数控刀具选择

1、河南职业技术学院毕业设计（论文）题 目 浅析加工材料与刀具选择 系（分院） 机电工程系学生姓名 李鹏飞学 号 1210103039专业名称 数控技术指导教师 苗志毅 2014 年11月16日 18河南职业技术学院机电工程系（分院）毕业设计（论文）任务书姓 名李鹏飞专 业数控技术班 级121毕业设计（论文）题 目浅析加工材料与刀具的选择毕业设计（论文）选题的目的与意义本设计的目的是对数控加工中刀具的研究，通过这样的方式可以了解到三年的学习中对刀具以及材料方面理论知识的掌握情况，并且对数控刀具未来发展趋势的展望。毕业设计（论文）的资料收集情况（含指定参考资料）1邓建新，赵军。数控刀具材料选用手册M

2、。北京：机械工业出版社，2005-4,135-1512徐宏海。数控机床刀具及其应用M。北京：化学工业出版社，2008-8,23-353胡建新。数控加工工艺与刀具夹具M。北京：机械工业出版社，2010-4,57-151毕业设计（论文）工作进度计划第一阶段，11月06日至11月10日，整理资料第二阶段，11月10日至11月12日，进行设计第三阶段，11月12日至05月15日，寄交审核接受任务日期 年 月 日要求完成日期 年 月 日学 生签名： 年 月 日指导教师签名：年 月 日 系（分院）主任（院长）签名：年 月 日浅析加工材料与刀具的选择李鹏飞摘要：近年来，快速发展的数控机加工工艺技术促进了数控

3、刀具结构基础科研和新产品的研发。世界各大厂商生产的数控机床用刀具种类、规格繁多，数量庞大，往往令人眼花缭乱，不得要领。现将有关数控刀具科普性知识和近几年来数控刀具材料、结构、应用等领域就其精要，在此简要分述，以便利用先进刀具技术为加工服务。 关键字：数控刀具的分类、数控刀具的特点、数控刀具的选择。近年来，快速发展的数控机加工工艺技术促进了数控刀具结构基础科研和新产品的研发。世界各大厂商生产的数控机床用刀具种类、规格繁多，数量庞大，往往令人眼花缭乱，不得要领。现将有关数控刀具科普性知识和近几年来数控刀具材料、结构、应用等领域就其精要，在此简要分述，以便利用先进刀具技术为数控加工服务。一、数控刀具

4、材料的发展现状（一）数控刀具的发展史 金属切削的发展史，从某种意义上说，可归纳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，刀具的快速发展史在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1864年才作为商品

5、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。1949-1959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，德国徳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

6、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。表面涂层方法把基本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车床，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。随后的数控刀具材料的

7、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（二）、数控刀具材料的近况近年来，数控刀具材料基础研究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）数控机床加工技术领域。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。二、刀具材料的分类数控加工刀具可分为常规刀具和模块化刀具两大类。模块化刀具是发展方向。发展模块化刀具的主要优点：减少换刀停机时间，提高生产加工时间；加

8、快换刀及安装时间，提高小批量生产的经济性；提高刀具的标准化和合理化的程度；提高刀具的管理及柔性加工的水平；扩大刀具的利用率，充分发挥刀具的性能；有效地消除刀具测量工作的中断现象，可采用线外预调。事实上，由于模块刀具的发展，数控刀具已形成了三大系统，即车削刀具系统、钻削刀具系统和镗铣刀具系统。（一）、从结构上可分为 1、整体式。2、镶嵌式可分为焊接式和机夹式。机夹式根据刀体结构不同，分为可转位和不转位。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。 （二）、从制造所采用的材料上分1、高速钢刀具通用型高速钢刀具 通用型高速钢。一般可分钨钢、钨钼钢两类

9、。这类高速钢含加(C)为0.70.9。按钢中含钨量的不同，可分为含W为12或18的钨钢，含W为6或8的钨钼系钢，含W为2或不含W的钼钢。通用型高速钢具有一定的硬度(63-66HRC)和耐磨性、高的强度和韧性、良好的塑性和加工工艺性，因此广泛用于制造各种复杂刀具。钨钢：通用型高速钢钨钢的典型牌号为W18Cr4V，(简称W18)，具有较好的综合性能，在6000C 时的高温硬度为48.5HRC，可用于制造各种复杂刀具。它有可磨削性好、脱碳敏感性小等优点，但由于碳化物含量较高，分布较不均匀，颗粒较大，强度和韧性不高。钨钼钢：是指将钨钢中的一部分钨用钼代替所获得的一种高速钢。钨钼钢的典型牌号是W6Mo5

10、Cr4V2，(简称M2)。M2的碳化物颗粒细小均匀，强度、韧性和高温塑性都比W18Cr4V好。另一种钨钼钢为W9Mo3Cr4V(简称W9)，其热稳定性略高于M2钢，抗弯强度和韧性都比W6M05Cr4V2好，具有良好的可加工性能。 高性能高速钢刀具高性能高速钢是指在通用型高速钢成分中再增加一些含碳量、含钒量及添加Co、Al等合金元素的新钢种，从而可提高它的耐热性和耐磨性。主要有以下几大类： 高碳高速钢。高碳高速钢（如95W18Cr4V），常温和高温硬度较高，适于制造加工普通钢和铸铁、耐磨性要求较高的钻头、铰刀、丝锥和铣刀等或加工较硬材料的刀具，不宜承受大的冲击。 高钒高速钢。典型牌号，如，W12

