数控车削刀具选用和数控机床编程及加工

单元4数控车削刀具选用由机床、刀具和工件组成的切削加工工艺系统中，刀具是一个活跃的因素。切削加工生产率和刀具寿命的长短、加工成本的高低、加工精度和加工表面质量的优劣等，在很大程度上取决于刀具类型、刀具材料、刀具结构及其他因素的合理选择。返回任务4.1数控车削刀具及选用【学习目标】通过本任务学习，达到以下学习目标:熟悉数控加工对刀具的要求;熟悉刀具几何参数对刀具性能的影响及选用;熟悉各种刀具材料的性能特点及选用;初步具备根据车削加工情况合理选用刀具的能力【基本知识】为了适应数控加工高速、高效和高自动化程度等特点，数控加工刀具应比传统加工用刀具有更高的要求。数控加工刀具应满足如下要求。下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用数控加工刀具材料应具有高的耐热性、抗热冲击性和高温力学性能;随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多地被采用，数控加工刀具应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。数控加工要求刀具的制造精度要高，尤其在使用可转位结构的刀具时，对刀片的尺寸公差、刀片转位后刀尖空间位置尺寸的重复精度，都有严格的精度要求。数控刀具应能适应快速、准确的自动装卸，要求刀具互换性好、更换迅速、尺寸调整方便、安装可靠、换刀时间短。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用如图4-1-3(b)所示，圆弧形车刀圆心作为刀位点，刀位点轨迹与零件的曲面轮廓相距一个圆弧刃半径。(3)成形车刀成形车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常见的成形车刀有小半径圆弧车刀(圆弧半径等于加工轮廓的圆角半径)、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。在数控加工中选用成形车刀时，应在工艺准备的文件或加工程序单上进行详细的规格说明。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用金属切削加工所用的刀具种类繁多、形状各异，但是它们参加切削的部分在几何特征上都有相同之处。外圆车刀的切削部分可作为其他各类刀具切削部分的基本形态，其他各类刀具就其切削部分而言，都可以看成是外圆车刀切削部分的演变。因此，通常以外圆车刀切削部分为例来确定刀具几何参数的有关定义。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用5.主偏角、副偏角选用调整主偏角可改变总切削力的作用方向，适应系统刚度。如增大主偏角，使背向力(总切削力吃刀方向上的切削分力)减小，可减小振动和加工变形。主偏角减小，刀尖角增大，刀具强度提高，散热性能变好，刀具耐用度提高。还可降低已加工表面残留面积的高度，提高表面质量。副偏角的功用主要是减小副切削刃和已加工表面的摩擦。使主、副偏角减小，同时刀尖角增大，可以显著减小残留面积高度，降低表面粗糙度值，使散热条件好转，从而提高刀具耐用度。但副偏角过小，会增加副后刀面与工件之间的摩擦，并使径向力增大，易引起振动。同时还应考虑主、副切削刃干涉轮廓的问题。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用刃倾角表示刀刃相对基面的倾斜程度，刃倾角主要影响切屑流向和刀尖强度。切削刃刀尖端倾斜向上，刃倾角为正值，切削开始时刀尖与工件先接触，切屑流向待加工表面，可避免缠绕和划伤已加工表面，对精加工和半精加工有利。切削刃刀尖端倾斜向下，刃倾角为负值，切削开始时刀尖后接触工件，切屑流向已加工表面;在粗加工开始，尤其是断续切削时，可避免刀尖受冲击，起保护刀尖的作用，并可改善刀具散热条件。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用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。①硬度和耐磨性。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。②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。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用③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。④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。