数控加工工艺基本知识课件.ppt

第二章 数控加工工艺基本知识,第一章 数控机床概述,内容提要： 本章主要介绍数控加工工艺系统组成、数控刀具的主要种类和特点、数控加工工艺等内容。,*,1,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,一 数控加工工艺系统组成,工艺系统：由机床、夹具、刀具和工件等组成的统一体。,1.1.3 数控刀具的主要种类和特点 1数控加工刀具的种类 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有：1)减少换刀停机时间，提高加工生产效率和缩短换刀及安装时间，提高小批量生产的经济性；,*,2,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,2)提高刀具的标准化和合理化的程度；3)提高刀具的管理及柔性加工的水平；4)扩大刀具的利用率，充分发挥刀具的性能；5)有效地消除刀具测量工作的中断现象，可采用线外预调。由于模块化刀具的发展，数控刀具已形成了3大系统，即车削刀具系统、钻削刀具系统和镗铣刀具系统。,*,3,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,(1) 从结构上对数控加工刀具的分类,整体式。 镶嵌式。又分为焊接式和机夹式。根据刀体结构不同，机夹式分为可转位和不转位。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。 内冷式。切削液通过刀体内部由喷孔喷射到刀具的切削刃部。特殊型式。如复合刀具、可逆攻螺纹刀具等。,*,4,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,(2)从制造所采用的材料上对数控加工刀具的分类,高速钢刀具。高速钢通常是型坯材料，韧性较硬质合金好，硬度、耐磨性和高温硬度较硬质合金差，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，适用于各种特殊需要的非标准刀具。 硬质台金刀具。硬质舍金刀具切削性能优异，在数控车削中被广泛使用。硬质合金刀具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。,*,5,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,陶瓷刀具。 立方氮化硼刀具。 金刚石刀具。,(3) 从切削工艺上对数控加工刀具的分类,1)车削刀具 分外圆、内孔、外螺纹、内螺纹以及切槽、切端面、切端面环槽和切断等。 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。,*,6,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,数控车床机夹可转位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、镗刀和丝锥等)。,机夹可转位刀具夹固较轻的磨刀片时通常采用螺钉、螺钉压板、杠销或楔块等结构。 常规车削刀具为长条方形刀体或圆柱刀杆。 方形刀体一般用槽形刀架螺钉紧固方式固定。圆柱刀杆是用套筒螺钉紧固方式固定。它们与机床刀盘之间的联接是通过槽形刀架和套筒接杆来联接的。,*,7,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,数控车刀,*,8,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,在模块化车削工具系统中，刀盘的联接以齿条式柄体联接为多，而刀头与刀体的联接是“插入快换式系统”。它既可以用于外圆车削又可用于内孔镗削，也适用于车削中心的自动换刀系统。 数控车床使用的刀具从切削方式上分为圆柱表面切削刀具、端面切削刀具和中心孔类刀具3类。,*,9,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,*,10,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,*,11,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,2)钻削刀具 分小孔、短孔、深孔、攻螺纹、扩孔和铰孔等。 钻削刀具可用于数控车床、车削中心，又可用于数控镗铣床和加工中心。因此它的结构和联接形式有多种，如直柄、直柄螺钉紧定、锥柄、螺纹联接、模块式联接(圆锥或圆柱联接)等。,*,12,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,镗刀从结构上可分为整体式镗刀柄、模块式镗刀柄和镗头类。从加工工艺要求上可分为粗镗刀和精镗刀。,3) 镗削刀具,4) 铣削刀具 a 面铣刀,面铣刀主要用于加工较大的平面。如图1-7所示，面铣刀圆周表面和端面上都有切削刃，圆周表面的切削刃为主切削刃，端面切削刃为副切削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构，刀齿材料为高速钢或硬质台金，刀体为40Cr。目前数控铣床上使用的面铣刀多为硬质合金面铣刀。