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1、金属切削刀具概论结业论文论文题目：数控铣刀的发展与应用学院名称：机械工程学院所学专业：机械设计制造及其自动化班级学号：1201015235学生姓名：张建伟数控铣刀的发展与应用摘要：本文是对铣刀的含义和应用所进行的总结和个人观点，对各种各样的铣刀进行性能划分，简单的介绍了各种铣刀在加工中的应用。从铣刀的发展历程可以看到，铣刀的分类越来 越多，应用条件也很复杂，所以我在文中对它们进行了归类和划分。关键词：铣刀、材料、分类、应用、八 、前言近年来，随着数控机床的不断发 展，数控机床刀具种类越来越多，其 划分也越来越细，但无论样式如何改 变，从总体上看，数控加工刀具必须 适应数控机床高速、高效和自动化
2、程 度高的特点，要一刀多用，适应性强， 能够面对繁多的加工要求。而数控刀 具中又以数控铣刀应用最为广泛。数 控行业的空前发展，使数控铣刀样式 繁多，对其进行合理划分和对其应用 条件和场合的分析是很有实际意义的 一铣刀的定义和发展 1.铣刀的含义铣刀是用于铣削加工的、具有一 个或多个刀齿的旋转刀具。工作时各 刀齿依次间歇地切去工件的余量。铣 刀主要用于在铣床上加工平面、台阶 沟槽、成形表面和切断工件等。 2.铣刀的发展在 1783 年，法国的勒内首先制出 铣刀。1792 年，英国的莫兹利制出丝 锥和板牙。那时的刀具是用整体高碳 工具钢制造的，许用的切削速度约为 5 米/分。1868 年，英国的穆
3、舍特制成含 钨的合金工具钢。1898 年，美国的泰 勒和怀特将Wc为1%的高碳钨铬在接 近溶化开始的高温条件下淬火，然后 进行回火，成功地得到了较高的高温 硬度。这种高碳钨铬钢掀起了一场钢 的热处理革命，是切削工具钢的代表。 1923 年，德国的施勒特尔发明硬质合 金。在采用合金工具钢时，刀具的切 削速度提高到约 8米/分，采用高速钢 时，又提高两倍以上，到采用硬质合 金时，又比用高速钢提高两倍以上， 切削加工出的工件表面质量和尺寸精 度也大大提高。由于高速钢和硬质合 金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和 机械夹固式结构。19491950年间， 美国开始在车刀上采用可转位刀片， 不久即应用在铣刀和
4、其他刀具上。1938 年，德国德古萨公司取得关于陶 瓷刀具的专利。 1972 年，美国通用电 气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶 立方氮化硼刀片。这些非金属刀具材 料可使刀具以更高的速度切削。 1969 年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气 相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金 刀片的专利。1972 年，美国的邦沙和 拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬 质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛 或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基 体材料的高强度和韧性，与表层的高 硬度和耐磨性结合起来，从而使这种 复合材料具有更好的切削性能。现代刀具随着科技的高速发展， 以硬质合金材料为主的各种刀具材料 性能全面提高。硬质合金的性能
5、不断 改进，应用面扩大，成为切削加工主 要的刀具材料，对推动切削效率的提 高起到了重要作用。首先是细颗粒、 超细颗粒硬质合金材料的开发，显著 地提高了硬质合金材料的强度和韧性 用它制造的整体硬质合金刀具，用来 代替传统的高速钢刀具，使切削速度 和加工效率提高了数倍，把量大面广 的通用刀具带入了高速切削的范围， 为切削加工全面进入高速切削阶段打 下了半壁江山。不仅如此，整体硬质 合金还在一些复杂成形刀具中得到应 用。陶瓷和金属陶瓷刀具材料品种增 多，强度和韧性提高，扩大了应用领 域和加工范围，在钢材、铸铁的精加 工、半精加工中代替硬质合金，提高 了加工效率和产品质量。目前，这类 刀具材料不仅可用
