第七章-数控刀具系统

新世纪应用型高等教育机械类课程规划教材机床数控技术JICHUANGSHUKONGJISHU主编魏斯亮黎旭初主审林厚波第七章

数控刀具系统机械数控技术7.1数控刀具的特点7.1数控刀具的特点一、数控刀具的种类1．按刀具的结构分类：（1）整体式刀具：由整块刀具材料根据不同用途专门磨削而成的刀具。优点是结构简单，使用方便，工作可靠，换刀快捷等。（2）镶嵌式刀具：将刀片以焊接或机械夹持的方式镶嵌在刀体上的刀具。（3）减振式刀具：当刀具的工作臂较长时，为了减小刀具在切削时的振动所采用的一种特殊结构的刀具。主要应用于镗孔加工。（4）内冷式刀具：可通过机床主轴或刀盘将切削液自动输送到刀体内部，并从喷嘴自动喷射到切削部位进行冷却的刀具。（5）特殊刀具：包括强力夹紧刀具、挤压螺纹刀具、复合刀具等。一、数控刀具的种类2．按刀具的刀头材料分类：（1）高速钢刀具（2）硬质合金刀具（3）陶瓷刀具（4）超硬刀具一、数控刀具的种类3．按数控刀具的切削工艺分类:（1）车削刀具：外圆车刀、端面车刀和成形车刀等。（2）镗削刀具：单刃镗刀、双刃镗刀和多刃组合镗刀等。（3）钻削刀具：普通麻花钻、可转位浅孔钻和扩孔钻等。（4）铣削刀具：立铣刀、球端铣刀、可转位面铣刀、键槽铣刀、模具铣刀和成形铣刀等。一、数控刀具的种类4．按刀具系统分类：（1）整体式刀具系统（2）模块式刀具系统二、数控刀具的特点1.切削效率高2.精度高3.可靠性和耐用度高4.刀具尺寸能够预调和快速换刀5.具有完善的工具系统6.具有刀具管理系统7.具有在线监测补偿系统7.2数控车床刀具系统一、数控车刀数控车刀按结构不同可分为整体式车刀、焊接式车刀、机夹式车刀和可转位式车刀。目前广泛使用的是机夹可转位不重磨车刀。机夹可转位不重磨车刀的型号表示规则,可参见教材P230表7—1一、数控车刀一、数控车刀一、数控车刀二、车削类工具系统随着车削中心的产生和各种全功能数控车床数量的增加，人们对车削中心和数控车床所使用的刀具提出了更高的要求，形成了一个具有特色的车削类工具系统。数控车削工具系统的构成和结构，与机床刀架的形式、刀具类型及刀具是否需要动力驱动等因素有关。目前广泛采用的德国DIN69880工具系统具有重复定位精度高、夹持刚性好、互换性强等特点，可分为非动力刀夹和动力刀夹两部分。另外一种被广泛采用的整体式车削工具系统是CZG车削工具系统，它与机床连接接口的具体尺寸及规格可参考相关资料。二、车削类工具系统△数控车削加工用工具系统的一般结构体系7.3数控铣床与加工中心刀具系统一、刀柄我国制定的刀具工具标准中，刀柄有直柄(JE)和锥柄(JT)两种形式二、镗铣类工具系统1．整体式结构工具系统整体式结构工具系统将刀柄的柄部和夹持刀具的工作部分做成一体，使用时根据刀具选择不同品种和规格的刀柄即可。二、镗铣类工具系统图示为我国TSG82工具系统的连接组合形式二、镗铣类工具系统2．模块式结构工具系统二、镗铣类工具系统配备完善、先进的镗铣类刀具工具系统是用好数控铣床和数控加工中心的重要环节。目前出现的模块式结构工具系统已达数十种，国内的TMG10工具系统、TMG21工具系统就属于该类,它们之间的主要区别在于分模块的定心方式和锁紧方式各有不同。模块式结构工具系统能更好地适应多品种中小批量零件的加工，且有利于工具的生产、使用和管理，能有效地减少用户厂的工具储备量，因此得到了推广使用。7．4数控机床的对刀装置一、数控机床对刀方式对刀的目的：是为了确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置关系，确保在数控加工时的坐标数值取得协调一致。对刀的方法：对刀过程一般依坐标轴方向分别进行。生产中可以采用试切对刀法，也可以使用对刀量块、Z轴定位器、寻边器等装置来提高对刀效率。为了提高数控机床的开机率，还可以采用机外对刀方式进行对刀。用于机外对刀的装置，通常称为对刀仪(或刀具预调仪)。二、对刀仪对刀仪按检测对象分类，可分为数控车床用的车刀对刀仪、数控镗铣床和加工中心用的镗铣类机外对刀仪，也有综合两类功能的综合对刀仪。