,*,13,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,规格外径主要有:40，50 63 80 100 125 160 200 250 315 350 400 500 630 800 mm 其他就非标了,*,14,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,按刀片和刀齿的安装调整方式，硬质合金面铣刀分为整体焊接式、机夹焊接式和可转位式3种。可转位式面铣刀在提高加工质量和加工效率、降低成本、方便操作使用等方面都表现出明显的优越性，目前已得到广泛应用。 粗铣时，铣刀直径要小些，可减少切削扭矩。精铣时，铣刀直径要选大些尽量包容零件整个加工宽度，以提高加工精度和效率，并减小相邻两次进给之间的接刀痕迹.,*,15,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,b 立铣刀 立铣刀是数控加工中使用最多的一种铣刀，主要用于加工凹槽、较小的台阶面及平面轮廓等。如图1 -8所示，立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，既可以同时进行切削也可以单独进行切削。圆柱表面的切削刃为主切削刃，端面上的切削刃为副切削刃。普通立铣刀的端面中心处无切削刃，故一般立铣刀不宜作轴向进给。通常直径在41 6的立铣刀制成整体式结构，直径1 6以上的制成焊接式或可转位式结构。,*,16,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,按照国家标准规定：立铣刀直径为2-50毫米，可分为粗齿与细齿两种。直径2-20为直柄范围，直径14-50为锥柄范围,*,17,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,为了能加工较深的沟槽，并保证有足够的备磨量，立铣刀的轴向长度一般较长。为了提高槽宽的加工精度，加工时可采用直径比槽宽小的铣刀，先铣槽的中间部分，然后用刀具半径补偿功能铣槽的两边。另外，为了改善切屑卷曲情况，增大容屑空间，防止切屑堵塞，立铣刀的刀齿数比较少(2-4刃)，容屑槽圆弧半径则较大。,*,18,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,模具铣刀主要用于加工模具型腔、空间曲面等。如图l-9所示，模具铣刀由立铣刀演变而来，常用的有圆锥形铣刀、圆柱形球头铣刀和圆锥形球头铣刀3种。因球头和端面布满了切削刃，经刀尖、圆周刃与球头刃圆弧相连，可做轴向和径向进给。,C 模具铣刀,*,19,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,键槽铣刀主要用于加工封闭的键槽。如图1一10所示，键槽铣刀结构与立铣刀相近，圆柱面和端面都有切削刃，它只有2个刀齿，端面刃延至中心，既像立铣刀，又像钻头。加工时，先沿轴向进给达到键槽深度，然后沿键槽方向铣出键槽全长。,d键槽铣刀,*,20,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,成形铣刀一般都是为了加工特定的零件而专门设计制造的，如各种直形或圆弧形的凹槽、燕尾槽和斜角面等。几种常见的成形铣刀如图1-11所示。,e成形铣刀,*,21,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,特殊型刀具有带柄自紧夹头刀柄、强力弹簧夹头刀柄、可逆式(自动反向)攻螺纹夹头刀柄、增速夹头刀柄二复合刀具和接杆类等。,(4)特殊型刀具,2数控加工刀具的特点,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应具有以下特点； 刀片及刀柄高度通用化、规格化和系列化。 刀片或刀具的耐用度及经济寿命指标合理化。 刀具或刀片几何参数和切削参数规范化、典型化。,*,22,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,刀片或刀具材料及切削参数与被加工材料之间应相匹配。 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。 刀柄的强度要高、刚性及耐磨性要好。 刀柄或工具系统的装机重量有限度要求。 刀片及刀柄切入的位置和方向有要求。 刀片、刀柄的定位基准及自动换刀系统要优化。 数控机床上用的刀具应满足安装调整方便、刚性好、精度高和耐用度好等要求。,*,23,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,1.1.4 数控机床夹具的类型和特点,应用机床夹具，有利于保证工件的加工精度，稳定产品质量；有利于提高劳动生产率和降低成本；有利于改善工人劳动条件，保证安全生产；有利于扩大机床工艺范围，实现“一机多用”。,1机床夹具的类型,夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程。,*,24,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,机床夹具的种类繁多，可以从不同的角度对机床夹具进行分类。