数控刀具.ppt

数控加工工艺与编程,漯河职业技术学院机电系数控教研室,单元2数控刀具,学习内容与知识点：,随着数控机床功能、结构的发展，数控机床上所使用的数控刀具已经不是普通机床“一机一刀”的模式，而是多种不同类型的刀具同时在数控机床上轮换使用，来达到自动换刀和快速换刀的目的。因此，对“数控刀具”的含义应该理解为“数控刀具系统”。,数控刀具系统除了包括机床的自动换刀机构外，为了保证刀具的可互换性，还必须有刀柄和工具系统。刀柄是机床主轴与刀具之间的连接工具，是数控铣床、加工中心必备的辅具。它的作用有：准确地安装各种刀具；满足在机床主轴上的自动松开和拉紧定位；在刀库中的存储识别；机械手的夹持。刀柄的选用要和机床的主轴孔相对应。刀柄已经标准化和系列化。数控铣床和加工中心上的刀柄一般采用724圆锥刀柄。,链轮式自动换刀系统,转盘式自动换刀系统,机械手夹持,724圆锥工具柄部简图,一、数控刀具的要求与特点,数控机床必须有与其相适应的切削刀具配合，才能充分发挥作用。刀具，尤其是刀片的选择是保证加工质量提高加工效率的重要环节。,数控刀具的要求与特点,要有高的切削效率,要有高的精度和重复定位精度,要有高的可靠性和耐用度,可靠的断屑和排屑措施,要有在线监控及尺寸补偿系统,实现刀具尺寸的预调和快速换刀,刀具标准化、模块化、通用化及复合化,数控刀具的要求与特点,要求,此外，为减少换刀时间和方便对刀，应尽可能采用机夹刀和机夹刀片。夹紧刀片的方式要选择得比较合理，刀片最好选择涂层硬质合金刀片。目前，数控车床用得最普遍的是硬质合金刀具和高速钢刀具两种。,数控刀具的要求与特点,数控车床能兼作粗精车削，因此粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求。精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。,特点,二、数控刀具的种类,数控刀具的种类,数控刀具的种类,按制造材料分,数控刀具的种类,三、数控刀具的材料,刀具的选择是根据零件的材料种类、硬度、加工表面粗糙度要求和加工余量等已知条件来决定刀片的几何结构（如刀尖圆角）、进给量、切削速度和刀片牌号。,数控刀具的材料,要有高的硬度和耐磨性,要有足够的强度和韧性,要有高耐热性,较好的导热性,良好的工艺性,数控刀具切削部分的材料要求：,数控刀具的材料,数控刀具的材料,高速钢,钨钴类,钨钛钴类,Mo系高速钢,W系高速钢,硬质合金,钨钛钽（铌）钴类,陶瓷,纯氧化铝类（白色陶瓷）,SiN添加类（黑色陶瓷）,立方氮化硼,聚晶金刚石,数控刀具的材料,刀具材料的硬度与韧性的关系,四、数控刀具的失效形式及可靠性,数控刀具的失效形式及可靠性,刀具失效的概念,在切削过程中，刀具磨损刀一定程度，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证加工质量。,车刀示意图,数控刀具的失效形式及可靠性,刀具的失效形式,后刀面磨损由机械交变应力引起的出现在刀具后刀面上的磨擦磨损。如果刀具材料较软，刀具的后角偏小，加工过程中的切削速度偏高，进给量太小，都会造成刃具后刀面的磨损过量，并由此使得加工表面的尺寸和精度降低，增大切削中的磨擦阻力。因此应该选择耐磨性较高的刀具材料，同时降低切削速度，加大进给量，增大刀具后角。如此才能避避免或减少刀具后刀面磨损现象的产生。,数控刀具的失效形式及可靠性,刀具的失效形式,边界磨损主切削刃上的边界磨损常发生于与工件的接触面处。主要原因是工件表面硬化、锯齿状切屑造成的磨擦。解决措施是降低切削速度和进给速度，同时选择耐磨刀具材料，并增大刀具的前角使得切削刃锋利。