数控技术-第二章

2.1数控加工工艺特点数控加工与普通机床加工相比较，所遵循的原则基本相同，但由于数控加工的整个过程是自动进行的，因此又有以下特点。1)数控加工工艺内容更加具体、详细指定数控加工工艺的步骤和内容与普通工艺内容大致相同，但数控工艺的一个明显特点是工艺内容十分具体、详细。普通工艺规程视零件的生产批量、复杂程度及零件的重要性等不同而有不同的工艺设计内容，但最多详细到工步。许多具体的工艺问题，可以由操作工人根据实践经验自行考虑和决定。例如，工艺中各工步的划分与安排，刀具的几何角度，走刀路线及切削用量等。而在数控加工时，上述的工艺问题，不仅成为数控工艺设计时必须认真考虑的内容，而且还必须作出准确的选择。下一页返回2.1数控加工工艺特点数控加工工艺必须详细到每一步走刀和每一个操作细节，即普通工艺留给操作工人完成的工艺与操作内容必须由编程人员预先确定。另外，凡是用数控加工的零件间，不论简单与否、重要与否，都要有完整的加工程序，因而要进行详细的工艺设计。2)数控加工工序设计更加集中，工艺设计更加严密数控机床由于具有自动化程度很高，刚度大，精度高，刀库容量大，切削参数范围广，以及多坐标、多工位等特点，在一次装夹中可以完成多道工序和由粗到细的加工过程，甚至可以在工作台上安装几个相同或相似的零件进行加工。上一页下一页返回2.1数控加工工艺特点虽然自动化程度高，但是自适应能力较差，它不同于普通机床，加工时可以根据加工过程中出现的问题，适时地进行人为调整，在数控加工的工艺设计中必须注意加工过程中的每一个细节。例如，是否需要清理切屑后再进刀，换刀点选在何处等。同时，在对图形进行数学处理、计算和编程时，都要力求准确无误，以使数控加工过程顺利进行。3)加工方法的特点对于一般简单表面的加工方法，数控加工与普通加工没有太大差别。但对于一些复杂表面、特殊表面或有特殊要求的表面，数控加工就与传统的加工有着根本不同的加工方法。上一页下一页返回2.1数控加工工艺特点例如，对于曲线、曲面加工，传统的加工多采用划线、样板、靠模、预钻、砂轮打磨等钳工方法，不仅费时、费工，而且还不能保证加工质量，甚至产生废品。而利用数控加工则用多坐标联动自动控制加工方法，其加工质量与生产效率是传统方法无法预知比拟的。4)数控加工质量高、效率高数控加工使用程序控制实现自动加工，排除人为因素影响，而加工误差可以由数控系统通过软件技术进行补偿校正。因此，采用数控机床加工，可以提高零件加工精度和产品质量。与采用普通机床加工相比，采用数控加工一般可将生产率提高2一3倍，在加工复杂零件时生产效率可提高十几倍甚至几十倍。上一页下一页返回2.1数控加工工艺特点特别是加工中心和柔性制造单元等设备，零件一次装夹后可以完成所有部位的加工，不仅可消除多次装夹引起的定位误差，而且可以减少加工辅助操作，使加工效率进一步提高。5)数控加工柔性高，易于形成网络控制在数控机床上加工零件时，只需改变零件程序即可适应不同品种的零件加工，而且几乎不需要制造专用工装夹具，因此加工柔性好，有利于缩短产品的研制与生产周期，适应多品种、中小批量的现代生产需要。并且数控系统是一种专门化的计算机控制系统，可实现与其他数控系统、主计算机、制造系统等连接，形成网络化控制系统。数控加工自动化程度高，质量稳定，便于工序集中，但设备价格通常昂贵。为了充分发挥数控加工的优势，达到较好的经济效益，在选择加工对象和加工方法时要特别慎重，以免造成经济损失。上一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容2.2.1数控加工工艺内容的选择数控加工工艺主要包括以下几个方面。(1)通过数控加工的适应性分析，选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。(2)分析被加工零件图样，明确加工内容及技术要求，并结合数控设备的功能，确定零件的加工方案，指定数控加工工艺路线。(3)设计数控加工工序。如工步的划分、零件的定位、选择夹具、刀具及切削用量等。(4)设计和调整数控加工工序的程序，选择对刀点、换刀点，确定刀具补偿量。下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容(5)分配数控加工中的容差。(6)处理数控机床上部分工艺指令。2.2.2数控加工工艺性分析数控加工的合理性包括:哪些零件适合于数控加工;适合于在哪一类数控机床上加工，即数控机床的选择。通常合理性考虑的因素有:对零件技术要求能否保证;对提高生产率是否有利;经济上是否合算等。对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成，往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。