1.对刀仪的组成部分(1)刀柄定位机构(2)测头部分(3)轴向尺寸测量机构(4)测量数据处理装置二、对刀仪2．对刀仪的种类（1）车床用光学对刀仪二、对刀仪（2）镗铣类数显对刀仪二、对刀仪3．对刀仪的使用注意事项(1)校正零位：使用之前，进行零位校正。(2)零点漂移：持续较长时间使用对刀仪时，需要定期检查电子元器件的零点位置，以消除零点漂移的不良影响。(3)试切修正：最佳修正值应由操作者根据切削条件和工具系统的刚性，凭经验试切确定。(4)仪器的测量精度：目前情况下，径向精度为±0.0005mm，轴向精度为±0.01mm。三、对刀器对刀器的作用是测定数控刀具与工件的相对位置。对刀器的种类很多，包括对刀量块、Z轴定位器和寻边器等。1．对刀量块对刀量块的使用方法是：在刀具与工件之间放入量块，调整刀具相对于工件和量块的接触松紧程度，使量块在刀具和工件之间刚好轻轻接触，可以微量移动但不会出现晃动，即可认为刀具的长度偏置值为量块的标定高度值。三、对刀器2.Z轴定位器Z轴定位器是用于测量刀具长度补偿值的装置，特别适用于单件、小批量生产。将Z轴定位器放在工件的表面上，使刀具2与检测面1接触，调节刀具位置，使表对零，此时被测刀具的长度偏置值即为Z轴定位器的出厂标定值。三、对刀器3．寻边器按工作原理，寻边器可分为偏心式寻边器和光电式寻边器两种。偏心式寻边器分为上、下两截，用弹簧连接，利用旋转测头的机械偏心摆动幅度来反映被测位置的检测精度。光电式寻边器的内部装有电池，当触头与金属工件接触时LED可发光，使用时不要求主轴转动。借助于光电式寻边器的指示和机床坐标位置的显示，可得到被测表面的准确坐标值；利用球触头的对称性，还可以测量一些简单的三维尺寸。三、对刀器△偏心式寻边器及其应用7．5高速切削专用刀具系统一、高速切削对刀具的要求高速切削对刀具的特殊要求主要有：（1）刀具材料与被加工材料的化学亲和力小；（2）具有优良的力学性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性；（3）具有正确、合理的刀具切削角度，刀尖和刃形结构具有足够的抗磨损能力；（4）刀具系统与数控机床有牢固可靠的连接；（5）刀具系统有可靠的预警功能。二、高速切削的刀片材料高速切削的刀片材料，除应具备所需的硬度和耐磨性、强度和韧性、耐热性、工艺性和经济性外，还应具备高可靠性、高耐热性、抗热冲击性能以及良好的高温力学性能。针对生产中意义重大的铝合金、铸铁、钢和耐热合金等工件材料的高速切削，已发展的刀具材料主要有涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具等，它们各有特点，适用于不同的工件材料和切削速度范围。三、高速切削刀具的刀体结构高速切削刀具在极高的回转速度下工作，刀体和可转位刀片均受到极大的离心力作用，需要十分可靠的刀体结构和刀片夹紧结构。为了调节刀具的不平衡度，在刀体上径向安装了平衡调整螺钉。高速切削中采用的平面铣刀刀体现已使用铝合金制造，其优点是刀具质量约为钢的60％，明显降低了转动惯量，使机床达到主轴最高转速的过渡过程时间大为缩短，且大尺寸刀具不容易产生颤动。为了提高铝合金刀体的表面硬度，可采用表面硬质氧化膜处理，使表面硬度达到350~400HV。钻头、立铣刀等小直径刀具可设计成整体硬质合金刀具，这一类刀具已在模具高速切削中成为主流刀具。三、高速切削刀具的刀体结构为了更好地冷却，出现了带冷却孔结构的刀具设计；为了容易排屑，将钻头的槽设计成抛物线截面；为了得到更好的加工表面，简化后续工序，广泛采用CBN球头立铣刀。断屑刀片在数控机床上已成为重要的断屑手段，由于走刀量和切削深度都影响断屑效果，所以其合理选择和应用较为困难。高速切削刀具的切削部分应尽量短，以提高刀具的刚性和减少刀刃破损的概率。如陶瓷铣刀的切削部分就比较短，而高速钻头副切削刃的倒锥就比较大。