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1、 数控刀具 第一节 数控刀具的种类及特点 一 数控刀具的种类 1 数控刀具从结构上可分为 1 整体式 由整块材料磨制而成 使用时可根据不同用途将切 削部分修磨成所需要的形状 如图3 1所示各种整体式 数控铣刀 图1 3 1 整体式数控铣刀 2 镶嵌式 它分为焊接式和机夹式 机夹式又根据刀体结构的 不同 可分为不转位和可转位两种 如图1 3 2所示镶嵌 式可转位数控车刀 图1 3 3所示镶嵌式数控端铣刀 图1 3 4所示镶嵌式数控玉米铣刀 3 减震式 当刀具的工作臂长度与直径比大于4时 为了减少刀 具震动 提高加工精度 所采用的一种特殊结构的刀具 主要用于孔加工 如图1 3 5所示减震式数控内孔
2、车 刀 图1 3 2 镶嵌式可转位数控车刀 图1 3 3 镶嵌式数控端铣刀 图1 3 4 镶嵌式数控玉米铣刀 4 内冷式 刀具的切削冷却液通过机床主轴或刀盘传递到刀 体内部由喷孔喷射到切削刃部位 图1 3 6所示为内冷 式钻头 5 特殊型式 包括强力夹紧 可逆攻丝 复合刀具等 如图1 3 7所示一种特殊型式刀具 目前数控刀具主要采用机夹可转位刀具 图1 3 6 内冷式钻头 图1 3 7 特殊型式刀具 2 数控刀具从制造所采用的材料上可分为 1 高速钢刀具 2 硬质合金刀具 3 陶瓷刀具 4 立方氮化硼刀具 5 聚晶金刚石刀具 目前数控机床用得最普遍的是硬质合金刀 具 3 数控刀具从切削工艺上可
3、分为 1 车削刀具 有外圆车刀 端面车刀 螺纹车刀和内孔车刀等 2 钻削刀具 有普通麻花钻 可转位浅孔钻 扩孔钻等 3 镗削刀具 有单刃镗刀 双刃镗刀 多刃组合镗刀等 4 铣削刀具 分面铣刀 立铣刀 键槽铣刀 模具铣刀 成形铣刀 等刀具 图1 3 8 数控车刀 a 直柄麻花钻 图1 3 9 钻削刀具 b 锥柄麻花钻 图1 3 9 钻削刀具 c 可转位浅孔钻 图1 3 9 钻削刀具 d 整体式扩孔钻 图1 3 9 钻削刀具 e 可转位扩孔钻 图1 3 9 钻削刀具 f 套式扩孔钻 图1 3 9 钻削刀具 图1 3 10 镗削刀具 a 单刃镗刀 图1 3 10 镗削刀具 b 双刃镗刀 图1 3 1
4、1 铣削刀具 4 根据数控机床工具系统的发展 可分为整体式工具 系统和模块化式工具系统 发展模块化工具的主要优 点是 1 减少换刀时间和刀具的安装次数 缩短生产周期 提高生产效率 2 促使工具向标准化和系列化发展 3 便于提高工具的生产管理及柔性加工的水平 4 扩大工具的利用率 充分发挥工具的性能 减少 用户工具的储备量 二 数控刀具的特点 1 刀具有很高的切削效率 2 数控刀具有高的精度和重复定位精度 3 要求刀具有很高的可靠性和耐用度 4 实现刀具尺寸的预调和快速换刀 5 具有一个比较完善工具系统及刀具管理系统 6 应有刀具在线监控及尺寸补偿系统 第二节 数控刀具材料 一 切削用刀具材料应
5、具备的性能 二 各种刀具材料 现今所采用的刀具材料 大体上可分为五大类 1 高速钢 High Speed Steel 2 硬质合金 Cemented Carbide 3 陶瓷 Ceramics 4 立方氮化硼 Cubic Boron Nitride CBN 5 聚晶金刚石 Polymerize Crystal Diamond PCD 1 高速钢 自1906年Taylor和White发明高速钢以来 通过许 多改进至今仍被大量使用 大体上可分为W系和Mo系 两大类 其主要特征有 合金元素含量多且结晶颗粒 比其它工具钢细 淬火温度极高 1200 而淬透性 极好 可使刀具整体的硬度一致 目前国内外应用
