认识刀具巧用刀具.doc

认识刀具，巧用刀具摘要：刀具基本几何参数介绍，如何合理选择刀具的几何参数，刀具材料，本文通过图文并解，对刀具进行全认识，并结合轮胎制造厂应用实例，介绍如何巧用刀具，用小刀具，创大效益。关键词：刀具 几何参数 轮胎厂刀具 合理 巧用在轮胎制造厂，各种刀具使用非常普遍，刀具合理几何参数的选择是切削刀具理论与实践的重要课题。中国有句谚语说：“工欲善其事，必先利其器”，刀具正是切削加工的直接作用工具，刀具几何参数的合理选择对刀具的使用寿命和切削效率起着极其重要的作用。就如本人曾对全钢直裁修边刀的改善，仅改变其几何参数，一把修边刀寿命则由原来的两个班，增至50多天。每天可减少刀具消耗215元，每年可节约成本7万多元。既然小刀具可创大效益，那么，下面就让我们先来认识刀具。1 刀具基本几何参数及选用1.1 刀具的表面与几何参数 1.1.1 刀具表面与切削刃一般刀具都是由刀柄(刀体)和刀头(刀齿)组成。刀柄或刀体用于夹持刀具，刀头或刀齿构成刀具的切削部分，担负着切削工作。金属切削加工所用刀具种类繁多，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。图（1） 外圆车刀切削部分的名称车刀角度：前角；后角；楔角；主偏角；副偏角；刀尖角； 刃倾角如图（1）外圆车刀切削部分包括：a) 前面：刀具上切屑流过的表面。b) 主后面：刀具上与工件过渡表面相对的表面。c) 副后面：刀具上与工件已加工表面相对的表面。d) 主切削刃：前面与主后面相交而得到的刃边(或棱边)，用于切出工件上的过渡表面，完成主要的金属切除工作e) 副切削刃：前面与副后面相交而得到的刃边，它配合主切削刃完成切削工作，最终形成工件已加工表面。1.1.2 正交平面参考系 刀具切削部分的几何角度是在刀具静止参考系定义的（也是刀具设计、制造、刃磨和测量时几何参数的参考系）。下面介绍刀具静止参考系中常用的正交平面参考系。图(2) 正交平面参考系正交平面参考系如图(2)所示： 基面pr 通过切削刃选定点垂直于主运动方向的平面。对车刀，其基面平行于刀具的底面；对钻头、铣刀等旋转刀具来说，则为通过切削刃某选定点包含刀具轴线的平面。基面是刀具制造、刃磨及测量时的定位基准。 切削平面pS通过切削刃选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。当切削刃为直线刃时，过切削刃选定点的切削平面即是包含切削刃并垂直于基面的平面。 正交平面p0通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。1.1.3 刀具的主要的标注角度在刀具静止参考系中定义的角度称为刀具标注角度如图(2)，几个主要角度的定义和作用见表1表1 几个主要角度的定义和作用名 称定 义作 用前角0 前刀面与基面问的夹角，在正交平面P0中测量 减少切削变形和刀屑间摩擦。影响切削力、刀具寿命、切削刃强度，使刃口锋利，利于切下切屑后角0后刀面写切削平面间的夹角，在正交平面P0中测量 减少刀具后刀面和已加工表面间自摩擦。调整刀具刃口的锐利和强度主偏角r 主切削平面与假定工作平面间的夹角，在基面Pr中测量 适应系统刚度和零件外形需要；改变刀具散热情况，涉及刀具寿命副偏角/r 副切削平面与假定工作平面间的夹角，在基面Pr中测量 减小副切削刃与工件间的摩擦，影响工件表面粗糙度和刀具散热情况刃倾角S主切削刃与基面问的夹角，在主切削平面PS中测量 能改变切屑流出的方向，影响刀具强度和刃口锋利性1.2 前角及前面的选择 合理的刀具几何参数选择，就是指在保证加工质量的前提下，选择能满足提高生产率和降低生产成本的几何参数。当刀具材料与刀具结构确定后，合理选择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。1.2.1 前角的功用前角增大，使刃口锋利，利于切下切屑，能减少切削变形和摩擦，降低切削力、切削温度，减少刀具磨损，改善加工质量，抑制积屑瘤，减少加工硬化等。但前角过大，会导致刀具强度降低、散热体积减少、刀具耐用度下降、容易造成崩刃。前角减小，可提高刀具强度，增大切屑变形，且易断屑。但前角过小，会使切削力和切削热增加，刀具耐用度下降。因而前角值不能太小，也不能太大，应有一个合理的参数值。