常用的分类方法有以下几种。,(1)按夹具的使用特点分类 根据夹具在不同生产类型中的通用特性，机床夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和拼装夹具5大类。,1)通用夹具已经标准化的可加工一定范围内不同工件的夹具，称为通用夹具，其结构、尺寸已规格化，而且具有一定通用性，如三爪自定心卡盘、机床用平口虎钳、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架和磁力工作台等。,*,25,现代数控技术,*,26,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,这类夹具适应性强，可用于装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。这些夹具已作为机床附件由专门工厂制造供应，只需选购即可。其缺点是夹具的精度不高，生产率也较低，且较难装夹形状复杂的工件，故一般适用于单件小批量生产。,2）专用夹具 专为某一工件的某道工序设计制造的夹具，称为专用夹具。在产品相对稳定、批量较大的生产中采用各种专用夹具，可获得较高的生产效率和加工精度。专用夹具的设计制造周期较长、投资较大。,*,27,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,某些元件可调整或更换，以适应多种工件加工的夹具。可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。对不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。它一般又可分为通用可调夹具和成组夹具两种。前者的通用范围比通用夹具更大；后者则是一种专用可调夹具，它按成组原理设计并能加工一组相似的工件，故在多品种、中小批量生产中使用有较好的经济效果,3）可调夹具,*,28,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,采用标准的组合元件、部件，专为某一工件的某道工序组装的夹具。组合夹具是一种模块化的夹具。,标准的模块元件具有较高精度和耐磨性，可组装成各种夹具。,4）组合夹具,*,29,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,5）拼装夹具,用专门的标准化、系列化的拼装零部件拼装而成的夹具，称为拼装夹具。它具有组合夹具的优点。但比组合夹具精度高、效能高、结构紧凑。它的基础板和夹紧部件中常带有小型液压缸。此类夹具更适合在数控机床上使用。,*,30,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,夹具按使用机床不同，可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具、数 控机床夹具、自动机床夹具、自动线随行夹具以及其他机床夹具等。,（2）按使用机床分类,夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具以及真空夹具等。,（3） 按夹紧的动力源分类,*,31,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,2数控加工夹具的特点,作为机床夹具，首先要满足机械加工时对工件的装夹要求，同时，数控加工的夹具还有它本身的特点。 数控加工的夹具应具有柔性，经过适当调整即可夹持多种形状和尺寸的工件。数控加工适用于多品种、中小批量生产，要能装夹不同尺寸、不同形状的多品种工件。,只具有定位和夹紧功能，就能满足使用要求，这样可简化夹具的结构。,*,32,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,传统的专用夹具具有定位、夹紧、导向和对刀4种功能，而数控机床上一般都配备有接触式测头、刀具预调仪及对刀部件等设备，可以由机床解决对刀问题。数控机床上由程序控制的准确的定位精度，可实现夹具中的刀具导向功能。,为适应数控加工的高效率，数控加工夹具应尽可能使用气动、液压、电动等自动夹紧装置快速夹紧，以缩短辅助时间。,*,33,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,夹具本身应有足够的刚度，以适应大切削用量切削。数控加工具有工序集中的特点，在工件的一次装夹中既要进行切削力很大的粗加工，又要进行达到工件最终精度要求的精加工，因此夹具的刚度和夹紧力都要满足大切削力的要求。,夹具结构不要妨碍刀具对工件各部位的多面加工。数控机床属于多面加工，要避免夹具结构包括夹具上的组件对刀具运动轨迹的干涉。,*,34,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,夹具的定位要可靠，定位元件应具有较高的定位精度，定位部位应便于清屑，无切屑积留。如工件的定位面偏小，可考虑增设工艺凸台或辅助基准。,对刚度小的工件，应保证最小的夹紧变形。如使夹紧点靠近支承点，避免把夹紧力作用在工件的中空区域等。当粗加工和精加工同在一个工序内完成时，如果上述措施不能把工件变形控制在加工精度要求的范围内，应在精加工前使程序暂停，让操作者在粗加工后精加工前变换夹紧力(适当减小)，以减小夹紧变形对加工精度的影响。