《數(shù)控加工工藝》教學(xué)參考-教案講義第5章

第5章數(shù)控加工刀具教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)了解刀具的材料特點(diǎn)、分類以及磨損等方面的知識(shí)，要求同學(xué)們掌握刀具角度在實(shí)際生產(chǎn)中對加工精度的影響，學(xué)會(huì)選擇刀片以及刀柄。教學(xué)難點(diǎn)刀具角度在實(shí)際生產(chǎn)中對加工精度的影響。5.1數(shù)控加工特點(diǎn)及刀具要求1.數(shù)控加工的特點(diǎn)

1）工序集中工序集中可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，工序集中的特點(diǎn)：

(1)減少機(jī)床占地面積，節(jié)約廠房。

(2)減少或沒有中間環(huán)節(jié)（如半成品的中間檢測、暫存搬運(yùn)等），既省時(shí)間又省人力。

(3)工序集中有利于刀具的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，但同時(shí)對刀具材料性能提出了更高的要求。２）加工自動(dòng)化

(1)對操作工人的要求降低。

(2)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

(4)加工效率高。３）柔性化高４）加工能力強(qiáng)2.數(shù)控刀具的性能要求

數(shù)控刀具與普通機(jī)床上所用的刀具相比，有許多不同的要求，只有達(dá)到這些要求才能使數(shù)控機(jī)床真正發(fā)揮作用，其主要性能要求如下：

(1)較好的剛性（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及熱變形小；具有很高的切削效率。

(2)良好的互換性，便于快速換刀。如數(shù)控機(jī)床采用人工換刀，則使用快換夾頭，而有刀庫的加工中心，則可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。

(3)有很高的可靠性和耐用度，壽命高，切削性能穩(wěn)定、可靠。

(4)要可以實(shí)現(xiàn)刀具尺寸的預(yù)調(diào)，便于尺寸調(diào)整，以減少換刀調(diào)整時(shí)間，提高加工效率。

(5)刀具應(yīng)能可靠地?cái)嘈蓟蚓硇?，以利于切屑的排除?/p>

(6)刀具應(yīng)系列化，標(biāo)準(zhǔn)化，以利于編程和刀具管理。

(7)應(yīng)有在線監(jiān)控及尺寸補(bǔ)償系統(tǒng)。5.2常用的刀具材料5.2.1高速鋼

高速鋼是一種加入較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金鋼，適合于制造結(jié)構(gòu)和刃型復(fù)雜的刀具，如成形車刀、銑刀、鉆頭、切齒刀、螺紋刀具和拉刀等。1.高速鋼的分類

1）按用途分高速鋼可分為通用高速鋼和高性能高速鋼。

2）按制造工藝分高速鋼可分為熔煉高速鋼、粉末冶金高速鋼和表面涂層高速鋼。

3）按基本化學(xué)成份分高速鋼可分為鎢系高速鋼和鉬系高速鋼。2.常用高速鋼的牌號(hào)與性能

1）通用型高速鋼

2）高性能高速鋼

3）粉末冶金高速鋼5.2.2硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是由高硬度和高熔點(diǎn)的金屬碳化物(碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC、碳化鈮NbC等)和金屬黏結(jié)劑(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工藝制成。（1）鎢鈷類硬質(zhì)合金（WC+Co），代號(hào)為YG，屬K類。合金中含鈷量愈高，韌性愈好，適合于粗加工，反之用于精加工。YG(K)類硬質(zhì)合金，有較好的韌性、磨削性、導(dǎo)熱性，適合于加工產(chǎn)生崩碎切屑及有沖擊載荷的脆性金屬材料。（2）鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金（WC+TiC+Co），代號(hào)為YT，屬P類。它以WC為基體,添加TiC，用Co作黏結(jié)劑燒結(jié)而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐熱性進(jìn)一步提高，但抗彎強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、特別是沖擊韌性明顯下降，適合于精加工。（3）鎢鈦鉭（鈮）類硬質(zhì)合金[WC+TiC+TaC+（NbC）+Co]，代號(hào)為YW，屬M(fèi)類。它在YT(P)類硬質(zhì)合金中加入TaC或NbC，這樣可提高抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、抗氧化能力、耐磨性和高溫硬度等。它既適用于加工脆性材料，又適用于加工塑性材料。5.2.3涂層刀具材料

