浅谈常用刀具与数控机床 毕业论文.doc

浅谈常用刀具与数控机床目录一、什么是刀具.2二、刀具分类.2三、铣刀切削部分材料的基本要求.2（一）高硬度和耐磨性.2（二）好的耐热性.2（三）高的强度和好的韧性.3（四）良好的可加工性.3四、铣刀常用材料3（一）高速工具钢.3（二）硬质合金.3五、数控机床的发展.4六、数控机床的结构与要求.7（一）较高的机床静、动刚度.8（二）减少机床的热变形.8七、主运动机械部件.10(一)主传动运动的变速系统.10(二)带有变速齿轮的主传动.11(三)通过皮带传动的主传动.11(四)由调速电机直接驱动的主传动.11八、数控机床主轴部件.11(一)前后支撑采用不同轴承.11(二)前轴承采用高精度双列向心推力球轴承.11（三）双列和单列圆锥滚子轴承.11【内容提要】 世界范围内激烈的市场竞争迫使机械制造业降低成本以保持盈利。由于加工成本的主要部分是占用机床时间的费用，因此目前人们的注意力集中在通过提高加工生产率以缩短加工周期。机床的改进，性能更优异的零件材料的开发，新的加工方法的开发以及涉及切削液安全处理的环保法规的制订等，都给刀具和机床行业带来了新的挑战。为了回应这些挑战，刀具行业与机床制造都进行了卓有成效发的展和创新。世界制造业转移，中国正在逐步成为世界加工厂。美国、德国、韩国等国家已经进入工业化发展的高技术密集时代与微电子时代，钢铁、机械、化工等重工业正逐渐向发展中国家转移。我国目前经济发展已经过了发展初期，正处于期。 所以加工过程中刀具与机床的运用更为重要。【关键词】刀具 机床 发展一、什么是刀具刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。 绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。二、刀具分类数控刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。 根据刀具结构可分为： （一）整体式， 镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种，特殊型式，如复合式刀具，减震式刀具等。（二）根据制造刀具所用的材料可分为： 高速钢刀具； 硬质合金刀具； 金刚石刀具； 其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。（三）从切削工艺上可分为车削刀具、 钻削刀具、镗削刀具、 铣削刀具等。 然而，铣刀在日常的加工中是常用的切削刀具，所以我们来具体了解下铣刀（如图1）。图1三、铣刀切削部分材料的基本要求：（一）高硬度和耐磨性：在常温下，切削部分材料必须具备足够的硬度才能切入工件；具有高的耐磨性，刀具才不磨损，延长使用寿命。（二）好的耐热性：刀具在切削过程中会产生大量的热量，尤其是在切削速度较高时，温度会很高，因此，刀具材料应具备好的耐热性，既在高温下仍能保持较高的硬度，有能继续进行切削的性能，这种具有高温硬度的性质，又称为热硬性或红硬性。（三）高的强度和好的韧性：在切削过程中，刀具要承受很大的冲击力，所以刀具材料要具有较高的强度，否则易断裂和损坏。由于铣刀会受到冲击和振动，因此，铣刀材料还应具备好的韧性，才不易崩刃，碎裂。（四）良好的可加工性 四、铣刀常用材料：（一）高速工具钢（简称高速钢，锋钢等），分通用和特殊用途高速钢两种。其具有以下特点：1合金元素钨、铬、钼、钒的含量较高，淬火硬度可达hrc62-70。在600摄氏度的高温下， 仍能保持较高的硬度。2.刃口强度和韧性好，抗振性强，能用于制造切削速度一般的刀具，对于刚性较差的机床，采用高速钢铣刀，仍能顺利切削。工艺性能好，锻造、加工和刃磨都比较容易，还可以制造形状较复杂的刀具。3.与硬质合金材料相比，仍有硬度较低，红硬性和耐磨性较差等缺点。（二）硬质合金：是金属碳化物、碳化钨、碳化钛和以钴为主的金属粘结剂经粉未冶金工艺制造而成的。其主要特点如下：能耐高温，在800-1000摄氏度左右仍能保持良好的切削性能，切削时可选用比高速钢高4-8倍的切削速度。常温硬度高，耐磨性好。抗弯强度低，冲击韧性差，刀刃不易磨的很锋利。（如图2）图2常用的硬质合金:有以下几种：1. 钨钴类硬质合金（yg）常用牌号yg3、yg6、yg8，其中数字表示含钴量的百分率，含钴量愈多，韧性愈好，愈耐冲击和振动，但会降低硬度和耐磨性。因此，该合金适用于切削铸铁及有色金属，还可以用来切削冲击性大的毛坯和经淬火的钢件和不锈钢件。2.钨钛钴类硬质合金(yt)常用牌号有yt5、yt15、yt30，数字表示碳化钛的百分率。硬质合金含碳化钛以后，能提高钢的粘结温度，减小磨擦系数，并能使硬度和耐磨性略有提高，但降低了抗弯强度和韧性，使性质变脆，因此，该类合金适应切削钢类零件。3. 通用硬质合金在上述两种硬质合金中加入适量的稀有金属碳化物，如碳化钽和碳化铌等，使其晶粒细化，提高其常温硬度和高温硬度、耐磨性、粘接温度和抗氧化性，能使合金的韧性有所增加，因此，这类硬质合金刀具有较好的综合切削性能和通用性，其牌号有：yw1、yw2和ya6等，由于其价格较贵，主要用于难加工材料，如高强度钢、耐热钢、不锈钢等。4其他材料包括涂层刀具，陶瓷刀具和pcd、pcbn等。聚晶立方氮化硼（pcbn）和聚晶金刚石（pcd）具有极高的耐磨损性能，可用于高速低进给加工。涂层硬质合金、金属陶瓷和陶瓷刀具材料，它们可以在一个较大的切削速度和进给量范围内广泛使用，以满足制造业的不同加工需求。五、数控机床的发展金属加工主要是去除材料，得到所需要的形状。金属加工主要靠车削和铣削，车床发展为数控车床，铣床发展为加工中心。高精度多轴机床，可以让复杂零件在精度和形状上一次到位，例如，飞机上的一个复杂零件，以前由很多种工人如：车工、铣工、磨床工、画线工、热处理工用好几个月才能完成，其中还有报废的，面最新的复合数控机床几天甚至几个小时就全干好了，而且精度比设计的还高。零件精度高就意味着寿命长，可靠性好。由普通机床发展到数控，效率大大提高，在精度上更是趋于精准，在适应性方面，当零件变了，换个程序就行。把人为的因素降为最低，以前在工厂，谁要时会车蜗轮、蜗杆，没个10年8年的不行。现在用数控设备，只要你会编程，把参数输进去就可以了，很简单，刚毕业的技校学生都会，而且批量的产品质量也有保证。