11、Cr4V4Mo，（简称EV4），含V提高到3一5，耐磨性好，适合切削对刀具磨损极大的材料，如纤维、硬橡胶、塑料等，也可用于加工不锈钢、高强度钢和高温合金等材料。 钴高速钢。属含钴超硬高速钢，典型牌号，如，W2Mo9Cr4VCo8 ，(简称M42)，有很高的硬度，其硬度可达69-70HRC，适合于加工高强度耐热钢、高温合金、钛合金等难加工材料，M42可磨削性好，适于制作精密复杂刀具，但不宜在冲击切削条件下工作。 铝高速钢。属含铝超硬高速钢，典型牌号，如，W6Mo5Cr4V2Al，(简称501)，6000C时的高温硬度也达到54HRC，切削性能相当于M42，适宜制造铣刀、钻头、铰刀、齿轮刀具、拉刀

12、等，用于加工合金钢、不锈钢、高强度钢和高温合金等材料。 氮超硬高速钢。典型牌号，如，W12M03Cr4V3N，简称(V3N)，属含氮超硬高速钢，硬度、强度、韧性与M42相当，可作为含钴高速钢的替代品，用于低速切削难加工材料和低速高精加工。高速钢通常是型坯材料，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。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 硬质合金刀片切削性能优异，在数控车削中被广泛使用。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。硬质合金刀片按国际标准

13、分为三大类：P类，M类，K类。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锈钢、铸铁、高锰钢、合金铸铁等（相当于我国的YW类）。M-S类适于加工耐热合金和钛合金。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-N类适于加工铝、非铁合金。K-H类适于加工淬硬材料。3、涂层刀具它是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂覆一薄层耐磨性好的难溶金属化合物而获得的，涂层刀具具有较高的抗氧化性能和粘结性能，因而有较好的耐磨性和抗月洼磨损能力，有较小的摩擦系数。可降低切削时的切削力及切削温度，可提高刀具寿命。但也存在着锋利性，韧性，抗剥

14、落性，抗崩性能差及价格昂贵的问题。根据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相沉积(CVD)涂层刀具和物理气相沉积(PVD)涂层刀具。涂层硬质合金刀具一般采用化学气相沉积法，沉积温度在1000左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法，沉积温度在500左右；根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层刀具等。根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即“硬”涂层刀具和 软”涂层刀具。“硬”涂层刀具追求的主要目标是高的硬度和耐磨性，其主要优点是硬度高、耐磨性能好，典型的是TiC和TiN涂层。“软”涂层刀具追求的目标是

15、低摩擦系数，也称为自润滑刀具，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.1左右，可减小粘接，减轻摩擦，降低切削力和切削温度。最近开发了纳米涂层 (Nanoeoating)刀具。这种涂层刀具可采用多种涂层材料的不同组合 (如金属金属、金属陶瓷、陶瓷陶瓷等)，以满足不同的功能和性能要求。设计合理的纳米涂层可使刀具材料具有优异的减摩抗磨功能和自润滑性能，适合于高速干切削。4、陶瓷刀具陶瓷刀具的性能特点如下：硬度高、耐磨性能好：陶瓷刀具的硬度虽然不及PCD和PCBN高，但大大高于硬质合金和高速钢刀具，达到93-95HRA。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，适合于高速切削和硬切削。耐高温、耐热性好：

16、陶瓷刀具在1200以上的高温下仍能进行切削。陶瓷刀具具有很好的高温力学性能， A12O3陶瓷刀具的抗氧化性能特别好，切削刃即使处于赤热状态，也能连续使用。因此，陶瓷刀具可以实现干切削，从而可省去切削液。化学稳定性好：陶瓷刀具不易与金属产生粘接，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减小刀具的粘接磨损。摩擦系数低：陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度。陶瓷刀具有应用可用于加工钢，铸件，车，铣，、加工也都适用。但其脆性大，抗弯能力低，冲击性能差，易崩刃，使其使用范围受到限制，但作为连续切削用的刀具材料，还是有发展前景的。5、金刚石刀具金刚石刀具的性能特点：极高的硬度和耐磨性：天然金刚石

17、是自然界已经发现的最硬的物质。金刚石具有极高的耐磨性，加工高硬度材料时，金刚石刀具的寿命为硬质合金刀具的lO100倍，甚至高达几百倍。 具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其他刀具都低，摩擦系数低，加工时变形小，可减小切削力。切削刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具可高达0.0020.008m，能进行超薄切削和超精密加工。具有很高的导热性能：金刚石的导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，刀具切削部分温度低。具有较低的热膨胀系数：金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，由切削热引起的刀具尺寸的变化很小，这对尺寸精度要求很高的精密和超精密加工来说尤为重