这就需要对零件图进行仔细分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。应考虑企业设备的实际情况，充分发挥数控机床的优势，注重生产效率和经济效益的综合选择。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容1.适合数控加工的零件一般可按工艺适应程度将零件分为以下3类。1)适应类最适应数控加工的零件有:形状复杂，加工精度要求高，用普通加工设备无法加工或虽然能加工但很难保证加工精度的零件;用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件;具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒形零件;必须在一次装夹中完成铣、锁、铰等多道工序的零件。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容2)较适应类较适应数控加工的零件有:在普通机床上加工必须制造复杂的专用工装的零件;在普通机床上加工需要做长时间调整的零件;需要多次更改设计后才能定型的零件;用普通机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。3)不适应类不适应数控加工的零件一般指:经过数控加工后，在生产率与经济性方面无明显改善，甚至可能弄巧成拙或得不偿失。这类零件大致有以下几种:生产批量大的零件(其中不排除其中个别工序用数控机床加工);装夹困难或完全靠找正定位来保证精度的零件;加工余量很不稳定，且数控机床上无在线监测系统可自动调整零件坐标位置的;必须用特定的工艺装备协调加工的零件。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容2.数控机尿的选择根据机床性能的不同和对零件要求的不同，对数控加工零件进行分类，不同类别零件分配在不同类别的数控机床上加工，以获得较高的生产率和经济效益。1)旋转零件的加工旋转零件用数控车床或数控磨床来加工。2)平面与曲面轮廓零件的加工平面轮廓零件的轮廓多由直线和圆弧组成，一般在两坐标联动的铣床上加工。具有曲面轮廓的零件，多采用三个或三个以上坐标联动的铣床或加工中心加工。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容3)孔系零件的加工孔系零件孔数较多，孔间位置精度要求较高，宜用点位直线控制的数控钻床或锁床加工。这样不仅可以减轻工人的劳动强度，提高生产率，而且还易于保证精度4)模具型腔的加工这类零件型腔表面复杂、不规则，表面质量及尺寸要求高且常采用硬、韧的难加工材料，因此可考虑选用粗铣后数控电火花成形加工。3.零件工艺性分析首先要分析零件图样。根据零件的材料、形状、尺寸、精度、毛坯形状和热处理要求等确定加工方案，选择合适的数控机床。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容一般来说，要考虑编程方便与否，常常是衡量零件数控加工工艺好坏的一个指标。通常从以下两个方面来考虑。(1)零件图上的尺寸标注应便于数值计算，符合编程的可能性与方便性原则，应适应数控加工的特点。即在零件图上，应以同一基准引注尺寸，或直接给出坐标尺寸。这样既方便编程，也便于尺寸之间的相互协调，有利于保证设计基准、工艺基准、检测基准和编程原点设置统一。另外，构成零件轮廓的几何元素的条件要充分。这样，才能在手工编程时计算各节点的坐标，在自动编程时顺利地定义各几何元素。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容(2)零件加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点。零件的内外形状尽量采用统一的几何类型或尺寸。这样不但能够减少换刀次数，还有可能应用零件轮廓加工的专用程序。其次，零件内槽圆角半径不宜过小，因为工件圆角的大小决定着刀具直径的大小，如果刀具直径过小，在加工平面时，进给次数会相应增多，这样不仅影响生产效率，还会影响表面的加工质量。通常R>0.2H,R为零件内槽圆角半径，H为零件轮廓面的加工高度。如图2—1所示。另外，铣削零件底平面时，槽底的圆角半径r不宜过大，因为r越大，铣刀端刃铣削平面的能力越差，效率越低，工艺性也越差，如图2—2所示。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容4.确定工艺过程零件工艺过程的确定包括加工表面、工序及其顺序、工位、工步、走刀路径等的确定，其中还涉及机床、刀具、夹具的选择等内容。