1.2.2 前角的选择原则选择方法如表2列出的几个方面考虑：表2前角的选择方法工件材料强度硬度工件材料的强度和硬度越大，产生的切削力越大，切削热越多。为使刀具有足够的强度和散热体积，防止崩刃和磨损，应采用小前角；反之工件材料的强度和硬度越小，前角应大些。塑性切削塑性材料时，为减小切削变形，降低切削温度，应选用大的前角；脆性切削脆性材料，由于形成崩碎切屑，切削变形小，所以增大前角的作用不明显，而这时切削力集中作用在切削刃附近且伴有一定程度的冲击振动。因此，为保证刀具具有足够的强度，防止崩刃，应选用较小的前角。刀具材料强度韧性刀具材料的抗弯强度和冲击韧性较低时，应选用较小的前角，高速钢刀具比硬质合金刀具的合理前角约大50100，陶瓷刀具的合理前角应选得比硬质合金刀具更小些。加工性质粗加工粗加工时，特别是断续切削，不仅切削力大，切削热多，且承受冲击载荷，为保证刀具有足够的强度和散热体积，应选用较小的前角。精加工精加工时，对切削刃强度要求较低，为使切削刃锋利，减小切削变形和获得较高的表面质量，前角应取得较大些。系统刚性机床功率工艺系统刚性差和机床功率较小时，宜选用较大的前角，以减小切削力和振动。成形刀具成形刀具应采用较小的前角或零前角，以减少刀具刃磨后截形产生的误差。机床自动化数控机床、自动机床和自动线用刀具，为保证刀具工作的稳定性，使其不易发生崩刃和破损，一般选用较小的前角。1.2.3 前面形式 刀具前面的形式是指主剖面内刀具前面的形状和尺寸。常用的刀具前面形式和选用如表3所示。表3前面形式及应用前面形式图形切削特点应用正前角平面型形状简单，制造容易，刀刃锋利，但刀刃强度较差，散热体积小多用于高速钢的精加工刀具、刃形复杂的成形刀具和切削脆性材料的刀具正前角平面负倒棱型刀刃强度较好，散热体积大，刀具耐用度高。可采用较大的正前角适用于硬质合金和陶瓷等脆性刀具材料，粗切削铸、锻件或断续表面的加工正前角曲面负倒棱型刀刃强度较好，切屑变形小，容易断屑。实际前角增大常用于硬质合金刀具粗加工或半精加工塑性材料上负前角单面型负前角双面型刀刃强度好。切屑变形大。容易断屑用于切削高强度、高硬度材料，如切削淬火钢、高锰钢的硬质合金刀具a)负倒棱 b)负前角图(3) 负倒棱与负前角车刀表3所列的正前角平面负倒棱型，是对硬质合金车刀而言的。高速钢车刀因其抗弯强度和冲击韧性较高，一般不需要负倒棱。负倒棱是在主切削刃上刃磨出一个前角为负值的窄棱面。其作用是提高刀刃强度，增强散热能力，从而提高刀具耐用度，如图(3) a所示。 必须注意：倒棱宽度不能太大，否则会成为负前角车刀，如图(3)b所示。一旦成为负前角车刀，能改变原来的前角和前面，使切削力增加很多。一般取：负倒棱宽度b1=(0308)f；f为每转进给量，负倒棱的前角0150100。1.3 后角及后面的选择1.3.1 后角的功用后角的主要功用是减小刀具后面与工件的摩擦，减轻刀具磨损。后角减小使刀具后面与工件表面间的摩擦加剧，刀具磨损加大，工件冷硬程度增加，加工表面质量差，尤其是切削层公称厚度较小时，由于刀具刃口钝圆半径的影响，上述情况更为严重。后角增大，摩擦减小，刀具磨损减少，也减小了刀具刃口的钝圆半径，提高了刃口锋利程度，易于切下薄切屑，从而可减小表面粗糙度值。但后角过大会减小刀刃强度和散热能力。1.3.2 后角的选择原则后角主要应根据切削层公称厚度选取。粗加工时以确保刀具强度为主，后角可取小值(0=4060)；精加时以保证加工表面质量为主，一般取0=80120。图（4）后面形式 a)双重后角 b)消振棱 当工艺系统刚性差，易产生振动时，为增强刀具对振动的阻尼作用，应选用较小的后角；对于尺寸精度要求高的精加工刀具，为减小重磨后刀具尺寸变化，保证有较高的尺寸精度，后角应选用较大值。1.3.3 后面的形式 双重后角为了保证刃口强度，减少刃磨后面的工作量，常在车刀后面上磨出双重后角，如图（4）a所示。 消振棱为了增加后面与工件表面之间的接触面积，增加阻尼作用，消除振动，可在后面上刃磨出一条有负后角的倒棱，称为消振棱，如图（4）b所示。消振棱的参数为：b0=0.10.3mm，01=-50200。 刃带对一些定尺寸刀具，如拉刀、铰刀等，为便于控制外径尺寸，避免重磨后尺寸精度迅速变化，常在后面上刃磨出后角为零度的小棱边，称为刃带。刀具上的刃带使刀具起着稳定、导向和消振的作用。