,数控刀具的失效形式及可靠性,刀具的失效形式,前刀面磨损在刀具的前刀面上由磨擦和扩散导致的磨损。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较高，进给量较大，也是前刀面磨损产生的原因。前刀面磨损会使刀具产生变形、干扰排屑、降低切削刃的强度。应该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，来达到减小前刀面磨损的目的。,数控刀具的失效形式及可靠性,刀具的失效形式,塑性变形切削刃在高温或高应力作用下产生的变形。切削速度和进给速度太高以及工件材料中硬点的作用，刀具材料太软和切削刃温度较高等现象，都是产生塑性变形的主要原因。塑性变形的产生会影响切屑的形成质量，并导致刀具崩刃。可以通过降低切削速度和进给速度，选择耐磨性高和导热性能好的刀具材料等措施，达到减少塑性变形的目的。,数控刀具的失效形式及可靠性,刀具的失效形式,积屑瘤工件材料在刀具上的粘附物质。积屑瘤的产生会大大降低工件表面的加工质量，会改变切削刃的形状并最终导致切削刃崩刃。采取的对策有提高切削速度，选择涂层硬质合金或金属陶瓷等刀具材料，并在加工过程中使用冷却液。,数控刀具的失效形式及可靠性,刀具的失效形式,刃口剥落切削刃口上出现一些很小的缺口，非均匀的磨损。主要由断续切削、切屑排除不流畅等因素造成。应该在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，来避免刃口剥落现象的产生。,数控刀具的失效形式及可靠性,刀具的失效形式,崩刃崩刃将损坏刀具和工件。主要原因有刀具刃口的过度磨损和较高的加工应力，也可由于刀具材料过硬、切削刃强度不足以及进给量太大造成。刀具应该选择韧性较好的合金材料，加工时应减小进给量和切削深度，另外还可选择高强度或刀尖圆角较大的刀片。,数控刀具的失效形式及可靠性,刀具的失效形式,热裂纹由于断续切削时的温度变化而产生的垂直于切削刃的裂纹。热裂纹会降低工件表面的加工质量，并导致刃口剥落。刀具应该选择韧性好的合金材料，同时在加工中减小进给量和切削深度，并进行干式切削，或在湿式切削加工时有充足的冷却。,刀具可靠性分析,刀具可靠性,刀具耐用度,可靠耐用度,在规定的切削条件和时间内完成额定工作的能力（具有统计特征和随机特征）,在规定的条件和时间内完成额定工作的概率R（t）+F(t)=1,指刀具能达到规定的可靠度r时的耐用度，即R(tr)=r则tr=R(t),数控刀具的失效形式及可靠性,五、数控可转位刀片,刀具材料方面，数控机床使用的刀具材料主要是各类硬质合金。刀具结构方面，数控机床主要采用机夹可转位刀具。因此对硬质合金可转位刀片的运用是数控机床操作者所必须了解和运用的内容。,数控可转位刀片,数控可转位刀片,可转位刀具的组成,可转位刀具一般由刀片、刀垫、夹紧元件和刀体组成，如右图所示。其中各部分的作用为：刀片：承担切削，形成被加工表面。刀垫：保护刀体，确定刀片(切削刃)位置。夹紧元件：夹紧刀片和刀垫。刀体：刀体及(或)刀垫的载体，承担和传递切削力及切削扭距，完成刀片与机床的联接。,数控可转位刀片,数控车刀,数控可转位刀片,刀片,按照国际标准ISO1832-1985中可转位刀片的代码表示方法，代码由10位字符串组成，其排列如下：12345678910其中每一位字符串是代表刀片某种参数的意义，分述如下：（1）刀片的几何形状及其夹角。（2）刀片主切削刃后角（法角）。（3）刀片内接圆直径d与厚度s的精度级别。（4）刀片型式、紧固方法或断屑槽。（5）刀片边长、切削刃长度。（6）刀片厚度。（7）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，刀尖切削刃或倒棱切削刃。