1)数控加工工序的划分原则(1)工序集中原则。一般情况下，数控加工的工序内容要比通用机床加工内容复杂，这是因为数控机床价格昂贵，若只是加工简单工序，在经济上对提高生产效益有限。另外，考虑到数控机床的特点，通常在数控机床上加工的零件应尽可能安排较复杂的工序内容，减少零件的装夹次数。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容(2)先粗后精原则。根据零件形状、尺寸精度、零件刚度以及变形等因素，可按粗、精加工分开的原则划分工序，先粗加工，后精加工。考虑到粗加工时零件的变形需要一段时间恢复，最好粗加工后不要紧跟精加工工序。当数控机床的精度能满足零件的设计要求时，可考虑粗精加工一次完成。(3)基准先行原则。在工序安排时，应首先安排零件粗精加工时要用到的定位基准面的加工。被加工零件的基准面和基准孔等可考虑在普通机床上预先加工，但一定要保证精度要求。当零件重新装夹进行精加工时，应考虑精修基准面或孔，也可采用已加工表面作为新的定位基准面的方法。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容(4)先面后孔原则。零件上既有面加工，又有孔加工时，要采用先加工面，后加工孔的工序划分顺序，这样可以提高孔的加工精度。(5)按所用的刀具划分工序。使用一把刀加工完相应各部位，再换另一把刀加工其他部位。以减少空行程的时间和换刀次数，消除不必要的定位误差。2)工序划分的方法数控加工工序划分遵循以上原则，在具体实行工序划分时，可按下列方法进行。(1)以一次安装、加工作为一道工序。这种方法适合于加工内容不多的零件，加工完成后就能达到待检状态。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容(2)以同一把刀具加工的内容划分工序。有些零件虽然能在一次安装加工多个待加工表面，但程序太长，会受到某些限制(主要是内存容量限制)，机床连续工作时间限制(一个零件应该在一个工作班内加工完毕)，一道工序的内容不能太长。(3)以加工部位划分工序。对于加工内容较多的零件，可按其结构特点将加工部位分成几部分，如内形、外形、曲面、平面等一般先加工平面、定位面，后加工孔;先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状;先加工精度要求较低的部位，再加工精度要求较高的部位。(4)以粗、精加工划分工序。对于易发生变形的零件，为减小加工后的变形，一般先进行粗加工，后进行精加工，并将粗、精加工工序分开。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容3)加工顺序的安排顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位、安装与夹紧的需要来考虑，顺序安排一般应按以下原则进行。(1)上道工序的加工不能影响下道工序的定位和夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也应综合考虑。(2)先进行内腔加工，后进行外形加工。(3)以相同定位、夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序，最好连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容4)数控加工工艺与普通工序的衔接数控加工工序前后一般都穿插有其他普通加工工序，如衔接不好就容易产生矛盾，因此，在熟悉整个加工工艺内容时，要清楚数控加工工序与普通加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点。如要不要留加工余量，留多少，定位面与孔的精度要求及形位公差;对校形工序的技术要求;对毛坯的热处理状态等。这样才能使各工序达到相互满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容2.2.3数控加工工艺路线的设计在选择了数控加工内容和确定了加工路线后，即可进行数控加工工序的设计，数控加下工序设计的主要任务是进一步把本工序的加工内容、切削用量、工艺装备、定位夹紧方式及刀具轨迹确定下来，为编制加工程序做好准备。1.确定走刀路线走刀路线是指刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括工步的内容，也反映了下步顺序。走刀路线是编写程序的依据之一，应遵循如下原则。