,*,35,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,1.2 数控刀具,对于切削加工来说数控机床的一次性投资是很高的，而这些先进设备的效率能否发挥出来，很大程度上取决刀具材料及其性能的好坏。,刀具材料从碳素工具钢的应用，高速钢的问世，直至今天的硬质合金和超硬材料(陶瓷、立方氯化硼、聚晶金刚石)的出现，都是随着机床的主轴转速、功率增大，主轴精度和定位精度的提高，机床刚性的增加而逐步发展的。,*,36,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,1.2.1 数控刀具材料,1切削用刀具材料应具备的性能金属加工时，刀具受到很大的切削压力、摩擦力和冲击力，产生很高的切削温度。在这种高温、高压的摩擦环境下工作，刀具材料需满足以下一些基本要求。,(1)高硬度 刀具是从工件上切除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料的最低硬度应在60 HRC以上。,*,37,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62 HRC以上；高速钢硬度为6370 HRC；硬质台金刀具硬度为8993 HRC,(2)高强度与强韧性 刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。,如切削45钢，在背吃刀量ap=4 mm、进给量，f=0. 5 mmr的条件下，刀片所承受的切削力达到4 000 N.一般刀具材料的韧性用冲击韧度ak表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。,*,38,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,刀具耐磨性是指刀具抵抗磨损的能力。一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点越多、颗粒越小、分布越均匀则刀具耐磨性越好。 刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温时抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。,(3) 较强的耐磨性和耐热性,*,39,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。另外刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也越强。,(4) 优良的导热性,(5)良好的工艺性和经济性 刀具不但要有良好的切削性能，本身还要易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、高温塑性变形等功能。此外，经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本。,*,40,现代数控技术,*,41,现代数控技术,2各种刀具材料,*,42,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,(1) 高速钢它是一种成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒、钴等碳化物形成元素。合金元素总量达1025%左右。高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢。它在高速切削产生高热情况下(约600)仍能保持高的硬度，HRC能在60以上。这就是高速钢最主要的特性红硬性。,*,43,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,高速钢还具有热处理变形小、能锻造、易磨出较锋利的刃口等优点，特别适合于制造各种小型及形状复杂的刀具，如成形车刀、各种钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具和螺纹刀具等。,按所含合金元素不同可分为：钨系高速钢（含钨 918%）；W18Cr4V （较少用了）钨钼系高速钢（含钨512%,含钼26%）；W6M05Cr4V2 ，W9M03Cr4V （加工各种钢材时，其刀具寿命比W18Cr4V和W6MoSCr4V2都有一定的提高。）,*,44,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,钒高速钢，按含钒量的不同又分一般含钒量（含钒 12%)和高含钒量(含钒2.55%)的高速钢；钴高速钢（含钴 510%）。,高速钢已从单纯的W系列发展到WMo系、WMoAl系、WMoGo系，其中WMoAl系是我国独创的品种,高钼系高速钢（含钨02%,含钼510%）；,*,45,现代数控技术,*,46,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,硬质合金是将钨钴类(WC)，钨钛钴类(WCTiC)，钨钛钽(铌)钴类(WCTiC Tac)等硬质碳化物以CO为结合剂烧结而成的物质,(2)硬质合金,*,47,现代数控技术,硬质合金焊接刀片硬度高（8693HRA，相当于6981HRC）； 热硬性好（可达9001000，保持60HRC）； 耐磨性好。 