（9）进刀方向或倒刃宽度。（10）厂商的补充符号或倒刃角度。,数控可转位刀片,刀片代码,例如：车刀可转位刀片TNUM160408ERA2的含义：T60三角形刀片形状；N法后角为0；U内切圆直径d为6.35mm时：刀尖转位尺寸允差0.13mm，内接圆允差0.08mm，厚度允差0.13mm；M圆柱孔单面断屑槽；16刀刃长度16mm；04刀片厚度4.76mm；08刀尖圆弧半径0.8mm；E刀刃倒圆；R向左方向切削；A2直沟卷屑槽，槽宽2mm。,数控可转位刀片,刀片代码,要求：（1）夹紧可靠、不允许刀片松动和移动。（2）定位准确、确保定位精度和重复精度。（3）排屑流畅，有足够的排屑空间。（4）结构简单，操作方使，制造成本低，转位动作快、缩短换刀时间。方式：杠杆式、楔块上压式、螺钉上压式等。,数控可转位刀片,刀片的夹紧,刀片夹紧方式,六、数控刀具的选择,刀具的选择是数控加工工艺中重要内容之一。选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。选取刀具时，要使刀具的尺寸和形状相适应。,数控刀具的选择,刀具选择应考虑的主要因素有：,如操作间断时间、振动、电力波动或突然中断等。,数控刀具的选择,被加工工件的材料、性能,如金属、非金属，其硬度、刚度、塑性、韧性及耐磨性等。,加工工艺类别,车削、钻削、铣削、镗削或粗加工、半精加工、精加工和超精加工等。,加工工件信息,工件的几何形状、加工余量、零件的技术经济指标。,刀具能承受的切削用量,辅助因素,切削用量三要素，包括主轴转速、切削速度与切削深度。,由于在数控机床上要加工多种工件，并完成工件上多道工序的加工，因此需要使用的刀具品种、规格和数量较多。,为减少刀具的品种规格，有必要发展柔性制造系统和加工中心使用的工具系统。,数控刀具的选择,工具系统,工具系统是针对数控机床要求与之配套的刀具必须可快换和高效切削而发展起来的，是刀具与机床的接口。它除了刀具本身外，还包括实现刀具快换所必须的定位、夹紧、抓拿及刀具保护等机构。,数控刀具的选择,工具系统,70年代，工具系统以整体式结构为主。80年代初，开发出了模块式结构的工具系统(分车削、镗铣两大类)。80年代末，开发出了通用模块式结构(车、铣、钻等万能接口)的工具系统。模块式工具系统将工具的柄部和工作部分分开割开来，制成各种系统化的模块，然后经过不同规格的中间模块，组成一套套不同规格的工具。目前世界上模块式工具系统有几十种结构，其区别主要在于模块之间的定位方式和锁紧方式不同。,数控刀具的选择,工具系统,数控刀具的选择,工具系统,车削类工具系统,数控车床用工具系统主要由两部分组成：一部分是刀具，另一部分是刀夹（夹刀器）。,数控刀具的选择,工具系统,铣镗类工具系统,模块式工具系统,铣镗类工具系统,数控刀具的选择,工具系统,模块式工具系统的连接结构,数控刀具的选择,数控车削刀具的选择,刀片材料的选择,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合金和涂层硬质合金刀片。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加工过程中有无冲击和震动等条件决定。,数控刀具的选择,数控车削刀具的选择,刀片尺寸选择,刀片尺寸的大小取决于有效切削刃的长度L，有效切削刃长度L与背吃刀量ap和主偏角kr有关。使用时请根据有关手册查阅选取。,L与ap和kr的关系,数控刀具的选择,数控车削刀具的选择,刀片形状选择,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。