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容1)寻求最短加工路线图2-3(a)所示零件上的孔系，如图2-3(b)所示的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔。若改用如图2-3(c)所示的走刀路线，减少空刀时间，则可节省定位时间近1/2，提高了加工效率。2)最终轮廓一次走刀完成为保证轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。如图2-4(a)所示，为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不留死角，不伤轮廓。但行切法在两次走刀的起点和终点间会留下残留高度，达不到要求的表面粗糙度。如采用如图2-4(b)所示的走刀路线，先用行切法，最后沿周向环切一刀，光整轮廓表面，就能获得较好效果。如图2-4(c)所示是一条较好的走刀路线。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容3)选择切入、切出方向考虑刀具的进、退刀(切入、切出)路线时，刀具的切出或切入应沿零件轮廓的切线上，以保证工件轮廓光滑;应避免工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面;尽量减少在轮廓加工切削过程中的暂停，此时切削力突然变化，因工件材料的弹性变形易留下刀痕，如图2—5所示。2.确定定位和夹紧方案在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问题。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容(1)尽量采用可调式、组合式等标准化、通用化和自动化夹具，必要时才设计、使用专用夹具。(2)便于迅速装卸零件，以减少数控机床停机时间。(3)尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一，以减少定位误差对尺寸精度的影响。(4)尽量采用工序集中，减少装夹次数，尽可能在一次装夹后能加工出全部待加下表面。(5)避免采用占机人工调整时间长的装夹方案。(6)夹紧力的作用点应落在工件刚度较好的部位，如图2-6所示。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容图2-6(a)所示薄壁套筒的轴向刚度比径向刚度好，用卜爪径向夹紧时工件会变形大，若沿轴向施加夹紧力，变形会小很多，在夹紧如图2-6(b)所示薄壁箱体时，夹紧力不应作用在箱体的顶面，而应作用在刚度较好的凸边上，或者改在顶面上三点夹紧，改变着力点位置，以减小夹紧变形，如图2-6(c)所示。(7)夹紧力应尽量靠近支承点和切削部位，以防止夹紧力引起工件变形对加工产生不良影响。数控加工对夹具的主要要求，一是要保证夹具体在机床上安装准确;二是容易协调零件和机床坐标系的尺寸关系。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容3.确定刀具与工件的相对位置1)对刀点的选择对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点，一般在加工中是刀具相对于零件运动的起点，又称起刀点。对刀点选定后，便确定了机床坐标系和零件坐标系之间的相互关系。在使用对刀点确定加工原点时，就需要进行“对刀”。所谓对刀是指刀位点与对刀点重合的操作。“刀位点”是指刀具的定位基准点，即用来确定刀具位置的参考点。每把刀具的半径都是不同的，刀具装在机床上后，应在数控装置中设置刀具的基本位置。刀位点是指刀具的定位基准点。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容刀具在机床上的位置是由刀位点的位置来表示的，不同的刀具，刀位点不同。如图2-7所示，各类数控机床的对刀方法是不完全一致的。对平头立铣刀、端铣刀类刀具，刀位点为它们的底面中心;对钻头，刀位点为钻尖;对球头铣刀，刀位点为球心;对车刀、锁刀类刀具，刀位点为其刀尖。在对刀时，刀位点应与对刀点一致。对刀点的选择原则如下。(1)主要考虑对刀点在机床上对刀方便、便于观察和检测，编程时便于数学处理和有利于简化编程。(2)对刀点可选在零件或夹具上。为提高零件的加工精度，减少对刀误差，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容如以孔定位的零件，应将孔的中心作为对刀点。对刀点可以选在工件上也可以选在工件外，比如选在机床上或夹具上，但必须与零件定位基准有一定的尺寸关系，这样才能确定机床坐标系与工件坐标系的关系。