刃带不宜太宽，否则会增大摩擦作用。刃带的宽度b0=0.020.3mm 。1.4 主、副偏角及过渡刃的选择1.4.1 主偏角的功用主偏角的功用主要影响切削力的大小方向、刀具耐用度、已加工表面粗糙度。主偏角减小，使背向力（总切削力吃刀方向上的切削分力）增大，易引起振动和加工变形；主偏角减小使切削层公称厚度变小，断屑效果变差。主偏角r减小，刀尖角r增大，刀具强度提高，散热性能变好，刀具耐用度提高；主偏角减小还可降低已加工表面残留面积高度，提高表面质量。1.4.2 主偏角的选择原则在工艺系统刚度允许的情况下，选择小的主偏角，这样有利于提高刀具的耐用度。硬质合金车刀合理主、副偏角的参考值如表4所示。表4硬质合金车刀合理主偏角和副偏角的参考值加工情况参考值(0)主偏角r副偏角r/粗 车工艺系统刚性好45、60、75510工艺系统刚性差65、75、90101 5车细长轴、薄壁零件90、936l0精 车工艺系统刚性好4505工艺系统刚性差60、7505车削冷硬铸铁、淬火钢1030410从工件中间切人45603045切断刀、切槽刀6090121.4.3 副偏角的功用副偏角的功用主要是减小副切削刃和已加工表面的摩擦。副偏角减小，可以显著减小残留面积高度，降低表面粗糙度值，同时刀尖角r增大，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。1.4.4 副偏角的选择主要根据工件已加工表面的粗糙度要求和刀具强度来选择，在不引起振动的情况下，尽量取小值。但切断刀、锯片刀为保证刀头强度，只能取很小的副偏角，一般取r，=1020。1.4.5 过渡刃的功用与选择 a直线过渡刃 b圆弧过渡刃 a)直线修光刃 b)圆弧修光刃图（5）过渡刃 图（6）修光刃刀尖是整个刀具最薄弱的部位，刀尖处的强度和散热条件很差，很易磨损。因此，常在主、副切削刃之间磨出过渡刃，以加强刀尖强度，提高刀具耐用度。过渡刃有两种形式： 直线过渡刃如图（5）a所示，参数有：倒角刀尖长度、倒角刀尖偏角。一般取=0.52mm，=1/2r。直线过渡刃多用于粗加工或强力切削车刀、切断刀以及钻头等多刃刀具上。 圆弧过渡刃如图（5）b所示，又称圆弧刀尖，参数为刀尖圆弧半径。多用在单刃刀尖上，如车刀、刨刀等。高速钢车刀=13mm，硬质合金和陶瓷车刀=0.51.5mm。 修光刃当直线过渡刃的参数=00，f 或圆弧过渡刃的参数很大时，该过渡刃又称修光刃，如图（6）所示。它可以减小用大进给量切削时的残留面积高度，使表面粗糙度值减小。1.5 刃倾角的功用及选择1.5.1 刃倾角功用 刃倾角主要影响切屑流向和刀尖强度。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；刃倾角为负值时，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。1.5.2 刃倾角的选择 刃倾角主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。一般皆选用正刃倾角，有冲击时采用负刃倾角，选择时可参考表5。表5刃倾角s数值的选用表s值00+50+5010000-50-50-100-l00-15。-100-450应用范围精车钢和细长轴精车有色金属粗车钢和灰铸铁粗车余量不均匀钢断续车削钢和灰铸铁带冲击切削淬硬钢2 刀具材料(指切削部分)2.1 对刀具材料的基本要求切削过程中，刀具的切削部分要承受很大的压力、摩擦、冲击和很高的温度，刀具切削部分的材料应具备以下性能：1)高的硬度：一般刀具材料的硬度应在60HRC以上。2)足够的强度和韧性 又称坚韧性，以承受切削中的冲击力和振动，减少刀具脆性断裂和崩刃。3)耐磨性好，即抵抗磨损的能力，使刀具使用耐久。4)高的耐热性，是指刀具在高温下仍能保持硬度、强度、韧性和耐磨性等。5)工艺性能要好，为了便于刀具本身的制造，刀具材料还应具有一定的工艺性能,如: 切削性能、磨削性能、焊接性能及热处理性能等。2.2 常用刀具材料1)碳素工具钢：T10钢(WC=1%)制手用钢锯条、简单冷作模; T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等2)合金工具钢：常用牌号如9SiCr、Cr12、CrMn、GCr15等，主要用于制造刃具、模具、量具等工具3)高速钢：高速钢是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。