(1)金刚石刀具材料性能特点及应用金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其他刀具都低，具有很高的导热性能和较低的热膨胀系数，切削刃可以磨得非常锋利，能进行超薄切削和超精密加工。多用于在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削及撞孔。金刚石刀具的不足之处是热稳定性较差，切削温度超过700~800℃时，就会完全失去其硬度;此外，它不适于切削黑色金属，因为金刚石(碳)在高温下容易与铁原子作用，使碳原子转化为石墨结构，刀具极易损坏。(2)立方氮化硼刀具材料性能特点及应用用与金刚石制造方法相似的方法合成的第二种超硬材料—立方氮化硼(CBN)，在硬度和热导率方面仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至1000℃也不发生氧化。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用CBN的突出优点是热稳定性比金刚石高得多，可达1200℃以上(金刚石为700~8000C，另一个突出优点是化学惰性大，与铁元素在1200~1300℃下也不起化学反应。CBN对于黑色金属具有极为稳定的化学性能，可以广泛用于钢铁制品的加工。适于用来精加工各种悴火钢、硬铸铁、高温合金、硬质合金、表面喷涂材料等难切削材料。立方氮化硼刀具材料韧性和抗弯强度较差。因此，立方氮化硼车刀不宜用于低速、冲击载荷大的粗加工;同时不适合切削塑性大的材料(如铝合金、铜合金、镍基合金、塑性大的钢等)，因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤，而使加工表面恶化。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用(3)陶瓷刀具材料性能特点及应用陶瓷刀具材料使用的主要原料是地壳中最丰富的元素，因此，陶瓷刀具的推广应用对提高生产率、降低加工成本、节省战略性贵重金属具有十分重要的意义，也将极大促进切削技术的进步。陶瓷刀具已成为高速切削及难加工材料加工的主要刀具之一。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用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。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。陶瓷刀具具有很好的高温力学性能，在1200℃以上的高温下仍能进行切削。陶瓷刀具可以实现干切削，从而可省去切削液。陶瓷刀具不易与金属产生砧结，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减小刀具的砧结磨损。陶瓷是用于高速精加工和半精加工的主要刀具材料之一。陶瓷刀具适用于切削加工各种铸铁和钢材，也可用来切削铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。陶瓷刀具材料性能上存在着抗弯强度低、冲击韧性差等问题，不适于在低速、冲击负荷下切削。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用(4)涂层刀具材料性能特点及应用对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具是在韧性较好的刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，它将刀具基体与硬质涂层相结合，从而使刀具性能大大提高。涂层刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命和降低加工成本。涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。涂层刀具的切削速度比未涂层刀具可提高两倍以上，并允许有较高的进给量;涂层刀具的寿命也得到提高;加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用随涂层厚度的增加刀具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和，刀具寿命不再明显增加。涂层太厚时，易引起剥离;涂层太薄时，则耐磨性能差。涂层刀片存在重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高以及涂层时间长等不足之处。(5)硬质合金刀具材料性能特点及应用硬质合金材料是由硬度和熔点很高的碳化物[称硬质相主要成分为碳化钨(WC),碳化钛(TiC),碳化钽(TaC),碳化铌(NbC)等]和金属黏结剂(称黏结相常用的金属黏结相是Co)，经粉末冶金方法而制成的。