硬质合金刀具比高速钢切削速度高47倍，刀具寿命高580倍。制造模具、量具，寿命比合金工具钢高 20150倍。可切削50HRC左右的硬质材料。 但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体或模具体上使用。,性能特点,*,48,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,1)K类 国家标准YG类，成分为WC（硬质相）+Co（粘结相）主要用于：加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料。主要成分为碳化钨和310钴，有时还含有少量的碳化钽等添加剂。如YG3 YG3X YG6 YG6X YG8 YG8C,接ISO标准主要以硬质合金的硬度、抗弯强度等指标为依据，硬质舍金刀片材料大致分为P，M，K等3大类。,*,49,现代数控技术,国家标准YT类，成分为wc+TiC+CO（粘结相）。主要用于：加工长切屑的黑色金属。主要成分为碳化钛、碳化钨和钴(或镍)，有时加入碳化钽等添加剂.牌号：YT5 YT14 YT15 YT30,2)P类,*,50,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,3)M类 国家标准Yw类，成分为wc+T1c+Tac（NbC）-CO（粘结剂）.主要用于：适于加工长切屑（钢）或短切屑（铸铁）的黑色金属和有色金属。牌号：YW1 YW2,*,51,现代数控技术,性能总结,*,52,现代数控技术,*,53,现代数控技术,常用用途,*,54,现代数控技术,硬质合金选用,*,55,现代数控技术,*,56,现代数控技术,*,57,现代数控技术,*,58,现代数控技术,1、超细晶粒硬质合金超微粒子硬质合金，可以认为从属于K类。但因其烧结性能上要求结合剂Co的含量较高，故高温性能较差，大多只使用于钻、铰等低速切削工具。,新型硬质合金,2、涂层硬质合金刀片是在韧性较好的工具表面利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而获得的，使刀具在切削中同时具有既硬而又不易破损的性能。英文名称为coated tool。,*,59,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,涂层的方法分为两大类，一类为物理涂层(PVD)；另一类为化学涂层(CVD)。物理涂层是在550以下将金属和气体离子化后喷涂在工具表面；化学涂层是将各种化合物通过化学反应沉积在刀具上形成表面膜，反应温度一般都在10001100。最近低温化学涂层也已实用化，温度一般控制在800左右,*,60,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,常见的涂层材料有TiC， TiN、 TiCN，Al2O3，TiAlOx等陶瓷材料,*,61,现代数控技术,*,62,现代数控技术,*,63,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,主要用于：非金属、铝合金到铸铁、钢以及高强度钢、高硬度钢和耐热合金、钛合金等难加工材料的切削均可使用，且普遍较硬质合金的性能要好。,目前，最先进的涂层技术也称zx技术，是利用纳米技术和薄膜涂层技术，使每层膜厚为1nm的TiN和AlN超薄膜交互重叠约2 000层进行蒸着累积而成，在世界上首次实现将其实用化，这是继TiC，TiN，TiCN后的第四代涂层。它的特点是远比以往的涂层硬，接近立方氯化硼(CBN)的硬度，寿命是一般涂层的3倍，大幅度提高耐磨损性.,*,64,现代数控技术,伴随着基体材料性能的改进和提高，刀具涂层技术取得了更为迅猛的发展，中温化学涂层、柱状a-Al2O3化学涂层、高性能物理涂层、新型原子涂层、纳米结构涂层、黄色三氧化二铝化学涂层、白色锆涂层、高铝含量TiAlN涂层、TiSiN涂层、CrSiN涂层、AlCrSiN涂层、TiBON涂层等大量新型涂层呈现多样化和系列化的趋势，使硬质合金材料新牌号层出不穷，大大提高了硬质合金刀具的切削加工性能。,最新发展趋势,*,65,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,(3) 陶瓷,陶瓷刀具基本上由两大类组成：一类为纯氧化铝类(白色陶瓷)，另一类为TiC添加类(黑色陶瓷)；另外还有在AL2O3中添加SiCW(晶须)、ZrO2(青色陶瓷)来增加韧性的，以及以Si3N4为主体的陶瓷刀具。,陶瓷材料具有高硬度，耐热性好(约2 000“C下亦不会融熔)的特性，化学稳定性很好，但韧性很低。最近热等静压技术的普及对改善结晶的均匀细密性、提高陶瓷的各项性能均衡乃至提高韧性起到了很大的作用，作为切削工具用的陶瓷抗弯强度已经提高到900 MPa以上。,*,66,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,陶瓷刀具相对硬质合金和高速钢来说仍是极脆的材料。