《数控加工工艺》教学参考-教案讲义第5章

第5章数控加工刀具教学重点、难点教学重点了解刀具的材料特点、分类以及磨损等方面的知识，要求同学们掌握刀具角度在实际生产中对加工精度的影响，学会选择刀片以及刀柄。教学难点刀具角度在实际生产中对加工精度的影响。5.1数控加工特点及刀具要求1.数控加工的特点

1）工序集中工序集中可以带来巨大的经济效益，工序集中的特点：

(1)减少机床占地面积，节约厂房。

(2)减少或没有中间环节（如半成品的中间检测、暂存搬运等），既省时间又省人力。

(3)工序集中有利于刀具的标准化、系列化，但同时对刀具材料性能提出了更高的要求。２）加工自动化

(1)对操作工人的要求降低。

(2)降低了工人的劳动强度。

(3)产品质量稳定。

(4)加工效率高。３）柔性化高４）加工能力强2.数控刀具的性能要求

数控刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，只有达到这些要求才能使数控机床真正发挥作用，其主要性能要求如下：

(1)较好的刚性（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及热变形小；具有很高的切削效率。

(2)良好的互换性，便于快速换刀。如数控机床采用人工换刀，则使用快换夹头，而有刀库的加工中心，则可实现自动换刀。

(3)有很高的可靠性和耐用度，寿命高，切削性能稳定、可靠。

(4)要可以实现刀具尺寸的预调，便于尺寸调整，以减少换刀调整时间，提高加工效率。

(5)刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除。

(6)刀具应系列化，标准化，以利于编程和刀具管理。

(7)应有在线监控及尺寸补偿系统。5.2常用的刀具材料5.2.1高速钢

高速钢是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢，适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。1.高速钢的分类

1）按用途分高速钢可分为通用高速钢和高性能高速钢。

2）按制造工艺分高速钢可分为熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。

3）按基本化学成份分高速钢可分为钨系高速钢和钼系高速钢。2.常用高速钢的牌号与性能

1）通用型高速钢

2）高性能高速钢

3）粉末冶金高速钢5.2.2硬质合金

硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金属黏结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。（1）钨钴类硬质合金（WC+Co），代号为YG，属K类。合金中含钴量愈高，韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加工。YG(K)类硬质合金，有较好的韧性、磨削性、导热性，适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。（2）钨钛钴类硬质合金（WC+TiC+Co），代号为YT，属P类。它以WC为基体,添加TiC，用Co作黏结剂烧结而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。（3）钨钛钽（铌）类硬质合金[WC+TiC+TaC+（NbC）+Co]，代号为YW，属M类。它在YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC，这样可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等。它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。5.2.3涂层刀具材料

目前常用的涂层方法是化学气相沉积法CVD和物理气相沉积法PVD，其他方法如等离子喷涂、火焰喷涂、电镀、溶盐电解等还存在较大的应用局限性。常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层8大类数十个品种。目前，单涂层刀片已很少用，大多采用TiC涂层、TiN涂层、TiC-TiN复合涂层、TiC-Al2O3复合涂层等。5.2.4其他刀具材料

1.陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、与金属亲和力小、化学稳定性好等特点，被广泛地应用于切削加工淬火钢、合金钢、各种难切削的铸铁、镍基高温合等材料等。目前，市场上常见的陶瓷刀具主要有：

1）氧化铝陶瓷刀具

2）氧化铝—金属系陶瓷刀具

3）氧化铝—碳化物系陶瓷刀具

4）氧化铝—碳化物金属系陶瓷刀具

5）氧化铝—氮化物金属系陶瓷刀具

6）氮化硼系陶瓷刀具2.金刚石刀具材料可以制成切削刀具的金刚石材料有天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、化学气相沉积法制成的金刚石厚膜、人造聚晶金刚石复合片等。3.立方氮化硼5.3刀具切削部分的几何参数5.3.1刀具的构成

外圆车刀的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部(或刀杆)，如图5-1所示。图5-1外圆车刀的结构5.3.2刀具的标注角度1.确定刀具标注角度参考系

确定刀具标注角度参考系时需做两个假定：

1）假定运动条件给出刀具假定主运动方向和假定进给方向，而不考虑进给运动的大小。

2）假定安装条件刀具安装基准面垂直于主运动方向，刀杆的中心线与进给运动方向垂直，刀具刀尖高与工件中心轴线等高。2.刀具标注角度的参考系

1）基面基面Pr通过主切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。

2）切削平面切削平面Ps通过主切削刃上选定点，与主切削刃相切，且垂直于该点基面的平面。

3）正交平面正交平面Po通过主切削刃上选定点，垂直于基面和切削平面的平面。3.刀具标注角度

1）基面中测量的刀具角度（1）主偏角。主偏角kr是指主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角，主偏角一般为正值。（2）副偏角。副偏角k'r是指副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角，副偏角一般为正值。（3）刀尖角。刀尖角εr是指主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，是派生角度。