硬质合金刀具，特别是可转位硬质合金刀具，是数控加工刀具的主导产品。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用我国标准把硬质合金分为钨钴类(YG)、钨钴钛类(YT)和添加稀有碳化物类(YW)三类，它们切削性能各有优缺点。ISO(国际标准化组织)将切削用硬质合金分为三类:①K类，包括K10~K40，相当于我国的YG类(主要成分为WC,Co)②P类，包括P01~P50，相当于我国的YT类(主要成分为WC,TiC,Co)③M类，包括M10~M40，相当于我国的YW类[主要成分为WC-TiC-TaC(NbC)-Co]。各个牌号分别以01~50之间的数字表示从高硬度到最大韧性之间的一系列合金。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用硬质合金刀具硬度远高于高速钢，在540℃时，硬度仍可达82~87HRA，与高速钢常温时硬度(83~86HRA)相同。硬质合金的硬度值随碳化物的性质、数量、粒度和金属黏结相的含量而变化，一般随黏结金属相含量的增多而降低。硬质合金是脆性材料，常温下其冲击韧性仅为高速钢的1/30~1/8。金属黏结相含量越高，则抗弯强度也就越高。当黏结剂含量相同时，YG类(WC-Co)合金的强度高于YT类(WC-TiC-Co)合金，并随着TiC含量的增加，强度降低。YG类合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。细晶粒硬质合金(如YG3X,YG6X)在含钻量相同时比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，适用于加工一些特殊的硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钦合金、硬青铜和耐磨的绝缘材料等。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用YT类硬质合金的突出优点是硬度高、耐热性好、高温时的硬度和抗压强度比YG类高、抗氧化性能好。因此，当要求刀具有较高的耐热性及耐磨性时，应选用TiC含量较高的牌号。YT类合金适合于加工塑性材料，如钢材，但不宜加工钦合金、硅铝合金。YW类合金兼具YG,YT类合金的性能，综合性能好，它既可用于加工钢料，又可用于加工铸铁和有色金属。这类合金如适当增加钴含量，强度可很高，可用于各种难加工材料的粗加工和断续切削。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用(6)高速钢刀具的种类和特点及应用高速钢(HighSpeedSteel,HSS)是一种加入了较多的W,Mo,Cr,V等合金元素的高合金工具钢。高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，在复杂刀具，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具，高速钢仍占据主要地位。高速钢刀具易于磨出锋利的切削刃。①通用型高速钢。一般可分钨钢、钨钼钢两类。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。②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。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用(1)切削刀具材料与加工对象的力学性能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。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。具有优良高温力学性能的刀具尤其适合于高速切削加工。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。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用刀具材料的韧性大小顺序为:高速钢>硬质合金>立方氮化硼、金刚石和陶瓷刀具。(2)切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配具有不同物理性能的刀具，如高导热和低熔点的高速钢刀具、高熔点和低热胀的陶瓷刀具、高导热和低热胀的金刚石刀具等，所适合加工的工件材料有所不同。加工导热性差的工件时，应采用导热较好的刀具材料，以使切削热得以迅速传出而降低切削温度。