因此，多用于高速连续切削，例如铸铁的高速加工。另外，陶瓷的热传导率相对硬质合金来说非常低，是现有工具材料中最低的一种，故在切削加工中加工热容易被积累，且对于热冲击的变化较难承受。所以加工中陶瓷刀具很容易因热裂纹产生崩刃等损伤，且切削温度亦较高。陶瓷刀具因其材质的化学稳定性好、硬度高，在耐热合金等难加工材料的加工中有广泛的应用。,*,67,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,金属陶瓷:其成分以TiC(陶瓷)为基体，Ni，Mo(金属)为结合剂,目的是增加陶瓷韧性.,金属陶瓷刀具最大优点是与被加工材料的亲和性极低，故不易产生粘刀和积屑瘤现象，使加工表面非常光洁平整，在一般刀具材料中可谓精加工用的佼佼者。但由于韧性差，大大限制了它的使用范围。通过添加wc，TaC，TiN，TaN等异种碳化物，使其抗弯强度达到了硬质合金的水平，因而得到广泛的运用。,*,68,现代数控技术,1、耐磨性好，可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命； 2、不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工； 3、陶瓷刀片切削时与金属摩擦力小，切削不易粘接在刀片上.不易产生积屑瘤.加上可以进行高速切削。所以在条件相同时，工件表而粗糙度比较低。 4、刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；,特点,*,69,现代数控技术,5、耐高温，红硬性好。可在1 200下连续切削.所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬质合金高很多。可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍，达到节约工时、电力、机床数30-70%或更高的效果； 6、氮化硅陶瓷刀具主要原料是自然界很丰富的氮和硅，用它代替硬质合金，可节约大量W、Co、Ta和Nb等重要的金属。,*,70,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,立方氯化硼CBN(cubic boron nitdde)是靠超高压、高温技术人工合成的新型刀具材料，其结构与金刚石相似，它的硬度略逊于金刚石，但热稳定性远高于金刚石，并且与铁族元素亲和力小，不易产生“积屑瘤”。,(4)立方氮化硼,CBN粒子硬度高达4 500 Hv，热传导率高，在大气中加热至1 300C仍保持性能稳定，且与铁的反应性很低，是迄今为止能够加工铁系金属最硬的一种刀具材料。,*,71,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,使用场合：切削加工的淬火钢、耐热钢的高速切削变成可能。硬度6065 HRC，70 HRC的淬硬钢等高硬度材料均可采用CBN刀具来进行切削。所以，在很多场合都以CBN刀具进行切削来取代迄今为止只能采用磨削来加工的工序，使加工效率得到极大的提高。,切削加工普通灰铸铁时，一般来说线速度在300 mmin以下采用涂层硬质合金，300500mmin以内采用陶瓷，500mmin以上用CBN刀具材料。而且最近的研究表明，用CBN切削普通铸铁，当速度超过800 mmin时，刀具寿命随着切削速度的增加反而更长。,*,72,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,其原因一般认为在切削过程中，刃口表面会形成si3N4；Al203等保护膜替代刀刃的磨损。,(5)聚晶金刚石 1975年美国GE公司开发了用人造金刚石颗粒通过添加Co、硬质合金、NiCr，Si-SiC以及陶瓷结合剂在高温(1200以上)、高压下烧结成形的聚晶金刚石PCD刀具. 金刚石刀具与铁系金属有极强的亲和力，切削中刀具中的碳元素极易发生扩散而导致磨损。但与其他材料的亲和力低，切削中不易产生粘刀现象，切削刃口可以磨得非常锋利。,*,73,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,适用于高效地加工有色金属和非金属材料，能得到高精度、小表面粗糙度值的加工面，特别是PCD刀具消除了金刚石的性能异向性，使其在高精加工领域中得到了普及。金刚石在大气中温度超过600时将被碳化而失去其本来面目，故金刚石刀具不宜用于可能会产生高温的切削中。,使用场合：,*,74,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,上述5大类刀具材料，从总体上分析，材料的硬度、耐磨性，金刚石最高，递次降低到高速钢。而材料的韧性则是高速钢最高，金刚石最低。在数控机床中，采用最广泛的是硬质合金类。因为这类材料目前从经济性、适应性、多样性和工艺性等各方面，综合效果都优于陶瓷、立方氮化硼及聚晶金刚石。,*,75,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,1.2.2数控刀具的失效形式及可靠性,1数控刀具的失效形式及对策在切削过程中，刀具磨损到一定限度，刀刃崩刃或破损，刀刃卷刃(塑变)时，刀具丧失其切削能力或无法保障加工质量，称之为刀具失效。