6、比较普遍的高速钢刀具材料是以 WMo WMoAl WMoCo为主 其中WMoAl是我国 所特有的品种 2 硬质合金 硬质合金是将钨钴类 WC 钨钛钴类 WC TiC 钨钛钽 铌 钴类 WC TiC TaC 等硬质碳化物以Co为结合剂烧结而成的 物质 按ISO标准主要以硬质合金的硬度 抗弯强 度等指标为依据 硬质合金刀片材料大致分为K P M三大类 1 K类 国家标准YG类 成份为WC Co 适于加工 短切屑的黑色金属 有色金属及非金属材料 主要成分为碳化钨和3 10 钴 有时还含有少 量的碳化钽等添加剂 2 P类 国家标准YT类 成份为WC TiC 适于加工 长切屑的黑色金属 主要成分为碳化钛
7、 碳化 钨和钴 或镍 有时加入碳化钽等添加剂 3 M类 国家标准YW类 成份为WC TiC TaC 适于加工长切屑或短切屑的黑色金属和有 色金属 一般用来加工耐热合金 高锰钢 不锈钢 高级合金钢等难加工材料的精加工 也可用于一般钢材 普通铸铁和有色金属 的精加工和半精加工 涂层硬质合金刀片是在韧性较好的工具表面涂上一 层耐磨损 耐溶着 耐反应的物质 使刀具在切削中 同时具有既硬而又不易破损的性能 涂层的方法分为两大类 一类为物理涂层 PVD 另一类为化学涂层 CVD 物理涂层是在550 以下将金属和气体离子化后喷涂在工具表面 化学涂 层则是将各种化合物通过化学反应沉积在工具上形成 表面膜 反应
8、温度在1000 1100 左右 最近低温化 学涂层也已实用化 温度一般控制在800 左右 常见的涂层材料有TiC TiN TiCN Al2O3 TiAlOx等陶瓷材料 由于这些陶瓷材料都具有耐磨损 硬度高 耐化学反应 化学稳定性好 等性能 所以就硬质合金的分类来看 既具备K类的功能 也 能满足P类和M类的加工要求 也就是说 尽管涂层硬 质合金刀具基体是K P M中的某一种类 而涂层之 后其所能覆盖的种类就相当广了 既可以属于K类 也可以属于P类和M类 应该根据实际加工对象 条件 以及各种涂层刀具的性能进行选取 从使用的角度来看 希望涂层的厚度越厚 越好 但涂层厚度一旦过厚 则易引起剥离 而使涂
9、层工具丧失本来的功效 一般情况下 用于连续高速切削的涂层厚度为5 15 m 多为CVD法制造 在冲击较强的切削中 特别要求涂膜有较高的附着强度以及涂层对 工具的韧性不产生太大的影响 涂层的厚度 大多控制在2 3 m左右 且多为PVD涂 层 涂层刀具的使用范围相当广 从非金属 铝合金到铸铁 钢 以及高强度钢 高硬度钢和耐热合金 钛合金等难加工材料的 切削中均可使用 且普遍较硬质合金的性能要好 表3 5中列 出了CN CA YB系列涂层硬质合金刀片牌号及适用范围 目前 最先进的涂层技术也称 ZX技术 是利用纳米技术和薄 膜涂层技术 使每层膜厚为1nm的TiN 和AlN超薄膜交互重叠 约2000层进
10、行蒸着累计而成 在世界上首次实现将其实用化 这是继TiC TiN TiCN后的第四代涂层 它特点是远比以 往的涂层硬 接近CBN的硬度 寿命是一般涂层的3倍 大幅 度提高耐磨损性 产品应用更加广泛 是有发展前途的刀具材 料 3 陶瓷 以陶瓷作为切削工具从20世纪30年代就开始被研 究 陶瓷刀具基本上由两大类组成 一类为纯氧化铝 类 白色陶瓷 另一类为TiC添加类 黑色陶瓷 另外还有在Al2O3中添加 SiCw 晶须 ZrO2 青色陶瓷 来增加韧性的 以及以Si3N4为主体的 陶瓷刀具 一般来说 陶瓷刀具相对硬质合金和高速 钢来说仍是极脆的材料 因此 多用于高速连续切削 例如铸铁的高速加工 金属
11、陶瓷就是为解决陶瓷刀具的脆性大而出现的 其 成份以TiC 陶瓷 为基体 Ni Mo 金属 为结合剂 故取名为金属陶瓷 金属陶瓷刀具最大优点是与被加工材料的亲和性极低 故不易产生粘刃和积屑瘤现象 使加工表面非常光洁 平整 在一般刀具材料中可谓精加工用的佼佼者 但由 于韧性差大大限制了它的使用范围 今天通过添加WC TaC TiN TaN等异种碳化物 使其抗弯强度达到 了硬质合金的水平 因而得到广泛的运用 4 立方氮化硼 CBN 立方氮化硼是靠超高压 高温技术人工合成的新型刀具材料 其结构与金刚石相似 此工具由美国GE公司研制开发 它的 硬度略逊于金刚石 但热稳定性远高于金刚石 并且与铁族元 素亲