三、高速切削刀具的刀体结构下图给出了三种刀体与刀片的安装夹紧形式：四、高速切削刀具的刀柄结构由于高速切削所用刀具的旋转速度极高，无论从保证加工精度方面考虑，还是从操作安全性方面考虑，对刀具的装夹技术都有很高的要求。传统的刀柄连接采用7∶24锥面定心方式，刀具与主轴的连接刚性相对较低，当主轴转速超过10000r／min时，锥孔的大端会产生不可忽视的孔径扩张现象，使刀具的轴向定位精度与连接刚度下降，甚至产生振动加剧的现象。主轴定位锥孔大端的孔径膨胀扩张，还会引起刀柄及夹紧机构质量的偏离，影响主轴的动平衡效果。因此，传统的7∶24锥面定心配合方式，已经远远不能满足高速切削时的刚度与精度要求，需要开发新型的高速工具系统。四、高速切削刀具的刀柄结构△普通标准主轴孔的孔径扩张现象：四、高速切削刀具的刀柄结构将原来的单靠7∶24锥面接触定位方式，改为锥面与端面同时接触的定位方式。改革的本质是采用了过定位方案，使其弥补了单靠7∶24锥面定位方案的许多不足现在，该项改革已经成为高速切削刀具与高速主轴连接的主要结构形式；其中最有代表性的，是德国的HSK刀柄和美国的KM刀柄。△改善刀具与主轴连接的最佳途径：四、高速切削刀具的刀柄结构采用1∶10短锥面与端面双重定位的方案；通过斜楔结构推开开口套筒，使空心柄部产生弹性变形，实现径向定位；再用高精度凸缘面相接触，来保证轴向定位精度和连接刚度；定心精密，连接可靠，从夹持原理上消除了离心力作用的不良影响。△德国亚琛工业大学开发的HSK刀柄四、高速切削刀具的刀柄结构采用1∶10短锥空心刀柄；刀柄设计为中空结构；在拉杆轴向拉力的作用下，空心刀柄的短锥面径向收缩，实现端面与锥面同时接触定位；该刀柄的锥柄直径较小，在高速旋转时的径向扩张量小，高速性能好。△美国Kennametal公司与德国Widia公司联合研制的KM刀柄五、高速切削刀具的安全性高速切削时，高速旋转的刀具积蓄了巨大的能量，承受着巨大的离心力。例如，当主轴转速达到40000r／min时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎片就像出膛的子弹，可能造成重大事故和伤害。对于机夹可转位不重磨铣刀，其高速切削安全性除了刀体的自身强度之外，还有零件、刀片夹紧的可靠性问题。根据计算和试验，机夹可转位不重磨铣刀在高速旋转条件下的失效有两种形式：一种形式是夹紧刀片的螺钉被剪断，刀片或其他夹紧元件被甩飞；另一种形式是刀体发生爆裂破碎。日本三菱金属公司开发的OCATCUT系列高速铣刀，其刀座与刀片结构如图所示；它利用刀片底面的圆键孔与刀体上的圆环凸台相互接触配合，改善了刀片夹紧的可靠性；这类铣刀刀片的被甩飞失效转速可提高24％。△有孔刀片的防甩飞结构：五、高速切削刀具的安全性右图所示为无孔刀片的防甩飞设计这种结构可以用于16000r/min转速范围内。△无孔刀片的防甩飞结构：五、高速切削刀具的安全性《高速旋转铣刀的安全性要求》标准规定：用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940—1规定的G1平衡质量等级以上。要想达到如此高等级的动平衡要求，采用常规方法对主轴零件分别进行动平衡是不够的，还必须在组装之后进行整体精确动平衡，甚至还要专门的自动平衡系统来实现主轴在线动平衡，以确保主轴高速刀具系统的高速切削平稳运行。六、高速切削刀具的动平衡引起高速刀具系统动不平衡的主要因素有：六、高速切削刀具的动平衡刀具平衡极限和残余不平衡度、刀具结构不平衡度、刀柄不对称度、刀具及夹头的安装(如单刃镗刀)不对称度、主轴—刀具界面上的径向装夹精度、主轴的磨损与回转精度、刀具与主轴接合面上的杂物颗粒污染等。△对不同机床的动平衡要求是：六、高速切削刀具的动平衡普通机床的旋转件G6.3；普通刀柄和机床传动件G2.5；磨床及精密机械旋转件G1.0；精密磨床主轴及部分高速电主轴G0.4；6000r／min以上的高速切削刀具和刀柄系统的动平衡等级必须≤G2.57.6数控车床的刀架数控回转刀架是一种简单的自动换刀装置，