目前常用的涂層方法是化學(xué)氣相沉積法CVD和物理氣相沉積法PVD，其他方法如等離子噴涂、火焰噴涂、電鍍、溶鹽電解等還存在較大的應(yīng)用局限性。常用的涂層材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金剛石及復(fù)合涂層8大類數(shù)十個(gè)品種。目前，單涂層刀片已很少用，大多采用TiC涂層、TiN涂層、TiC-TiN復(fù)合涂層、TiC-Al2O3復(fù)合涂層等。5.2.4其他刀具材料

1.陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、與金屬親和力小、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于切削加工淬火鋼、合金鋼、各種難切削的鑄鐵、鎳基高溫合等材料等。目前，市場上常見的陶瓷刀具主要有：

1）氧化鋁陶瓷刀具

2）氧化鋁—金屬系陶瓷刀具

3）氧化鋁—碳化物系陶瓷刀具

4）氧化鋁—碳化物金屬系陶瓷刀具

5）氧化鋁—氮化物金屬系陶瓷刀具

6）氮化硼系陶瓷刀具2.金剛石刀具材料可以制成切削刀具的金剛石材料有天然單晶金剛石、人造單晶金剛石、化學(xué)氣相沉積法制成的金剛石厚膜、人造聚晶金剛石復(fù)合片等。3.立方氮化硼5.3刀具切削部分的幾何參數(shù)5.3.1刀具的構(gòu)成

外圓車刀的工作部分比較簡單，只由切削部分構(gòu)成，非工作部分就是車刀的柄部(或刀桿)，如圖5-1所示。圖5-1外圓車刀的結(jié)構(gòu)5.3.2刀具的標(biāo)注角度1.確定刀具標(biāo)注角度參考系

確定刀具標(biāo)注角度參考系時(shí)需做兩個(gè)假定：

1）假定運(yùn)動(dòng)條件給出刀具假定主運(yùn)動(dòng)方向和假定進(jìn)給方向，而不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的大小。

2）假定安裝條件刀具安裝基準(zhǔn)面垂直于主運(yùn)動(dòng)方向，刀桿的中心線與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向垂直，刀具刀尖高與工件中心軸線等高。2.刀具標(biāo)注角度的參考系

1）基面基面Pr通過主切削刃上選定點(diǎn)，垂直于該點(diǎn)切削速度方向的平面。

2）切削平面切削平面Ps通過主切削刃上選定點(diǎn)，與主切削刃相切，且垂直于該點(diǎn)基面的平面。

3）正交平面正交平面Po通過主切削刃上選定點(diǎn)，垂直于基面和切削平面的平面。3.刀具標(biāo)注角度

1）基面中測量的刀具角度（1）主偏角。主偏角kr是指主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的夾角，主偏角一般為正值。（2）副偏角。副偏角k'r是指副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向的夾角，副偏角一般為正值。（3）刀尖角。刀尖角εr是指主、副切削刃在基面上的投影之間的夾角，是派生角度。

εr＝180°-(kr

＋kr′)（5-1）式（5-1）為標(biāo)注角度是否正確的驗(yàn)證公式之一。2）切削平面中測量的刀具角度。刃傾角λs是指主切削刃與基面間的夾角，刃傾角有正負(fù)之分，也可為0。當(dāng)主切削刃呈水平時(shí)，λs＝0；刀尖為主切刃上最高點(diǎn)時(shí)，λs＞0；刀尖為主切刃上最低點(diǎn)時(shí)，λs＜0。3）正交平面中測量的刀具角度（1）前角。前角γo是指在正交平面內(nèi)測量的前刀面與基面間的夾角，根據(jù)前刀面和基面的相對位置不同分別規(guī)定正前角、零度前角和負(fù)前角。（2）后角。后角αo是指在正交平面內(nèi)測量的主后刀面與切削平面的夾角，后角一般為正值。（3）楔角。楔角βo是指前面與后面之間的夾角，它是個(gè)派生角。