18、要。金刚石刀具的应用。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。6、立方氮化硼刀具有很高的硬度及耐磨性，有较高的热稳定性，可用来加工高温合金，化学惰性很大，与铁族金属在1200-1300时也不易起化学反应，可用于加工淬硬钢及冷硬铸铁，有良好的导热性，较低的摩擦系数，目前不仅用于磨具，也逐渐用于车，镗，铣，绞等。（三）、从切削工序上可分为车削刀具分外圆、内孔、外螺纹、内螺纹，切槽、切端面、切端面环槽、切断等。数控车床一般使用标准的机夹可转位刀具。机夹可转位刀具的刀片和刀体都有标准，刀片材料采用硬质合金、涂层硬质合金以及高速钢。 数控车床机夹可转位

19、刀具类型有外圆刀具、外螺纹刀具、内圆刀具、内螺纹刀具、切断刀具、孔加工刀具（包括中心孔钻头、镗刀、丝锥等）。 机夹可转位刀具夹固不重磨刀片时通常采用螺钉、螺钉压板、杠销或楔块等结构。数控车床使用的刀具从切削方式上分为三类：圆表面切削刀具、端面切削刀具和中心孔类刀具。三、数控加工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，为了达到高效、多能、快换、经济的目的，数控加工刀具与普通金属切削刀具相比，数控机床上用的刀具应满足安装调整方便、刚性好、精度高、耐用度好等要求，它们需具有以下特点：（一）刀片或刀具的耐用度及经济寿命指标的合理性。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

20、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。（二）、刀具或刀片便于切削控制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

21、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。(三）、刀具或刀片几何参数和切削参数的规范化、典型化。刀具应具有较高的精度，包括刀具的形状精度、刀片及刀柄对机床主轴的相对位置精度、刀片及刀柄的转位及拆装的重复精度。刀具切削部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。（四）、刀片、刀柄的定位基准及自动换刀系统要优化刀片及刀柄高度的通用化、规格化、系列化，使刀具应能快速或自动更换，并需有控制和调整尺寸的功能

22、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。四、数控刀具的选择刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容之一，不仅影响机床的加工效率，而且直接影响零件的加工质量。刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的，应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。由于数控机床的主轴转速及范围远远高于普通机床，而且主轴输出功率较大，因此与传统加工方法相比，对数控加工刀具的提出了更高的要求，包括精度高、强度大、刚性好、耐用度高，而且要求尺寸稳定，安装调整方便。这就要求刀具的结构合理、几何参数标准化、系列化。数控刀具是提高加工效率的先决条件之一，它的选用取决

23、于被加工零件的几何形状、材料状态、夹具和机床选用刀具的刚性。应考虑以下方面：（一）、根据零件材料的切削性能选择刀具。目前广泛应用的数控刀具材料主要有金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具和高速钢刀具等。刀具材料总牌号多，其性能相差很大。如，表1-4-2-1各种刀具材料的主要性能指标。数控加工用刀具材料必须根据所加工的工件和加工性质来选择。刀具材料的选用应与加工对象合理匹配，切削刀具材料与加工对象的匹配，主要指二者的力学性能、物理性能和化学性能相匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。表3-3-1各种刀具材料的主要性能指标种类密度(gcm)耐热性硬度抗弯强度/MP

24、a热导率W(m.K)热膨胀系数10-6/0C聚晶金刚石3.473.567008009000HV60011002103.1聚晶立方氮化硼3.443.49130015004500HV5008001304.7陶瓷刀具3.15.O12009l95HRA700150015.O38.07.O9.O硬质合金钨钴类14.O15.58008991.5HRA1000235074.587.937.5钨钴钛类9.O14.O9008992.5HRA800180020.9628通用合金12.014.01000110092.5HRATiC基合金5.O7.O11009293.5HRA115013508.2高速钢8.08.86

25、007006270HRC2000450015.O30.O812 （二）、刀具材料与加工对象的力学匹配切削刀具与加工对象的力学性能匹配问题主要是指刀具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性能参数要相匹配。具有不同力学性能的刀具材料所适合加工的工件材料有所不同。刀具材料硬度顺序为：金刚石刀具立方氮化硼刀具陶瓷刀具硬质合金高速钢。刀具材料的抗弯强度顺序为：高速钢硬质合金陶瓷刀具金刚石和立方氮化硼刀具。刀具材料的韧度大小顺序为：高速钢硬质合金立方氮化硼、金刚石和陶瓷刀具。高硬度的工件材料，必须用更高硬度的刀具来加工，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，其耐磨性就越好。如，硬质合金中含钴量增多时，其强度和韧性增加，硬度降低，适合于粗加工；含钴量减少时，其硬度及耐磨性增加，适合于精加工。具有优良高温力学性能的刀具尤其适合于高速切削加工。陶瓷刀具优良的高温性能使其能够以高的速度进行切削，允许的切削速度可比硬质合金提高210倍。 （三）、切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配问题主要是指刀具材料与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散和溶解等化学性能参数要相匹配。材料不同的刀具所