数控刀具的选材及发展应用.(1)

1、 晋 中 学 院 毕业论文（设计） 题 目 数控刀具的选材 和发展应用 院 系 _ 职业技术学院_专 业 机械设计与制造 姓 名 吴佳 学 号 1217222142 学习年限 2012年09月至2015年07月指导教师 丁守福 职称 讲师 申请学位 目 录1. 数控刀具材料的发展现状1 1.1 数控刀具材料的发展史1 1.2 数控刀具材料的现况12. 数控刀具材料的分类2 2.1 数控刀具分类简介2 2.2数控刀具材料的性能23. 数控刀具的发展和特征2 3.1数控刀具的概述2 3.2数控刀具的特点3 3.3数控刀具的发展方向44. 数控刀具对机床的选择4 4.1 数控的系统要求5 4.2 切

2、削用量的确定6结束语7致辞8数控刀具的选材和发展应用学生姓名：吴佳 指导教师：丁守福摘要：随着计算机技术的飞速发展，数控机床在我国机械加工行业中得到越来越广泛的应用。它不仅解决了普通机床难以解决的许多加工难题，而且提高了加工精度和生产效率，同时也对加工工艺和刀具设计提出了许多新的、更高的要求。为使这些先进的设备更好地发挥作用，必须要求我们了解近几年来数控刀具的特点、刀具材料及结构，未来数控刀具的发展趋势。本文通过对几种典型刀 具加工特点以及在机床的应用的分析，总结出加工刀具用于数控机床的各方面的选择应用要点，使之能够了解如何从众多数控机床中作出选择。关键词：刀具的种类 材料 机械 切削用量 第

3、一章 数控刀具材料的发展现状 1.数控刀具的发展史 金属切削加工的发展史，从某种意义上说，可归结为刀具材料的发展史刀具材料的发展史，实际上就是不断提高刀具材料耐热性能的过程刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前28前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期(公元前三世纪)，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。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。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到18

4、64年才作为商品生产。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，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年，美国的泰勒和怀特发明高速钢。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

5、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。1952年美国麻省理工大学研制出世界上第一台数控机床，1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功第一台数控加工中心。当时的数控刀具多为高速钢刀体配合可转位硬质合金刀片，这在当时是最先进的刀具技术。随后的数

6、控刀具材料的发展即是硬质合金、金刚石、立方氮化硼、陶瓷以及涂层刀具与切削刀具材料的发展一样。 2.数控刀具材料的现况 近年来，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Go类粉末冶金高速钢等领域进展速度较快。1 第二章 数控刀具材料的分类 1.数控刀具分类简介 （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；焊接式式：

7、采用焊接方法连接，分刀头和刀杆；机夹式：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。特殊型式：如复合式刀具，减震式刀具等。 （2) 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。 （3）从切削工艺上可分为车削刀具，分外圆、内孔、螺纹、切断、切槽刀具等多种；钻削刀具，包括钻头、铰刀、丝锥等；镗削刀具；铣削刀具等。 2.数控刀具材料的性能 （1）刀具材料的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用。因此，刀具材料应具备如下一些基本性能： （2）硬度和耐磨

8、性。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。 （3）强度和韧性。刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动,防止刀具脆性断裂和崩刃。 （4）耐热性。刀具材料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。 （5）工艺性能和经济性。刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能；磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。 第三章 数控刀具的发展和特征 1.数控刀具的概述 2 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。 绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械设计

9、中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一次一般就理解为金属切削工具，切削本材用的刀具则称为木工刀具。 刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的的地位。中国早在公元前28前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现在的扁钻和锯已有些相似之处。 然而刀具的发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。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。有关麻花钻的发明最早的文献记载是1822年，但直到1864年才做出商品生产。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

10、米/分。1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年，美国的泰勒和怀特发明高速钢。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加固式结构。1949 1950年间，美国开始在车刀上采用可转位刀片。这些非金属刀具材料可使刀具以更高的的速度切削。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

11、法，在硬质合金货高速钢刀具表面涂赋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。 2.数控刀具的特点 数控刀具与普通机床上用的刀具实际没有多大区别，它们需具有以下特点： （1）刀具的切削性能必须稳定可靠高。 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值指标外，还应给出刀具的可靠指标

12、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，如以耐用度的平均值T作为标准，刀具的可靠性只有50。 (2)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，切屑多，因此，在切削塑性金属时，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。 (3)应具有高的精度。 刀具切削部

13、分的几何尺寸变化要小，刀体刀杆和刀片反复装卸也应能保持精度稳定。 (4)快速更换及尺寸预调。 刀具应能快速或自动更换，并需有控制和调整尺寸的功能或具有刀具磨损的自动补偿装置，以减少换刀调整的停机时间。 3.数控刀具的发展方向 (1)超硬材料领域。 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、难加工及有色金属切削加工行业中。表面改性涂层材料主要有：TiN、TiCN、TiALN、等，将上述涂层材料用于各种机夹可转位刀片的表面改性涂层处理，满足高速、高寿命切削加工高强度、高硬度等材质工件的生产技术不同要求。 (2)硬质合金材料领城。 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

14、艺技术要求添加各种微量元素，满足于各种机加3232艺技术对可转位刀片切削性能的要求而发展的； (3)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材料，制成各种成形拉刀、高速滚刀、丝锥、波纹刃立铣刀等刀具，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、高硬度铸铁合金等合金材料工件。根据切削加工技术不同的要求，其表面分别配涂TiN、TiCN等涂层材料，满足高速、高效、硬质精密机加工技术要求。 (4)发展方向 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，重点解决数控刀具的材