βo＝90°－(γo＋αo)（5-2）式（5-2）也是判斷標(biāo)注是否正確的驗(yàn)證式之一。5.3.3刀具角度的選擇1.前角的選擇前角是刀具上重要的幾何參數(shù)之一，它的大小決定切削刃的鋒利程度和強(qiáng)固程度，直接影響切削過程。選擇前角時(shí)首先應(yīng)保證切削刃鋒利，同時(shí)又要兼顧足夠的切削刃強(qiáng)度。在保證加工質(zhì)量的前提下，一般以達(dá)到最高的刀具壽命為目的。2.后角的選擇后角的作用主要是減小后面與過渡表面和已加工表面之間的摩擦，影響楔角的大小，從而可配合前角調(diào)整切削刃的鋒利程度和強(qiáng)度。它影響刀具耐用度和加工表面質(zhì)量，適當(dāng)增大后角可提高刀具耐用度。3.主偏角的選擇主偏角對刀具耐用度影響很大，隨著主偏角減小，刀具耐用度提高。主偏角減小，則刀尖角增大，使刀尖強(qiáng)度提高，散熱體積增大。4.副偏角的選擇副偏角Kr的大小主要影響刀具耐用度和已加工表面質(zhì)量。一般刀具的副偏角，在工藝系統(tǒng)剛性較好，不產(chǎn)生振動(dòng)的情況下，可選取較小的數(shù)值，如取5°～10°。精加工刀具的副偏角應(yīng)取得更小一點(diǎn)，必要時(shí)，可磨出一段副偏角為0°的修光刃，切斷刀和切槽刀由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，只能取很小的副偏角，通常取1°～3°。5.刀尖形狀及尺寸選擇

刀尖是切削刃上工作條件最惡劣、構(gòu)造最薄弱的部位，刀尖處強(qiáng)度差，散熱條件不好，故切削溫度高、易磨損。強(qiáng)化刀尖可顯著提高刀具耐用度。同時(shí)刀尖部分的形狀對已加工表面的粗糙度值也有很大的影響。硬質(zhì)合金和陶瓷車刀刀尖圓弧半徑一般可取0.5～1.5mm，對高速鋼車刀可取1～3mm。

6.刃傾角的選擇

刃傾角可以控制切屑流出方向，刃傾角取正切屑流向待加工表面，刃傾角取負(fù)切屑流向已加工表面，刃傾角取零切屑向下流出，所以在精車時(shí)，希望取正刃傾角，以使切屑流向待加工表面，防止纏繞和劃傷已加工表面。一般情況下刃傾角的選擇如下：（1）加工一般鋼料和灰鑄鐵時(shí)，粗車取0°～5°，精車時(shí)取

0°～+5°；有沖擊負(fù)荷時(shí)取-5°～-15°；當(dāng)沖擊特別大時(shí)，可取-30°～-45°。（2）加工高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、淬硬鋼時(shí)，可取-5°～-15°或負(fù)數(shù)的絕對值更大一些。（3）工藝系統(tǒng)剛性不足時(shí)，盡量不采用負(fù)刃傾角。5.4刀具的磨損和耐用度5.4.1刀具易磨損的部位

切削時(shí)，刀具的前刀面與切屑、后刀面和工件接觸，產(chǎn)生劇烈摩擦，同時(shí)在接觸區(qū)內(nèi)有很高的溫度和壓力，因此，前刀面和后刀面都會(huì)發(fā)生磨損，如圖5-4。圖5-4刀具的磨損形式1.前刀面磨損

切削塑性材料時(shí)，如果切削速度和切削厚度較大，在刀具前刀面上經(jīng)常會(huì)磨出一個(gè)月牙洼，因此，前刀面磨損也稱為月牙洼磨損。2.后刀面磨損