金刚石由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用(3)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。材料不同的刀具所适合加工的工件材料有所不同。各种刀具材料抗黏结温度高低(与钢)为:PCBN>陶瓷>硬质合金>HSS各种刀具材料抗氧化温度高低为:陶瓷>PCBN>硬质合金>金刚石>HSS各种刀具材料的扩散强度大小(对钢铁)为:金刚石>Si3N4基陶瓷>PCBN>A1203基陶瓷。扩散强度大小(对钛)为:A1203基陶瓷>PCBN>SiC>S3N4>金刚石。上一页下一页返回任务4.2数控可转位车刀及刀具系统【学习目标】通过本任务学习，达到以下学习目标:数控车削可转位刀具概念;可转位刀片参数的识记;可转位刀片的选用;可转位刀具的装配下一页返回任务4.2数控可转位车刀及刀具系统①刀片成为独立的功能元件，更利于根据加工对象选择各种材料的刀片，刀片材料可采用硬质合金，也可采用陶瓷、多晶立方氮化硼或多晶金刚石，切削性能得到了扩展和提高。②机械夹固式避免了焊接工艺的影响和限制，避免了硬质合金钉焊时容易产生裂纹的缺点，而且可转位刀具的刀体可重复使用，节约了钢材和制造费用，因此其经济性好。③由于可转位刀片是标准化和集中生产的，刀片几何参数易于一致，换另一个新切削刃或新的刀片后，切削刃空间位置相对刀体固定不变，节省了换刀、对刀等所需的辅助时间，提高了机床的利用率。上一页下一页返回任务4.2数控可转位车刀及刀具系统6—刀片厚度:取舍去小数值的刀片厚度作代号，若舍去小数部分后只剩一位数字，则在该数字前加“0”;当刀片厚度的整数值相同，小数部分值不同时，则将小数部分值大的刀片代号用“T”代替“0”，如刀片厚度分别为3.18mm和3.97mm时，则前者代号为“03”，后者代号为“T3"。7—对于车削刀片，表示转角形状或尖圆角半径，刀片刀尖转角为圆角时，用放大10倍的刀尖圆弧半径作代号。8—对于车削刀片，表示切削刀截面形状，用一个字母表示切削刃形状。F表示尖锐切削刃;E表示倒圆切削刃;T表示倒棱切削刃;S表示倒棱又倒圆切削刃。9—对于车削刀片，表示切削方向，用一个字母表示，R表示右切，L表示左切，N表示左右切。上一页下一页返回任务4.2数控可转位车刀及刀具系统①机床刀架形式。由于机床刀架形式不同，刀具与机床刀架之间的刀夹、刀座等也各异。②刀具形式不同，所需刀夹亦不同。例如，定尺寸刀具(如钻头、铰刀等)与非定尺寸刀具(如一般外圆车刀、内孔车刀等)所需刀夹并不相同。③刀具系统是否需要动力驱动。动力刀夹与非动力刀夹结构也不同。(2)模块式车削工具系统结构模块式车削工具系统一般只有主柄模块和工作模块，较少使用中间模块，以适应车削中心较小的切削区空间，并提高工具的刚性。主柄模块有较多的结构形式。上一页下一页返回任务4.2数控可转位车刀及刀具系统①根据刀具安装方向的不同，有径向模块和轴向模块。②根据加工的需要，有装夹车刀的非动力式模块，也有安装钻头、立铣刀并使其回转的动力式模块。③根据刀具与主轴相对位置的不同，有右切模块和左切模块。④根据机床换刀方式的不同，有手动换刀模块或自动换刀模块。如图4-2-6所示的数控车床的刀具系统，是刀块形式，用凸键定位、螺钉夹紧，定位可靠、夹紧牢固、刚性好，但要手动换装，费时且不能自动松开夹紧。另一种是圆柱柄上铣齿条的结构，可实现自动装卸、自动松开夹紧，换装快捷，如图4-2-5所示的自动装卸模块式车削工具系统。上一页下一页返回任务4.2数控可转位车刀及刀具系统在车削中心上，开发了许多动力刀具刀柄，如能装钻头、立铣刀、三面刃铣刀、锯片、螺纹铣刀和丝锥等的刀柄，用于工件车削后工件固定，在工件端面或外圆上进行各种加工，或工件作圆周进给时在工件端面或外圆上进行加工。【实践任务】4.2.3学会可转位车刀的安装参考可转位刀片实物，观察刀片切削刃形状特征、刀片几何角度，认识可转位刀片标记表示的含义。①认识可转位刀片:VNMG160404T②认识可转位刀具:CVCNR2525M16上一页下一页返回任务4.2数控可转位车刀及刀具系统任务:组装可转位外圆刀具，刀具型号:CVCNR2525M16，刀片型号:VNMG160404T组装方法:参考图4-2-6可转位车刀的安装。安装步骤如下:①认识刀具组成元件、刀片定位夹紧机构特点，了解它们的功用，准备机夹或刀体，规定扳手等工具。②清除安装面及安装配件上的异物，擦拭干净后再安装刀片。③使用规定的刀片或配件。安装时使用规定的扳手按规定的扭矩操作。上一页下一页返回任务4.2数控可转位车刀及刀具系统④确认刀片和配件是否安装牢固。避免切削中脱落飞散，引起伤害。⑤避免刀片或配件安装时拧压过紧造成损伤，不要使用如套管之类的辅助加力工具【知识与技能拓展】4.2.4熟悉可转位刀具选用方法在我国国家标准中，一般夹紧方式有上压式(代码为C)、上压与销孔夹紧式(代码M)、销孔夹紧式(代码P)和螺钉夹紧式(代码S)四种，有的公司还有牢固夹紧式(代码为D)上一页下一页返回任务4.2数控可转位车刀及刀具系统各夹紧方式适用不同形式的刀片，如无孔刀片常用上压式(C型)，陶瓷、立方氮化硼等刀片常用此夹紧方式。