复合(组合)孔加工数控刀具及整体式立(球头)铣刀、铰刀等数控刀具正在应用于高强度、高硬度铸铁(钢)合金、锻钢合金、淬火钢合金、耐热合金、粉末冶金零部件自动生产线上,以满足高速、高效、硬质、干(湿)式精
21、细机加工技术要求。各厂商正采用添加不同的微量元素及烧结工艺技术,研发新型金属陶瓷材料产品,旨在不断提高其抗弯强度、抗冲击韧性、耐磨性。日本的金属陶瓷刀具已经占硬质合金刀具总量的30%40%。世界上,该类刀具应用面也呈迅速扩大的趋势。立方氮化硼聚晶复合片铣刀(面铣刀、玉米齿立铣刀、球头立铣刀)、镗刀、车刀、铰刀、复合(组合)孔加工等数控刀具(钎焊、机夹可转位两种结构形式)大量应用于高强度、高硬度铸铁(钢)合金、锻钢合金、淬火钢合金、粉末冶金等零部件自动生产线上,满足高速、高效、硬质、精细机加工技术要求。Al2O3、Si3N4基类陶瓷(晶须增韧类)各种机夹可转位车刀、铣刀等数控刀具应用于高强度、高
22、硬度、耐磨铸铁(钢)、锻钢、高锰钢、淬火钢、粉末冶金、工程塑料、耐磨复合材料等零部件生产线上,满足高速、高效、硬质、干式机加工技术要求。目前,各厂商通过对Al2O3、Si3N4基类陶瓷材料添加不同微量元素及创新生产工艺技术,研发新型中、细颗粒陶瓷材料和功能梯度(多相)陶瓷材料产品,旨在不断提高其抗弯强度、抗冲击韧性。2.2.2、W、Co类涂层和细颗粒(超细颗粒)硬质合金材料领城:W、Co类细(中)颗粒硬质合金基体材料为适应各种表面改性涂层材料的涂覆工艺技术要求添加各种微量元素,满足于各种机加工工艺技术对可转位刀片切削性能的要求而发展的;超细颗粒硬质合金基体材料研发和应用分两个方面:在电子、信息
23、技术产业用于加工纤维-金属复合层板材料工件的微型钻头、立铣刀,其基体材料向着高韧性方向发展,表面涂覆金刚石薄膜,以增加刀具表面硬度和耐磨性;模具行业、飞机、汽轮机、汽车等制造行业,用于切削加工高强度、高硬度铸铁(钢)、锻钢、铝合金(铸、锻)、粉末冶金材料工件的整体式立(球头)铣刀、专用挤压刀具、铰刀(30mm直径4mm)、钻头、复合(组合)孔加工刀具等数控刀具,其基体材料向着高硬度、高韧性方向发展。一般不涂层,多次重磨使用。2.2.3、含Co类粉末冶金高速钢材料领城:以改进制粉、热压工艺、添加微量元素创新的粉末冶金高速钢(含Co类)材料,制成各种成形拉刀(整体式、组合式)、高速滚刀、剃(插)齿刀、丝锥、波纹刃立铣刀、成形立铣刀及滚(挤、碾压)压刀具,大量应用于轿车、摩托车、航空发动机、汽轮机等制造行业,加工高强度、高硬度铸铁(钢)合金、合金结构钢(锻)、耐热合金钢、不锈钢、整体铝合金(热锻)、高Si-Al合金材料工件。根据切削加工技术不同的要求,其表面分别配涂TiN、TiCN、TiALN、CrN、MoS2、ZrC等涂层材料,满足高速、高效、硬质精密机加工技术要求。数控刀具的正确选择和合理应用对于数控加工来说是很重要的,选择合适加工对象的刀具能更好的提高加工质量,提高加工精度,提高加工效率。
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