由于加工表面和刀具后刀面間存在著強(qiáng)烈的摩擦，后刀面上毗鄰切削刃的地方很快被磨出后角為零的小棱面，即為后刀面磨損。加工脆性材料或在切削速度較低、切削厚度較小的情況下切削塑性材料時(shí)，刀具磨損主要為后刀面磨損。3.邊界磨損切削鋼料時(shí)，常在主切削刃靠近工件外皮處以及副切削刃靠近刀尖處的后刀面上，磨出較深的溝紋，這就是邊界磨損。加工鑄、鍛等外皮粗糙的工件，也容易發(fā)生邊界磨損。5.4.2刀具磨損的類型1.硬質(zhì)點(diǎn)磨損切削時(shí)，切屑、工件材料中含有的一些碳化物、氮化物和氧化物等硬質(zhì)點(diǎn)以及積屑瘤碎片等，可在刀具表面刻劃出溝紋，這就是硬質(zhì)點(diǎn)磨損。2.粘結(jié)磨損切削時(shí)切屑、工件與前、后刀面之間，存在著很大的壓力和強(qiáng)烈的摩擦，形成新鮮表面接觸而發(fā)生冷焊粘結(jié)。3.擴(kuò)散磨損在切削高溫下，刀具表面與切出的工件、切屑新鮮表面接觸，刀具和工件、切屑雙方的化學(xué)元素互相擴(kuò)散到對方去，改變了原來材料的成分與結(jié)構(gòu)，削弱了刀具材料的性能，加速磨損過程。4.化學(xué)磨損在一定溫度下，刀具材料與某些周圍介質(zhì)起化學(xué)作用，在刀具表面形成一層硬度較低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨損，這稱為化學(xué)磨損。圖5-6切削速度對刀具磨損強(qiáng)度的影響1—硬質(zhì)點(diǎn)磨損；2—黏結(jié)磨損；3—擴(kuò)散磨損；4—化學(xué)磨損5.4.3刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)

1.刀具磨損過程

1）初期磨損階段

2）正常磨損階段

3）急劇磨損階段

圖5-7

典型的刀具磨損曲線2.刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用，這個(gè)磨損限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)有兩種考慮方法：一種是充分利用正常磨損階段的磨損量，來充分利用刀具材料，減少換刀次數(shù)，它適用于粗加工和半精加工；另一種是根據(jù)加工精度和表面質(zhì)量要求確定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)，VB值應(yīng)取較小值，稱為工藝磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。5.4.4刀具耐用度1.刀具耐用度的定義

刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止的切削時(shí)間稱為刀具耐用度，以T表示。2.耐用度對切削加工的影響

（1）在相同切削條件下切削某種工件材料時(shí)，可以用耐用度來比較不同刀具材料的切削性能。（2）同一刀具材料切削各種工件材料，可以用耐用度來比較材料的切削加工性。（3）用耐用度來判斷刀具幾何參數(shù)是否合理。3.影響耐用度的因素對于某一切削加工，當(dāng)工件、刀具材料和刀具幾何形狀選定之后，切削用量是影響刀具耐用度的主要因素。一般，切削速度νc對刀具耐用度的影響最大，進(jìn)給量f次之，背吃刀量ap最小。圖5-8刀具耐用度T與生產(chǎn)率P、加工成本C的關(guān)系4.刀具耐用度的選擇

在實(shí)際生產(chǎn)中，刀具耐用度T同生產(chǎn)效率P和加工成本C之間存在著較復(fù)雜的關(guān)系，如圖5-8所示。刀具耐用度并不是越高越好，如果把刀具耐用度選得過高，則切削用量勢必被限制在很低的水平，雖然此時(shí)刀具的消耗及其費(fèi)用較少，但過低的加工效率也會(huì)使經(jīng)濟(jì)效果變得很差。若刀具耐用度選得過低，雖可采用較高的切削用量使金屬切除量增多，但由于刀具磨損加快而使換刀、刃磨的工時(shí)和費(fèi)用顯著增加，同樣達(dá)不到高效率、低成本的要求。5.4.5刀具的破損

刀具破損和磨損一樣，也是刀具主要失效形式之一。1.刀具的脆性破損刀具的脆性破損是指刀具沒有發(fā)生形變的破損。其表現(xiàn)形式主要有以下幾種。

1）崩刃

2）碎斷

3）剝落

4）裂紋破損2.刀具的塑性破損

切削時(shí)，由于高溫和高壓的作用，有時(shí)在前、后刀面和切屑、工件的接觸層上，刀具表層材料發(fā)生塑性流動(dòng)而喪失切削能力，這就是刀具的塑性破損。3.防止刀具破損的措施