1952年，麻省理工学院在一台立式铣床上，装上了一套试验性的数控系统，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。 这台机床是一台试验性机床，到了1954年11月，在派尔逊斯专利的基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司（bendix-cooperation）正式生产出来。 在此以后，从1960年开始，其他一些工业国家，如德国、日本都陆续开发、生产及使用了数控机床。 数控机床中最初出现并获得使用的是数控铣床，因为数控机床能够解决普通机床难于胜任的、需要进行轮廓加工的曲线或曲面零件。 然而，由于当时的数控系统采用的是电子管，体积庞大，功耗高，因此除了在军事部门使用外，在其他行业没有得到推广使用。 半导体的发明，给数控机床的发展提供了广阔的前景。 到了1960年以后，点位控制的数控机床得到了迅速的发展。因为点位控制的数控系统比起轮廓控制的数控系统要简单得多。因此，数控铣床、冲床、坐标镗床大量发展，据统计资料表明，到1966年实际使用的约6000台数控机床中，85%是点位控制的机床。 数控机床的发展中，值得一提的是加工中心（如图3）。这是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现工件一次装卡而进行多工序的加工。这种产品最初是在1959年3月，由美国卡耐;特雷克公司（keaney&treckercorp.）开发出来的。这种机床在刀库中装有丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具，根据穿孔带的指令自动选择刀具，并通过机械手将刀具装在主轴上，对工件进行加工。它可缩短机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间。加工中心现在已经成为数控机床中一种非常重要的品种，不仅有立式、卧式等用于箱体零件加工的镗铣类加工中心，还有用于回转整体零件加工的车削中心、磨削中心等。图3 1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是所谓的柔性制造系统（flexiblemanufacturingsystem—fms）之后，美、欧、日等也相继进行开发及应用。 1974年以后，随着微电子技术的迅速发展，微处理器直接用于数控机床，使数控的软件功能加强，发展成计算机数字控制机床（简称为cnc机床），进一步推动了数控机床的普及应用和大力发展。 80年代，国际上出现了14台加工中心或车削中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检验装置的柔性制造单元（flexiblemanufacturingcellfmc）。这种单元投资少，见效快，既可单独长时间少人看管运行，也可集成到fms或更高级的集成制造系统中使用。 目前，fms也从切削加工向板材冷作、焊接、装配等领域扩展，从中小批量加工向大批量加工发展。 所以机床数控技术，被认为是现代机械自动化的基础技术。中国在六十年代也搞出了第一代数控机床，但目前和世界水平相比，仍有不小的差距。中国改革开放前走的是苏联的路子，什么叫苏联的路子，举个例子来讲：比如，生产一根轴，苏联的方式是建一个专用生产线，用多台专用机床，好处是批量很容易上去，但一旦这根轴的参数发生了变化，这条线就报废了，生产人员也就没事做了。现代的生产主要是单件小批量，不管是那种，只要你的设备是数控的，适应起来就快。专业机床的路子已经到头了，西方走的路和前苏联不一样，当年的“东芝”事件，就是日本东芝卖给苏联了几台五轴联动的数控铣床，让苏联在潜艇的推进螺旋桨上的制造上了一个档次，让美国的声纳听不到潜艇声音了，所以美国要惩处东芝公司。由此也可见，前苏联的机床制造业也落后了，他们落后，我们就更不用说了。虽然，美国搞出了世界第一台数控机床，但数控机床的发展，还是要数德国。德国本来在机械方面就是世界第一，数控机床无非就是搞机电一体化，机械方面德国已没问题，剩下的就是电子系统方面，德国的电子系统工业本来就强大，所以在上世纪六、七十年代，德国就执机床界的牛耳了。 日本人的强项就是仿造，从上世纪70年代起，日本大量从德国引进技术，消化后大量仿造，经过努力，日本在90年代起，就超越了德国，成为世界第一大数控机床生产国，直到现在还是。他们在机床制造水平上，有一些也走在了世界前面，如在机床复合（一机多种功能）化方面，是世界第一。数控机床的核心就在数控系统方面，日本目前在系统方面也排世界第一，主要是它的发拿科公司。第一代的系统用步进电机，我们现在也能造，第二代用交流伺服电机。现在的数控系统的核心就是交流伺服电机和系统内的逻辑控制软件，逻辑控制软件就是控制机床的各轴运动，而这些轴是用伺服电机驱动的，一般的系统能同时控制3轴，高级系统能控制五轴，我们的工厂用的五轴和五轴以上机床，100进口。六、数控机床的结构与要求在数控机床发展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化，只是在自动变速、刀架和工作台自动转位和手柄操作等方面作些改变。随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。数控机床的主体机构有以下特点：1.由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短；2.为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小；3.为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等；4.为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构因提出以下要求： （一）较高的机床静、动刚度数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等）的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床大件的刚度，采用封闭界面的床身，并采用液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，采用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。