15、料，提高生产效率及加工质量，赢得市场。 第四章 数控刀具对机床的选择 1.数控的系统要求 （1）需要几个数控轴 刀具一般可根据其外形分为回转刀具（如铣刀，钻头）和方形轮廓刀具（如车刀，镗刀），因而一般都需要X，Y，Z三个数控直线轴对其进行加工以保证其外形尺寸，有所区别的是对数控回转轴的要求。加工复杂的可转位刀具体现得较为明显。 以加工可转位立铣刀工序中的数控铣削为例 绝大多数可转位立铣刀都有数个（条）均布的切削齿，在每个齿加工完毕后都应对其进行分度旋转（如图1所示B轴）进行下一个（条）齿的加工。如果CNC铣床没有数控分度头或数控回转工作台，则应在程序中加入无条件停止指令，机床运动停止后通过人工

16、旋转精密手动分度头实现分度旋转（应注意机床外罩锁的影响），然后继续执行NC程序。精度一般能够满足要求。但这样会增加工人劳动强度，同时影响工作效率。如果CNC铣床有数控分度头或数控回转工作台，则分度旋转运动可通过程序中的数控指令实现，精度和效率都较高，但增加一个CNC回转轴也会使CNC铣床的结构复杂化，CNC系统功能增加，大为增加CNC铣床的价格。 需要指出的是，精密手动分度头的分度能力是有限的，特别是对于非整数的角度往往无法满足要求（可转位成形铣刀此类情况较多），此时只能用CNC回转轴实现。此类CNC回转轴一般用交流伺服电机驱动精密蜗杆副，液压或气动夹紧，高精度编码器作为角度检测元件，因而具备

17、在行程范围内任意角度的旋转功能。而采用端面齿盘定位的CNC回转轴却只能进行等分转度，不适用于此类情况。 某些可转位立铣刀有刃倾角s，在铣削刀片槽或容屑槽时都应将槽底面转刃倾角s，使其与CNC铣刀轴线垂直，此时需要一个回转轴（如图1所示A轴）旋转刃倾角s。 受精密手动分度头的装夹结构和刚性的限制，将其作为A轴效果不佳。因此应选择具有较高刚性的CNC回转轴作为A轴。 可见如果某CNC铣床加工的可转位刀具品种单一且无刃倾角，可以选择3轴CNC（X，Y，Z）铣床加精密手动分度头，可降低加工成本。否则应选择5轴CNC铣床（X，Y，Z，A，B）。 （2）需要几个数控轴联动 CNC系统的若干轴联动插补功能最

18、能体现CNC系统的性能和其档次高低，也往往决定着CNC系统的价格，因此应根据加工刀具产品的具体情况来仔细选择。对于加工一般可转位刀具的CNC铣床而言，具有2个直线轴的直线和圆弧插补功能就可以加工几乎所有的ISO标准刀片槽形式，其它运动都可单轴插补完成。如果也选择多达5-6轴联动的CNC系统则没有必要。要求比较高的是一些螺旋类精加工刀具。以下以加工等螺旋角等前角锥度立铣刀。 （3)需要什么数控系统 加工一般精度的可转位刀具，选择具有间隙补偿和螺距误差补偿的半闭环CNC系统的 数控机床就可以满足要求，而对较高精度刀具（如整体材质的精加工刀具）的精加工可以选择闭环CNC系统。需要注意的是：为编程方便

19、，CNC编程软件系统都应具有工件坐标系的平移和旋转功能，并支持几何线性的多种表达方式。 现代CNC系统的编程方法较多，相对而言，以ISO标准G，M代码编程的CNC系统具有较大的灵活性，能满足多品种中小批量的生产要求，但初期编程速度较慢，机床准备工作时间较长。而具有针对某类刀具产品开发的专业化软件包的CNC系统则可以满足某些复杂刀具的大批量加工，生产效率高，对人员素质要求较低，但价格昂贵且需要不断升级软件包以满足出现的新产品。 选择CNC系统时还应注意：现代CNC系统的功能较多，可以根据实际情况去掉一些基本不用或近期很少用到的功能（例如某些用于FMS的接口和软件）以降低购买成本。 以上通过几个例

20、子讨论了针对加工刀具产品的CNC机床选择方法和大概原则，实际情况远不止这些。总之应根据产品具体情况灵活地作出选择，以满足市场对精度和成本的双重要求。 2.切削用量的确定 数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。切削用量包括切削速度、背吃刀量或侧吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度并充分发挥机床的性能，最大限度地提高生产率，降低成本。 （1）切削速度的确定铣削的切削速度与刀具的耐用度T、每齿进给量fz、背吃刀量ap、侧吃刀量ae以及铣刀齿数Z

21、成反比，与铣刀直径d成正比。其中原因是fz、ap、ae、Z增大时，使同时工作齿数增多，刀刃负荷和切削热增加，加快刀具磨损，因此刀具耐用度限制了切削速度的提高。如果加大铣刀直径则可以改善散热条件，相应提高切削速度。下表列出了铣削切削速度的参考值。 铣削时的切削速度参考表 工件材料 硬度（HBS） 切削速度Vc（m/min） 高速钢铣刀 硬质合金铣刀 钢 225 1842 66150 225325 1236 54120 325425 621 3675 铸铁 190 2136 66150 190260 918 4590 260320 4.510 2130 （2）进给速度的确定 进给速度F是数控机床切

22、削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。在轮廓加工中，在接近拐角处应适当降低进给量，以克服由于惯性或工艺系统变形在轮廓拐角处造成“超程”或“欠程”现象。确定进给速度的原则： 当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在100200mm/min范围内选取。 在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在2050mm/min范围内选取。 当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在2050mm/min范围内选取。 刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以选择该机床数控系统给定的最高进给速度。 （3）背吃刀量（或侧吃刀量）的确定 在保证加工表面质量加工质量的前提下，背吃刀量(ap)应据机床、工件和