1）合理選擇刀具材料的牌號(hào)。

2）選擇合理的刀具角度。

3）選擇合適的切削用量。

4）盡量采用可轉(zhuǎn)位刀具。

5）要盡可能地保證工藝系統(tǒng)有較好的剛性，以減小切削時(shí)的振動(dòng)。5.5數(shù)控刀具的分類5.5.1常規(guī)數(shù)控刀具的類型1.按刀具結(jié)構(gòu)分

1）整體式整體式是指刀具切削部分與刀柄部分是一個(gè)整體，常見的主要有利用高速鋼材料制造的切斷刀、鉆頭、絲錐、鉸刀、立銑刀等刀具。

2）鑲嵌式鑲嵌式是采用焊接式或機(jī)夾式連接，如圖5-9所示和如5-10所示。機(jī)夾式又可分為不轉(zhuǎn)位和可轉(zhuǎn)位兩種。

3）特殊形式特殊形式的有復(fù)合式刀具、減震式刀具等。圖5-9

焊接式車刀圖5-10

機(jī)夾式車刀2.按刀具材料分

1）高速鋼刀具如圖5-12所示，其刀具材料為高速鋼，通常制成整體式刀具，常用于低速加工。

2）硬質(zhì)合金刀具如圖5-13所示，其刀頭材料為硬質(zhì)合金，通常用于焊接式刀具和機(jī)夾式刀具中，如車刀、銑刀、鏜刀、拉刀等。

3）金剛石刀具刀具材料比較昂貴，主要用于非鐵金屬的精加工。

4）其他材料刀具如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等。圖5-12

高速鋼刀具圖5-13硬質(zhì)合金刀片3.按切削工藝分

1）車削刀具車削刀具有外圓、內(nèi)孔、外螺紋、內(nèi)螺紋，切槽、切端面、切端面環(huán)槽、切斷等，如圖5-14所示。

2）鉆削刀具有鉆頭、鉸刀、絲錐等。

3）鏜削刀具有粗鏜刀精鏜刀等。

4）銑削刀具有鍵槽銑刀、齒輪銑刀、三面刃銑刀、立銑刀、面銑刀、周銑刀等。

5）拉削刀具有矩形花鍵拉刀、漸開線花鍵拉刀、鍵槽拉刀等。

6）齒輪加工刀具有齒輪滾刀、齒輪插刀、齒輪銑刀等。圖5-14

各種常見車刀及刀片5.5.2模塊化刀具系統(tǒng)

發(fā)展模塊化刀具的主要優(yōu)點(diǎn)有：減少換刀停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)加工時(shí)間；加快換刀及安裝時(shí)間，提高小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性；提高刀具的標(biāo)準(zhǔn)化和合理化的程度；提高刀具的管理及柔性加工的水平；擴(kuò)大刀具的利用率，充分發(fā)揮刀具的性能；有效地消除刀具測量工作的中斷現(xiàn)象，可采用線外預(yù)調(diào)。模塊化刀具系統(tǒng)的發(fā)展已形成了3大系統(tǒng)：

1.車削刀具系統(tǒng)

2.鉆削刀具系統(tǒng)

3.銑鏜刀具系統(tǒng)5.5.3可轉(zhuǎn)位刀片及其型號(hào)含義

ISO標(biāo)準(zhǔn)和我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了可轉(zhuǎn)位刀片型號(hào)的含義?？赊D(zhuǎn)位刀片的型號(hào)共用10個(gè)號(hào)位的內(nèi)容來表示主要參數(shù)的特征。按照規(guī)定，任何一個(gè)型號(hào)刀片都必須用前7個(gè)號(hào)位，后3個(gè)號(hào)位在必要時(shí)才使用。但對于車刀刀片，第10號(hào)位屬于標(biāo)準(zhǔn)要求標(biāo)注的部分。不論有無第8、第9兩個(gè)號(hào)位，第10號(hào)位都必須用短橫線“-”與前面號(hào)位隔開，并且其字母不