这些措施都能有效地提高接触刚度。为了充分发挥数控机床的高效加工能力，并能进行稳定切削，在保证静态刚度的前提下，还必须提高动态刚度。常用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。（二）减少机床的热变形 在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，也是机床精度下降。对于数控机床来说，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。为了减少热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。1.减少发热机床内部发热时产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。2.控制温升在采取了一系列减少热源的措施后，热变形的情况将有所改善。但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。3.改善机床机构在同样发热条件下，机床机构对热变形也有很大影响。如数控机床过去采用的单立柱机构有可能被双柱机构所代替。由于左右对称，双立柱机构受热后的主轴线除产生垂直方向的平移外，其它方向的变形很小，而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。对于数控车床的主轴箱，应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。在结构上还应尽可能减小主轴中心与主轴向 地面的距离，以减少热变形的总量，同时应使主轴箱的前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。数控机床中的滚珠丝杠常在预计载荷大、转速高以及散热差的条件下工作，因此丝杠容易发热。滚珠丝杠热生产造成的后果是严重的，尤其是在开环系统中，它会使进给系统丧失定位精度。而所谓的开环系统是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力。目前某些机床用预拉的方法减少丝杠的热变形。对于采取了上述措施仍不能消除的热变形，可以根据测量结果由数控系统发出补偿脉冲加以修正。（开环系统如图4） 图44.减少运动间的摩擦和消除传动间隙数控机床工作台（或拖板）的位移量中当量为最小单位的，通常又要求能以极低的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应，就必须采取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。目前，数控机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。数控机床（尤其是开环系统的数控机床）的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外，另一个重要措施是采用无间隙传动副。对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。5.提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机场零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺服机主轴部件等影响进度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。6减少辅助时间和改善操作性能在数控机床的单件加工中，辅助时间（非切削时间）占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率，就必须最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于切削用量教大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。 七、主运动机械部件数控机床的主传动运动是指产生切削的传动运动，例如，数控车床上主轴带动工件的旋转运动，立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀和砂轮等的旋转运动。数控机床的主轴运动是通过主传动电机拖动的。(一)主运动的变速系统目前，数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统的直流调速电机，他们逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机代替。数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。为了适应各种工件和各种工件材料的要求，多功能自动换刀的数控机床和加工中心主运动的调速范围应进一步扩大。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。 由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流和直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。由于主运动采用了无级变速，在大型数控车床上车削端面时就可实现恒速切屑控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。数控机床主传动主要有三种配置方式。(二)带有变速齿轮的主传动这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。(三)通过皮带传动的主传动这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声。(四)由调