12、合力小 不易产生 积屑瘤 CBN粒子硬度高达4500 HV 热传导率高 在大气中加热至 1300 仍保持性能稳定 且与铁的反应性很低 是迄今为止能 够加工铁系金属最硬的一种刀具材料 它的出现使无法进行正 常切削加工的淬火钢 耐热钢的高速切削变成可能 硬度 60 65 HRC 70HRC的淬硬钢等高硬度材料均可采用CBN刀 具来进行切削 切削加工普通灰铸铁时 一般来说线速度 300m min以下采用涂层硬度合金 300 500m min以内采用陶瓷 500m min以上用CBN刀具材料 而且最近的研究 表明 用 CBN切削普通灰铸铁 当速度超 过800m min时 刀具寿命随着切削速度 的增加反
13、而更长 5 聚晶金刚石 PCD 1975年美国 GE公司开发了用人造金刚石颗粒通过添加Co 硬质合金 NiCr Si SiC以及陶瓷结合剂在高温 1200 以上 高压下烧结成形的 PCD刀具 使其得到了广泛的使用 金刚石刀具与铁系金属有极强的亲和力 切削中刀具中的碳元素极易发生 扩散而导致磨损 但与其它材料的亲和力很低 切削中不易产生粘刀现象 切削刃口可以磨得非常锋利 所以它只适用于高效地加工有色金属和非金属 材料 能得到高精度 高光亮的加工面 特别是 PCD刀具消除了金刚石的 性能异向性 使其在高精加工领域中得到了普及 金刚石在大气中温度超过 600 时将被碳化而失去其本来面目 故金刚石刀具
14、不宜用于可能会产生高 温的切削中 图1 3 12 刀具材料的硬度与韧性的关系 第三节 数控刀具的失效形式及可靠性 一 数控刀具的失效形式及对策 在切削过程中 刀具磨损到一定限度 刀刃崩刃或 破损 刀刃卷刃 塑变 时 刀具丧失其切削能力或 无法保障加工质量 则称之为刀具失效 1 后刀面磨损 由机械应力引起的出现在后刀面上的磨擦磨损 应 该选择耐磨性高的刀具材料 同时降低切削速度 提 高进给量 增大刀具后角 这样才能避免或减少后刀 面磨损现象的发生 图1 3 13 后刀面磨损 2 边界磨损 主切削刃上的边界磨损常见于与工件的接触面 处 主要原因是工件表面硬化 锯齿状切屑造成的 摩擦 影响切屑的流向
15、并导致崩刀 只有降低切削 速度和进给速度 同时选择耐磨刀具材料并增大前 角使切削刃锋利 3 前刀面磨损 月牙洼磨损 在前刀面上由摩擦和扩散导致的磨损 前刀面磨损主要由切屑和工件材料的接触以及 对发热区域的扩散引起 另外刀具材料过软 加 工过程中切削速度太高 进给量太大 也是前刀 面磨损产生的原因 前刀面磨损会使刀具产生变 形 干扰排屑 降低切削刃强度 主要采用降低 切削速度和进给速度 同时选择涂层硬质合金材 料 可以减少前刀面的磨损 4 塑性变形 切削刃在高温或高应力作用下 产生的变形 切削速度 进给速 度太高以及工件材料中的硬质点 的作用 刀具材料太软和切削刃 温度很高等现象是产生塑性变形
16、的主要原因 可以采取降低切削 速度和进给速度 选择耐磨性高 和导热系数高的刀具材料等对策 来减少塑性变形磨损的产生 图1 3 14 塑性变形 5 积屑瘤 工件材料在刀具上的粘附 如图1 3 15 积屑瘤降低 加工表面质量并会改变切削 刃形状最终导致崩刃 采取 的对策有提高切削速度 选 择涂层硬质合金或金属陶瓷 等与工件材料亲和力小的刀 具材料 并使用冷却液 图1 3 15 积屑瘤 6 刃口剥落 切削刃上出现一些很小的 缺口 而非均匀的磨损 如图1 3 16 主要由于断 续切削 切屑排除不流畅 造成 应该在开始加工时 降低进给速度 选择韧性 好的刀具材料和切削刃强 度高的刀片 就可以避免 刃口剥落现象的产生 图1 3 16 刃口剥落 7 崩刀 刀尖 刀刃整快崩掉 崩刀将损坏刀具和工 件 主要原因是刃口的过度磨损和较高的应力 也可能由于刀具材料过硬 切削刃强度不够 及进给量太大造成 应选择韧性好的合金材料 加工时减小进给量和切削深度 另外选用高 强度或刀尖圆角较大的刀片 8 热裂纹 由于断续切削时温度变化产生的垂 直于切削刃的裂纹 热裂纹可降低工 件表面质量并导致刃口剥落 应选择 韧性好的