εr＝180°-(kr

＋kr′)（5-1）式（5-1）为标注角度是否正确的验证公式之一。2）切削平面中测量的刀具角度。刃倾角λs是指主切削刃与基面间的夹角，刃倾角有正负之分，也可为0。当主切削刃呈水平时，λs＝0；刀尖为主切刃上最高点时，λs＞0；刀尖为主切刃上最低点时，λs＜0。3）正交平面中测量的刀具角度（1）前角。前角γo是指在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角，根据前刀面和基面的相对位置不同分别规定正前角、零度前角和负前角。（2）后角。后角αo是指在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角，后角一般为正值。（3）楔角。楔角βo是指前面与后面之间的夹角，它是个派生角。

βo＝90°－(γo＋αo)（5-2）式（5-2）也是判断标注是否正确的验证式之一。5.3.3刀具角度的选择1.前角的选择前角是刀具上重要的几何参数之一，它的大小决定切削刃的锋利程度和强固程度，直接影响切削过程。选择前角时首先应保证切削刃锋利，同时又要兼顾足够的切削刃强度。在保证加工质量的前提下，一般以达到最高的刀具寿命为目的。2.后角的选择后角的作用主要是减小后面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦，影响楔角的大小，从而可配合前角调整切削刃的锋利程度和强度。它影响刀具耐用度和加工表面质量，适当增大后角可提高刀具耐用度。3.主偏角的选择主偏角对刀具耐用度影响很大，随着主偏角减小，刀具耐用度提高。主偏角减小，则刀尖角增大，使刀尖强度提高，散热体积增大。4.副偏角的选择副偏角Kr的大小主要影响刀具耐用度和已加工表面质量。一般刀具的副偏角，在工艺系统刚性较好，不产生振动的情况下，可选取较小的数值，如取5°～10°。精加工刀具的副偏角应取得更小一点，必要时，可磨出一段副偏角为0°的修光刃，切断刀和切槽刀由于结构强度的限制，只能取很小的副偏角，通常取1°～3°。5.刀尖形状及尺寸选择

刀尖是切削刃上工作条件最恶劣、构造最薄弱的部位，刀尖处强度差，散热条件不好，故切削温度高、易磨损。强化刀尖可显著提高刀具耐用度。同时刀尖部分的形状对已加工表面的粗糙度值也有很大的影响。硬质合金和陶瓷车刀刀尖圆弧半径一般可取0.5～1.5mm，对高速钢车刀可取1～3mm。

6.刃倾角的选择

刃倾角可以控制切屑流出方向，刃倾角取正切屑流向待加工表面，刃倾角取负切屑流向已加工表面，刃倾角取零切屑向下流出，所以在精车时，希望取正刃倾角，以使切屑流向待加工表面，防止缠绕和划伤已加工表面。一般情况下刃倾角的选择如下：（1）加工一般钢料和灰铸铁时，粗车取0°～5°，精车时取

0°～+5°；有冲击负荷时取-5°～-15°；当冲击特别大时，可取-30°～-45°。（2）加工高强度钢、高锰钢、淬硬钢时，可取-5°～-15°或负数的绝对值更大一些。（3）工艺系统刚性不足时，尽量不采用负刃倾角。5.4刀具的磨损和耐用度5.4.1刀具易磨损的部位

切削时，刀具的前刀面与切屑、后刀面和工件接触，产生剧烈摩擦，同时在接触区内有很高的温度和压力，因此，前刀面和后刀面都会发生磨损，如图5-4。图5-4刀具的磨损形式1.前刀面磨损

切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，在刀具前刀面上经常会磨出一个月牙洼，因此，前刀面磨损也称为月牙洼磨损。2.后刀面磨损

由于加工表面和刀具后刀面间存在着强烈的摩擦，后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，即为后刀面磨损。加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小的情况下切削塑性材料时，刀具磨损主要为后刀面磨损。3.边界磨损切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损。加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。5.4.2刀具磨损的类型1.硬质点磨损切削时，切屑、工件材料中含有的一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等，可在刀具表面刻划出沟纹，这就是硬质点磨损。2.粘结磨损切削时切屑、工件与前、后刀面之间，存在着很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。3.扩散磨损在切削高温下，刀具表面与切出的工件、切屑新鲜表面接触，刀具和工件、切屑双方的化学元素互相扩散到对方去，改变了原来材料的成分与结构，削弱了刀具材料的性能，加速磨损过程。4.化学磨损在一定温度下，刀具材料与某些周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为化学磨损。图5-6切削速度对刀具磨损强度的影响1—硬质点磨损；2—黏结磨损；3—扩散磨损；4—化学磨损5.4.3刀具磨损过程及磨钝标准