6、在单件、小批生产， 而且已用于流水线的批量生产中，并 且因为价格较低，可作为干切削、硬 切削的首选刀具。 PCD、CBN 超硬刀 具材料韧性和制造工艺的改进，使应 用领域不断扩大。并从精加工领域扩 大到半精加工领域，使切削加工的效 率大幅提高。目前由于用 PCD 制造的 各种高性能刀具的广泛应用，切削效 率显著提高，最高的切削速度已达 7000 米/分。产品已从原来车刀、面铣 刀扩大到立铣刀、钻头、铰刀、成形 刀具等。PCD还是加工石墨、合成材料 等非金属材料唯一的高效刀具。可以 预见，随着 CBN、 PCD 刀具的推广，刀 具品种将进一步增多，应用领域进一 步扩大，在切削加工朝着高速、高效
7、加工方向发展中起到领先的作用。 在 刀具材料发展中仍要提到高速钢材料 的发展，尽管高速钢刀具与硬质合金 刀具相比销售量在减少，但是高性能 的钴高速钢和粉末冶金高速钢的使用 量在不断增加。这两种高性能高速钢 已有很长的历史，它们比普通的高速 钢有更好的耐磨性、红硬性和使用的 可靠性，尤其是粉末冶金高速钢的性 能更好，但由于价格高，过去主要用 在航空航天工业加工难加工材料。随 着人们对切削加工效率的追求和观念 的转变，这些高性能高速钢的刀具首 先在自动线上大量采用，如钻头、立 铣刀、丝锥等通用刀具和齿轮刀具、 拉刀等精密复杂刀具，收到了提高切 削速度和加工质量、使用可靠和延长 刀具寿命的效果。涂层
8、成为提高刀具性能的关键技 术。刀具的涂层技术在现代切削加工 和刀具的发展中起着十分重要的作用， 尤其是近几年取得了重大的进展。化 学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要 涂层工艺，开发了中温CVD、厚膜三 氧化二铝、过渡层等新工艺，在基体 材料改善的基础上，使 CVD 涂层的耐 磨性和韧性都得到提高； CVD 金刚石 涂层也取得了进展，提高了涂层表面 光洁度，进入了实用的阶段。在此期 间，物理涂层(PVD)的进展尤为引人注 目，在炉子结构、工艺过程、自动控 制等方面都取得了重大进展，不仅开 发了适应高速切削、干切削、硬切削 的耐热性更好的涂层，如超级 TiAlN ， 及综合性能更好的 TiAl
9、CN 通用涂层和 DLC、 W/C 减摩涂层，而且通过对涂层 结构的创新，开发了纳米、多层结构， 大幅度提高了涂层硬度和韧性。 PVD 涂层技术的新进展，向我们展示了涂 层技术对提高刀具性能的巨大潜力和 独特的优势：可以通过对涂层工艺参 数控制和靶材、反应气体的调整不断 开发出新的涂层，以满足加工多样性 的需要，是提高和改善刀具性能一项 又快又好的技术，有着十分广阔的应 用前景。刀具结构的创新改变了传统 标准刀具千篇一律的面貌和单一的功 能。二铣刀的分类和应用1按铣刀的材料分1) 高速钢刀具 高速钢是一种加 入了较多的碳、钨、钼、铬、钒、钴 等合金元素的高合金工具钢，有良好 的综合性能。高速钢
10、通常是型坯材料 韧性较硬质合金好，硬度、耐磨性和 红硬性较硬质合金差，不适于切削硬 度较高的材料，也不适于进行高速切 削。一般选择原则如下：A.般钢材的 切削加工可采用钨系或钨钼系通用高 速钢。B.在加工高强度合金钢、不锈钢、 高温合金以及低速切削钛合金时，可 采用钨系或钼系高钒高速钢。C.加工高 性能高温合金、铸造高温合金、钛合 金及超高强度钢时，可用钨钼系高碳 低钒含铝高速钢或钨钼系高碳低钒高 钴高速钢。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。2) 硬质合金刀具 硬质合金是以 高硬度、难溶金属的碳化物(Wc、Tic) 微米级粉末为主要成分，以钴（ C