,刀具失效的主要形式及产生原因和对策如下：(1)后刀面磨损 由机械应力引起的出现在后刀面上的摩擦磨损。 由于刀具材料过软，刀具的后角偏小，加工过程中切削速度太高，进给量太小，造成后刀面磨损过量，使得加工表面尺寸精度降低，增大摩擦力。,*,76,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,*,77,现代数控技术,前刀面,*,78,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,主切削刃上的边界磨损常见于与工件的接触面处。 主要原因是工件表面硬化、锯齿状切屑造成的摩擦，影响切屑的流向并导致崩刀。只有降低切削速度和进给速度，同时选择耐磨刀具材料并增大前角使切削刃锋利。,(2)边界磨损,(3)前刀面磨损 在前刀面上由摩擦和扩散导致的磨损，又称月牙洼磨损。 前刀面磨损主要由切屑和工件材料的接触以及对发热区域的扩散引起。另外刀具材料过软，加工过程中切削速度太高，进给量太大，也是前刀面磨损产生的原因。,*,79,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,前刀面磨损会使刀具产生变形、干扰排屑、降低切削刃强度。主要采用降低切削速度和进给速度，同时选择涂层硬质合金材料，可以减少前刀面的磨损。,(4)塑性变形 切削刃在高温或高应力作用下产生的变形。 切削速度、进给速度太高以及工件材料中硬质点的作用，刀具材料太软和切削刃温度很高等现象是产生塑性变形的主要原因。它将影响切屑的形成质量，有时也可导致崩刃。,*,80,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,可以采取降低切削速度和进给速度，选择耐磨性高和导热系数高的刀具材料等对策，以减少塑性变形磨损的产生。,(5)积屑瘤 工件材料在刀具前刀面上的粘附并堆积而形成的一个很硬的楔块称积屑瘤 积屑瘤降低加工表面质量并会改变切削刃形状最终导致崩刃。采取的对策有采用合理的切削速度，选择涂层硬质合金或金属陶瓷等与工件材料亲和力小的刀具材料，并使用冷却液。,*,81,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,切削刃上出现一些很小的缺口，而非均匀的磨损。 主要由于断续切削，切屑排除不流畅造成。应该在开始加工时降低进给速度，选择韧性好的刀具材料和切削刃强度高的刀片，就可以避免刃口剥落现象的产生。,(6)刃口剥落,(7)崩刃 崩刃将损坏刀具和工件。 主要原因是刃口的过度磨损和较高的应力，也可能由于刀具材料过硬，切削刃强度不够及进给量太大造成。,*,82,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,应选择韧性好的合金材料，加工时减小进给量和切削深度，另外选用高强度或刀尖圆角较大的刀片。,(8)热裂纹 由于断续切削时温度变化产生的垂直于切削刃的裂纹。 热裂纹可降低工件表面质量并导致刃口剥落，应选择韧性好的合金材料，同时减小进给量和切削深度，并进行干式冷却或在湿式切削时有充足的冷却液。,*,83,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,在数控加工中，进行刀具失效的在线监测，可及时发出警报、自动停机并自动换刀，避免刀具的早期磨损或破损导致工件报废，防止损坏机床，减少废品的产生。刀具失效的在线监测方法：有直接检测和间接检测，有连续检测和非连续检测。,2刀具失效在线监测方法,*,84,现代数控技术,*,85,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,3数控刀具可靠性,所谓“刀具可靠性”是指刀具在规定的切削条件和时间内，完成额定工作的能力。刀具可靠性既有一定的平均数量特性，又有随机性的特点。因此研究刀具可靠性都采用数理统计和概率分析方法，通常用“可靠度”或“可靠耐用度”来作为刀具可靠性的评价指标。,刀具可靠度是指刀具在规定的切削条件和时间内，能完成额定工作的概率，也就是刀具在已确定工作条件和切削规范下能完成预定的切削时间(耐用度)而刀具未损坏的概率。,*,86,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,常用R(f)来表示刀具的可靠度，用F(t)表示相应的刀具损坏概率或不可靠度，有 R（t）+F（t）=1,刀具的可靠耐用度tr，是指刀具达到规定的可靠度r时的耐用度(切削时间)，即R(tr)=r，常用tr 来表示刀具的可靠耐用度。 tr=R-1（t）,*,87,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,对于多刃刀具，只要有一齿损坏就认为刀具损坏，所以多齿刀具的可靠度Rz（t）低于单齿刀具的可靠度，表示为: Rz（t）=R（t）z,使用上述公式可以进行刀具可靠度的评价和计算。,*,88,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,1可转位刀片代码 从刀具的材料应用方面，数控机床用刀具材料主要是各类硬质合金。从刀具的结构方面，数控机床主要采用镶嵌式机夹可转位刀片的刀具。,1.2.3 数控可转位刀片,选用机夹式可转位刀片，首先要了解可转位刀片型号表示规则、各代码的含义。