1.刀具磨损过程

1）初期磨损阶段

2）正常磨损阶段

3）急剧磨损阶段

图5-7

典型的刀具磨损曲线2.刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。规定磨钝标准有两种考虑方法：一种是充分利用正常磨损阶段的磨损量，来充分利用刀具材料，减少换刀次数，它适用于粗加工和半精加工；另一种是根据加工精度和表面质量要求确定磨钝标准，此时，VB值应取较小值，称为工艺磨钝标准。5.4.4刀具耐用度1.刀具耐用度的定义

刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间称为刀具耐用度，以T表示。2.耐用度对切削加工的影响

（1）在相同切削条件下切削某种工件材料时，可以用耐用度来比较不同刀具材料的切削性能。（2）同一刀具材料切削各种工件材料，可以用耐用度来比较材料的切削加工性。（3）用耐用度来判断刀具几何参数是否合理。3.影响耐用度的因素对于某一切削加工，当工件、刀具材料和刀具几何形状选定之后，切削用量是影响刀具耐用度的主要因素。一般，切削速度νc对刀具耐用度的影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap最小。图5-8刀具耐用度T与生产率P、加工成本C的关系4.刀具耐用度的选择

在实际生产中，刀具耐用度T同生产效率P和加工成本C之间存在着较复杂的关系，如图5-8所示。刀具耐用度并不是越高越好，如果把刀具耐用度选得过高，则切削用量势必被限制在很低的水平，虽然此时刀具的消耗及其费用较少，但过低的加工效率也会使经济效果变得很差。若刀具耐用度选得过低，虽可采用较高的切削用量使金属切除量增多，但由于刀具磨损加快而使换刀、刃磨的工时和费用显著增加，同样达不到高效率、低成本的要求。5.4.5刀具的破损

刀具破损和磨损一样，也是刀具主要失效形式之一。1.刀具的脆性破损刀具的脆性破损是指刀具没有发生形变的破损。其表现形式主要有以下几种。

1）崩刃

2）碎断

3）剥落

4）裂纹破损2.刀具的塑性破损

切削时，由于高温和高压的作用，有时在前、后刀面和切屑、工件的接触层上，刀具表层材料发生塑性流动而丧失切削能力，这就是刀具的塑性破损。3.防止刀具破损的措施

1）合理选择刀具材料的牌号。

2）选择合理的刀具角度。

3）选择合适的切削用量。

4）尽量采用可转位刀具。

5）要尽可能地保证工艺系统有较好的刚性，以减小切削时的振动。5.5数控刀具的分类5.5.1常规数控刀具的类型1.按刀具结构分

1）整体式整体式是指刀具切削部分与刀柄部分是一个整体，常见的主要有利用高速钢材料制造的切断刀、钻头、丝锥、铰刀、立铣刀等刀具。

2）镶嵌式镶嵌式是采用焊接式或机夹式连接，如图5-9所示和如5-10所示。机夹式又可分为不转位和可转位两种。

3）特殊形式特殊形式的有复合式刀具、减震式刀具等。图5-9

焊接式车刀图5-10

机夹式车刀2.按刀具材料分

1）高速钢刀具如图5-12所示，其刀具材料为高速钢，通常制成整体式刀具，常用于低速加工。

2）硬质合金刀具如图5-13所示，其刀头材料为硬质合金，通常用于焊接式刀具和机夹式刀具中，如车刀、铣刀、镗刀、拉刀等。

3）金刚石刀具刀具材料比较昂贵，主要用于非铁金属的精加工。

4）其他材料刀具如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等。图5-12

高速钢刀具图5-13硬质合金刀片3.按切削工艺分

1）车削刀具车削刀具有外圆、内孔、外螺纹、内螺纹，切槽、切端面、切端面环槽、切断等，如图5-14所示。

2）钻削刀具有钻头、铰刀、丝锥等。

3）镗削刀具有粗镗刀精镗刀等。

4）铣削刀具有键槽铣刀、齿轮铣刀、三面刃铣刀、立铣刀、面铣刀、周铣刀等。

5）拉削刀具有矩形花键拉刀、渐开线花键拉刀、键槽拉刀等。

6）齿轮加工刀具有齿轮滚刀、齿轮插刀、齿轮铣刀等。图5-14

各种常见车刀及刀片5.5.2模块化刀具系统

发展模块化刀具的主要优点有：减少换刀停机时间，提高生产加工时间；加快换刀及安装时间，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。模块化刀具系统的发展已形成了3大系统：

1.车削刀具系统

2.钻削刀具系统

3.铣镗刀具系统5.5.3可转位刀片及其型号含义

ISO标准和我国标准规定了可转位刀片型号的含义。可转位刀片的型号共用10个号位的内容来表示主要参数的特征。按照规定，任何一个型号刀片都必须用前7个号位，后3个号位在必要时才使用。但对于车刀刀片，第10号位属于标准要求标注的部分。不论有无第8、第9两个号位，第10号位都必须用短横线“-”与前面号位隔开，并且其字母不