,刀尖角度影响加工性能的关系,被加工表面形状与其相适应的主偏角kr和刀片形状,数控刀具的选择,数控车削刀具的选择,刀片刀尖半径选择,刀尖圆弧半径的大小直接影响刀尖的强度和被加工零件的表面粗糙度。刀尖圆弧半径越大，表面粗糙度值增大，切削力增大且易产生振动，切削性能下降，但刀刃强度增加，刀具前后刀面的磨损减少。选择原则为：在切削深度较小的精加工、细长轴加工或机床刚度较差的情况下，选取刀尖圆弧半径较小些；在需要刀刃强度高、零件直径大的粗加工中，选用刀尖圆弧半径较大些。刀尖圆弧半径一般适宜选取为进给量的23倍。,刀尖圆弧半径与表面粗糙度和刀具耐用度的关系,数控刀具的选择,数控车削刀具的装夹,利用转塔刀架（或电动刀架）刀具及其装夹,把系列化、标准化的精化刀具应用到不同结构的转塔刀架或快换刀架上，以达到快速更换的目的。,数控刀具的选择,数控车削刀具的装夹,快换刀夹,每把刀具都装在一个刀夹上，机外预调好尺寸，换刀时一起更换。快换刀夹的装夹方式大多数是采用“T”型槽夹紧的，也有采用齿纹面进行夹紧的。,数控刀具的选择,数控车削刀具的装夹,模块式车削工具及其装夹,只更换刀具头部，就能够实现快速换刀。,模块式车削工具连接,模块式车削结构,数控刀具的选择,数控铣削刀具的选择,选择数控刀具应该考虑的因素,被加工工件材料的类别常用材料有：有色金属、黑色金属和非金属等不同材料。被加工工件材料的性能包括硬度、韧性、组织状态等。切削工艺的类别有车、钻、铣、镗，粗加工、半精加工、精加工、超精加工等。被加工工件的几何形状影响到连续切削或断续切削、刀具的切入和退出角度零件精度即尺寸公差、形位公差、表面粗糙度加工余量要求刀具能够承受的切削用量即切削深度、进给量、切削速度。被加工工件的生产批量它能直接影响到刀具的寿命。,数控刀具的选择,数控铣削刀具的选择,数控铣床刀具主要为镗铣削系统刀具,镗铣削系统刀具由刀片（刀具）、刀杆（或柄体）、主轴或刀片（刀具）、工作头、连接杆、主柄、主轴组成。镗铣削系统刀具在加工中心和带刀库的数控铣床中采用模块式工具系统。不带刀库的数控铣床也采用此结构，不同之处只是手动换刀。不带刀库的数控铣床也普遍采用快换式铣夹头。镗铣削系统刀具和普通数控铣床刀具的选择首先是模块式工具系统的选择。,数控刀具的选择,数控铣削刀具的选择,铣刀类型的选择,铣刀类型应与被加工工件的尺寸与表面形状相适合：加工较大的平面应该选择面铣刀;加工凸台、凹槽及平面轮廓应选择立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔可选择镶硬质合金的玉米铣刀；曲面加工常采用球头铣刀；加工曲面较平坦的部位常采用环形铣刀；加工空间曲面、模具型腔或凸模成型表面多选用模具铣刀；加工封闭的键槽造择键槽铣刀。,各种铣刀的形状,(f)模具铣刀,(g)可转位硬质合金玉米铣刀,（h）面铣刀,铣削加工时工件形状和刀具形状的关系,数控刀具的选择,数控铣削刀具的选择,铣刀类参数的选择,面铣刀主要参数的选择可转位面铣刀的直径为16630mm。粗铣时，铣刀直径应小些。精铣时，铣刀直径应大些，尽量包容工件的整个加工宽度。因为铣削加工时冲击力较大，所以刀具前角要小些，硬质合金刀具的前角应更小。铣削加工强度和硬度高的材料可选用负前角。面铣刀的磨损主要发生在后刀面上，因此后角选取应加大。,数控刀具的选择,数控铣削刀具的选择,铣刀类参数的选择,立铣刀主要参数的选择立铣刀前角后角的选择,数控刀具的选择,数控铣削刀具的选择,铣刀类参数的选择,立铣刀主要参数的选择选取立铣刀可按下述推荐的经验数据进行。刀具半径r应该小于零件内腔轮廓面的最小曲率半径，一般取r=（0.80.9）。零件的加工高度H（1/41/6）r，以保证刀具具有足够的刚度。对盲孔（深槽），选取=H+（510）mm（为刀具切削部分长度，H