其常用牌号有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，广泛用于制造形状复杂的高速切削工具，如：麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。 4)硬质合金，根据GB/2075-1998规定，按被加工材料分了三个大（类）组：分别用字母P、M、K表示(这些字母完全是习惯性，本身无其他含义)。相应识别颜色为蓝、黄、或红。具体应用：1) P类(蓝色) 相当于旧牌号YT类硬质合金。适宜加工长切屑的黑色金属，如钢、铸钢等。其代号P01、P10、P20、P30、P40、P50等，数字越大，耐磨性越低而韧性越高。如车削时：精车用P01，半精车用P10，P20；粗车选用P30。2) M类(黄色)相当于旧牌号YW类硬质合金，适宜加工长切屑或短切屑的金属材料，如钢、铸钢、不锈钢、灰铸铁、有色金属等。其代号有M10、M20、M30、M40等，数字越大，耐磨性低而韧性大。精车选M10；半精车用M20；粗车时可用M30。3) K类(红色)相当于旧牌号TG类硬质合金适宜加工短切屑的金属或非金属材料，如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等，其代号有K01、K10、K20、K30、K40等，数字大，耐磨性降而韧性大。如车削时： 精车选K01；半精车K10、K20；粗车用K30。2.3 新型刀具材料2.3.1 涂层刀具材料涂层刀具材料是指通过气相沉积或其他技术方法，在硬质合金或高速钢的基体上涂覆一薄层高硬耐磨的难熔金属或非金属化合物而构成的。如在硬质合金表面上涂厚49m的涂层时，表面硬度可达25004200HV，是实现刀具要求“面硬而心韧”的有效方法之一。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等硬质合金涂层刀具寿命可比原来提高13倍，高速钢涂层后寿命提高210倍，世界各国对涂层刀具运用很广泛。处于领先地位的瑞典，在车削中使用涂层硬质合金刀片已达70%80%。 2.3.2 陶瓷刀具材料 陶瓷刀具材料：按化学成分可分为Al2O3基和Si3N4基两类。陶瓷刀具硬度高而耐磨，允许切削速度达成12.5m/s，耐热性度可达12001450，其效率比硬质合金提高了14倍，可制成刀片。用于半精和精加工高硬度、强度钢及冷硬铸铁等，缺点抗弯强度低，冲击韧性差。2.3.3 超硬刀具材料 超硬刀具材料它包括人造聚晶金刚石和立方氮化硼等。人造聚晶金刚石刀具，硬度极高(5000HV以上),耐磨性极好，可切削硬的材料而长时间保持尺寸的稳定(不宜加工铁族金属)。刀具寿命比硬质合金高几十至三百倍，宜精细加工。立方氮化硼(CBN)的显微硬度达80009000HV，仅次于天然金刚石（10000HV），耐磨性很好，其耐热性达1500，且与铁族材料亲和作用小。适于加工高硬、难切材料。注意刀具材料的使用性能，工艺性能和价格不同，各种切削条件对刀具要求也各异，应综合考虑，合理地选用刀具材料。3 轮胎制造厂刀具应用实例3.1 直裁修边刀福建佳通A区预备直裁修边刀，原由沈阳橡胶机械厂改造，因该装置修边刀为易耗品，上刀片寿命仅为两个班，现在让我来分析一下其刀具结构，如图（7）所示，改善前，修边刀刀刃单薄，极易崩刃，寿命短，仅为两个班，每两班需消耗两片刀片（改进前修边刀刀片单价74.36元/片）且无法修磨。通过改善：上刀片楔角由原来的15改为90（并采用双重后角结构）；上下圆盘刀主轴平行改为轴交叉方式。改善后，因楔角 1为90，修边刀厚实，不易崩刃，寿命长，一次刃磨可用710天，可重复刃磨56次，刀片寿命可达5070天。每年可减少刀片消耗7万多元。后角=65双重后角=45（后角=0）轴交叉图（7）修边刀改善前后对比图（10）改善后图（9）改善后图（8）改善前3.2 勤力钢包剪刀勤力钢包剪刀剪不断问题长期困扰着工程部，改善前，剪刀每剪26刀，需打蜡一次。如图（11）示，严重污染三角胶接头，且每周均需修磨剪刀或调