D型和M型夹紧可靠，适用于切削力较大的场合，如加工条件恶劣、钢的粗加工、铸铁等短屑材料的加工等。刀片外形与加工的对象、刀具的主偏角、刀尖角和有效刃数等有关。不同的刀片形状有不同的刀尖强度，一般刀尖角大，刀尖强度越大，反之亦然。圆刀片(R型)刀尖角最大，35°菱形刀片(V型)刀尖角最小。在选用时，应根据加工条件恶劣与否，按重、中、轻切削针对性地选择。在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选用刀尖角较大的刀片，反之，机床刚性和功率小、小余量、精加工时宜选用刀尖角较小的刀片。上一页下一页返回任务4.2数控可转位车刀及刀具系统常用的刀片后角有N型(0°),D型(7°),P型(11°),E型(20°)等。一般粗加工、半精加工可用N型;半精加工、精加工可用C型、P型，也可用带断屑槽形的N型刀片;加工铸铁、硬钢可用N型;加工不锈钢可用C型、P型;加工铝合金可用P型、E型等。加工弹性恢复性好的材料可选用较大一些的后角。一般撞孔刀片，选用C型、P型，大尺寸孔可选用N型。切削刃的长度应根据加工余量来定，最多是刃长的2/3参加切削。要考虑到主偏角对有效切削刃长度的影响。上一页下一页返回单元4总结根据加工内容要求、加工条件合理选择切削刀具是加工工艺的重要内容之一。合理选择刀具可考虑以下几点:根据加工结构合理选用刀型;根据加工对象和加工特点选择刀具材料;选择合理的刀具几何参数是保证加工质量、提高效率、降低成本的有效途径。数控加工具有高速、高效和自动化程度高等特点，数控刀具逐渐系列化、标准化和通用化，数控刀具大量采用机夹可转位刀具。我们应熟悉可转位车刀的型号，熟练掌握可转位刀具的组装和刀片转位更换操作。返回数控机床编程及加工机械工程实验教学中心实验目的通过数控机床的加工程序编制，掌握编程的方法及技巧；将在计算机上用OpenSoftCNC软件模拟显示加工过程校验程序，然后在数控机床上对工件进行加工；结合机械加工工艺，实现最优化编程，提高加工质量和生产效率。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理数控编程的目的；数控编程的内容；编程步骤。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理所谓编程，就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质如程序纸带、磁带等，变成数控系统能读懂的信息，再送入数控机床，数控机床的CNC装置对程序经过处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出指令信息，驱动机床完成相应的运动。机械工程实验教学中心数控编程的目的数控编程的基本原理①分析零件图纸，确定加工工艺过程；②计算走刀轨迹，得出刀位数据；③编写零件加工程序；④制作控制介质；⑤校对程序及首件试加工。机械工程实验教学中心数控编程的内容数控编程的基本原理机械工程实验教学中心数控编程的步骤零件图纸分析零件图纸制定工艺规程数学处理编写程序文件制作控制介质程序校验及试切数控机床OpenSoftCNC软件介绍OpenSoftCNC软件包括数控车床模拟仿真和数控铣床模拟仿真系统，由软件+标准硬件系统构成，不要求专用硬件或运动控制卡，所有数控功能和逻辑控制功能均由软件完成，操作界面由系统操作和机床控制两大部分组成。机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍机械工程实验教学中心为例，软件提供下列指令：以数控车床模拟仿真系统（OpenSoftCNC01T）组别指令功能编程格式模态

1G00快速线性移动G00X(U)_Z(W)_√G01直线插补G01X(U)_Z(W)_√G02顺时针圆弧插补G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆时针圆弧插补G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺纹插补G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺纹插补G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X轴返回程序零点G27

G28Z轴返回程序零点G28

G92定义绝对坐标系G92X_Z_√2G04延时G04E_

3M00暂停M00

M02程序结束M02

4M03主轴正转M03√M04主轴反转M04√M