按国际标准ISO1832 -1985，可转位刀片的代码是由10位字符组成，其排列如下：,*,89,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,l-刀片的几何形状及其夹角。 2-刀片主切削刃后角(法后角)。 3-公差。表示刀片内接圆d与厚度s的精度级别。 4-刀片形式、紧固方法或断屑槽。 5-刀片边长、切削刃长。 6-刀片厚度。 7-修光刀。刀尖圆角半径r或主偏角Kr或修光刃后角 n。 8-切削刃状态。尖角切削刃或倒棱切削刃。 9-进刀方向或倒刃宽度。 10-各刀具公司的补充符号或倒刃角度。,在一般情况下，第8和9位的代码在有要求时才填写。,*,90,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,2数控可转位刀片的断屑槽槽形,目前，我国标准GB 2080 -87中所表示的槽形为V形断扁槽，槽宽为V 01 mm，V1=1 mm，V2=2 mm，V3=3 mm，V4=4 mm等4种。各刀具公司都有自己的断屑槽槽形，选择具体断屑槽代号可参考各公司刀具样本。,*,91,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,可转位刀片的刀具由定位元件、夹紧元件和刀体组成，为了使刀具能达到良好的切削性能，对刀片的夹紧方式有如下基本要求： 夹紧可靠，不允许刀片松动或移动。 定位准确，确保定位精度和重复精度。 排屑流畅，有足够的排屑空间。 结构简单，操作方便，制造成本低，转位动作快，缩短换刀时间。,3数控可转位刀片的夹紧方式,*,92,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,常见的可转位刀片的夹紧方式有以下几种：,楔块上压式；杠杆式；螺钉上压式。,*,93,现代数控技术,杠杆式,*,94,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,4数控可转位刀片的选择,(1)刀片材料选择 车刀刀片的材料主要有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。其中应用最多的是硬质台金和涂层硬质合金刀片。选择刀片材料，主要依据被加工工件的材料、被加工表面的精度要求、切削载荷的大小以及切削过程中有无冲击和振动等。,*,95,现代数控技术,高速钢：主要用在成型刀具和形状复杂等一些需要高韧性的场合； 硬质合金：应用范围最广，基本上都能干；不能用于淬硬钢。 陶瓷：主要用在硬零件车削和铸铁类零件的粗加工和高速加工； CBN：主要用在硬零件车削和铸铁类零件的高速加工（一般而言，比陶瓷效率要高一点），可代磨。 PCD：主要用在有色金属和非金属材料的高效率切削。,*,96,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,刀片尺寸的大小取决于必要的有效切削刃长度L，有效切削刃长度与背吃刀量ap和主偏角kr有关.,（2）刀片尺寸选择,*,97,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,刀片形状主要依据被加工工件的表面形状、切削方法、刀具寿命和刀片的转位次数等因素来选择。表13列出了被加工表面及适用。P30,(3)刀片形状选择,*,98,现代数控技术,*,99,现代数控技术,刀尖圆弧半径的大小直接影响刀尖的强度及被加工零件的表面粗糙度。刀尖圆弧半径大，表面粗糙度值减小，切削力增大且易产生振动，切削性能变坏，但刀刃强度增加，刀具前后刀面磨损减少。,(4)刀片的刀尖半径选择,应用： 切深较小的精加工、细长轴加工、机床强度较差情况下，选用刀尖圆弧较小些；而在需要刀刃强度高、工件直径大的粗加工中，选用刀尖圆弧大些。,*,100,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,国家标准GB2077 -87规定刀尖圆弧半径的尺寸系列为0.2mm，0 .4mm，0. 8mm，1.2mm，1.6mm（最常用），2.0mm，2.4mm，3.2mm。,*,101,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,1.2.4 数控刀具的选择,选择刀具通常要考虑：机床的加工能力、工序内容、工件材料等多种因素。数控机床刀具按装夹、转换方式主要分为两大系统：一种是车削系统，另一种是镗铣削系统。,车削系统由刀片(刀具)、刀体、接柄(或柄体)和刀盘组成。镗铣削系统由刀片(刀具)、刀杆(或柄体)、主轴或刀片(刀具)、工作头、连接杆、主柄和主轴组成。,*,102,现代数控技术,第二章 数控工艺基本知识,前一种方式为整体式工具系统，后一种方式为模块式工具系统。车削系统的刀具主要是刀片的选取，在前面可转位刀片的选取中已做介绍，这一部分重点讲述镗铣削系统刀具的选择方法。,1选择数控刀具通常应考虑的因素 随着机床种类、型号和工件材料的不同以及其他因素而得到的加工效果是不相同的。选择刀具应考虑的因素归纳起来应为: 被加工工件的材料及性能如金属、非金属等不同材料，材料的硬度、耐磨性、韧性等。,*,103,现代数控技术,切削工艺的类别有车、钻、铣、镗或粗加工、半精加工、精加工和