11、o） 或钼（Mo）为粘合剂，在真空炉中烧 结而成的粉末冶金制品。其常温硬度 可达 78-82HRC，能耐 850-1000 C 的 高温，但其冲击硬度与抗弯强度比高 速钢差很多。硬质合金铣刀切削性能 优异，在数控铣削中被广泛使用。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。随着近年来刀具材料飞速进步以 及多样化的发展趋势， ISO 又开发出以 材料的切削性能为基准的新分类方法 来处理新型材料，将材料分为 P、M、 K、H、S、N 六个系列，并确定与之适 应的硬质合金材料选用标准。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
12、锈钢 铸铁、高锰钢、合金铸铁等（相当于 我国的 YW 类）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-H 类适于加工淬硬材料M-S 类适于加工耐热合金和 钛合金K-N 类适于加工铝、非铁合金3）陶瓷刀具 陶瓷用于切削刀具 的时间比硬质合金早，但由于其脆性， 发展很慢。但自上世纪 70 年代以后， 还是得到了比较快的发展。陶瓷刀具 材料大致可以分为四种：氧化铝基陶 瓷、氮化硅基陶瓷、氮化硅氧化铝复 合陶瓷、金属陶瓷。陶瓷作为刀具， 具有成本低、硬度高 、耐磨性、耐高 温性能好等优点，有很好的前景。因 为陶瓷刀具材料的特性，在应用时， 必须考虑以下问题：1）
13、对机床的要求 在实践中证明，适用于陶瓷刀具加工 的机床必须具有良好的刚性、足够的 功率和高的转速。2）对被加工零件的 要求 对于那些硬度高而形状不规则 的工件毛坯，应注意必须先倒角后再 用陶瓷刀具切削。3）合理选择切削用 量 被吃刀量、进给量、切削速度的 选择。4）立方氮化硼刀具 立方氮化硼 刀具材料包括聚晶立方氮化硼（ PCBN） 和 CVD 立方氮化硼涂层两种。立方氮 化硼硬度仅次于金刚石，与黑色金属 无亲和力，但是， PCBN 不适于切削一 般的钢件。PCBN刀具材料特性如下： 具有很高的硬度和耐磨性、热稳定性 化学稳定性、导热性、较好的摩擦因 数。5）金刚石刀具 金刚石刀具材料 包括天
14、然和人工合成单晶金刚石、聚 晶金刚石及其复合片、 CVD 金刚石涂 层三种。金刚石与黑色金属在加工中 会发生化学磨损，所以，金刚石不能 加工黑色金属，只能用于有色金属和 非金属材料。金刚石刀具材料的主要 特性如下：1）具有非常好的硬度。PCD 的硬度为8000HV。2）具有良好的导 热性能。 3）摩擦系数小。 4）热胀系 数小。 5）金属活跃性低。 2按铣刀的结构分1）整体式：刀体和刀齿制成一体。2）整体焊齿式：刀齿用硬质合金 或其他耐磨刀具材料制成,并钎焊在刀 体上。3）减振式：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。4）内冷式：切削液通过刀体
15、内部 由喷孔喷射到刀具的切削刃部。5）镶齿式：刀齿用机械夹固的方 法紧固在刀体上。这种可换的刀齿可 以是整体刀具材料的刀头，也可以是 焊接刀具材料的刀头。刀头装在刀体 上刃磨的铣刀称为体内刃磨式：刀头 在夹具上单独刃磨的称为体外刃磨式。 有可转位式和不可转位式刀具，这种 结构已广泛用于面铣刀、立铣刀和三 面刃铣刀。6）特殊型式：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。 3按铣刀结构形式分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
16、结 构，刀齿材料为高速钢或硬质合金， 刀体为40Cr。主要用于进行粗铳，去 除大量毛坯，小面积水平平面或者轮 廓精铣 。2）立铣刀：立铣刀的圆柱表面端 面上都有切削刃，它们可以同时切削， 也可单独切削。立铣刀的主切削刃是 圆拄面上，端面上的的切削刃是副刀 刃。立铣刀直径为 2-50 毫米，可分为 粗齿与细齿两种。直径 2-20 为直柄范 围，直径 14-50 为锥柄范围。材料主要 为高速钢和硬质合金。注意，因为立 铣刀的端面中间有凹槽，所以不能做 Z 轴向进给。立铣刀分：三刃铣刀、多 刃立铣刀、球头立铣刀。3）键槽铣刀：用于铣削键槽。它 有两个刀齿，圆柱面和端面都有切削 刃，端面刃延伸至中心，加工时先 Z 轴向进给到槽深，然后沿键槽方向铣 出全长。主要用于铣削键槽，圆弧槽4）成形铣刀：切削刃与待加工面 形状一致，一般都是为特定的工件专 门设计制造的。