(3)对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置。对刀点往往就选择在零件的加工原点。(4)对刀点应选在有利于提高加工精度的地方2)换刀点的选择原则上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容对数控车床、锁床、加工中心等多刀加工数控机床，在加工过程中需要换刀，故编程时应考虑不同工序之间的换刀位置，所谓换刀点是指刀架转位换刀时的位置。该点可以是某一固定点，也可以是任意一点，如加工中心的换刀点是固定的，而数控车床的换刀点则是任意的。为避免换刀时刀具与工件及夹具发生干涉，换刀时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点应设在工件的外部，并留有一定的安全量。其设定值用实际测量或计算的方法确定。4.确定切削用量切削用量包括主轴转速(切削速度)、背吃刀量(过去称切削深度)、进给速度(进给量)。对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量，并编人程序中。具体数值应根据机床说明书中的要求和刀具寿命，结合实际经验采用类比的方法来确定。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容编程人员应根据加工时间、刀具寿命和加工质量，选择经济、有效的加工方式，合理地确定切削条件和切削参数。如表2一1所示为车削加工时选择切削条件的参考数据。2.2.4零件的工艺规程零件的工艺规程是指机械加工的方法按规定的顺序把毛坯(或半成品)变成零件的全过程。对于数控加工的零件工艺规程的编制，就是综合不同的工序内容，最终确定出每道工序的加工路线和切削参数等。一个零件的工艺过程是各种各样的，应根据实际情况和具体条件对零件加工中可能会出现的各种不同的方案进行分析，力求制定出一个完善、经济、合理的工艺过程，而且用一个文件予以规定。这个用工艺文件形式规定下来的工艺过程就叫做工艺规程。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容工艺规程的作用可归纳为:工艺规程是组织生产的指导性文件，生产的计划和调度、数控加工程序的编制、质量的检查等都是以工艺规程为依据的。工艺规程是生产准备工作的依据，在产品投入生产以前，要做好大量的技术准备工作和生产准备工作。例如，刀具、夹具、量具的设计、制造或采购;毛坯件的制造或采购;以及必要设备的改装或添置等。所有这些工作都是以工艺规程作为依据来安排和组织的。零件的工艺过程要能可靠地保证图样上所有技术要求的实现，这是指定工艺规程的基本原则。在制定零件工艺规程的时候，必须先仔细研究零件图样和有关的装配图，弄清图样规定的各项公差和技术要求，并对零件图的机械加工和数控加工的工艺性进行认真分析。哪些工序在普通机床上加工，哪些工序在数控机床上加工，工序之间如何衔接。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容工艺规程的制定要依据零件的毛坯形状和材料的性质等因素来决定。这些因素和零件的尺寸精度是选择加工余量的决定因素，编程人员要进行综合考虑。2.2.5填写数控加工技术文件填写数控加工技术文件是数控加工工艺设计的内容之一。这些技术文件既是数控加工的依据、产品验收的依据，也是操作者遵守、执行的规程数控加工技术文件主要有:数控编程任务书、零件安装和原点设定卡片、数控加工工序卡片、数控加工走刀路线图、数控刀具卡片等。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容1.数控编程任务书数控编程任务书阐明了工艺人员对数控加工工序的技术要求和工序说明，以及数控加工前应保证的加工余量。它是编程人员和工艺人员协调工作和编制数控程序的重要依据之一。如图2一8所示。2.数控加工工件安装和原点设定卡数控加工工件安装和原点设定卡应表示出数控加工原点定位方法和加紧方法，并应注明加工原点设置位置和坐标方向，使用的夹具名称和编号。如图2-9所示。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容3.数控加工工序卡片数控加工工序卡片与普通加工工序卡片有许多相似之处，所不同的是:工序简图中应注明编程原点与对刀点，要进行简要编程说明(所用机床型号、程序编号、刀具半径补偿、镜像对称加工方式等)及切削参数(即编程时主轴转速、进给速度、最大背吃刀量或宽度等)的选择。如图2一10所示。4.数控加工走刀路线图在数控加工中，常常要注意并防止刀具在运动过程中与夹具或工件发生意外碰撞，为此签须设法告诉操作者关于编程中的刀具运动路线(如从哪里下刀，在哪里抬刀，哪里是斜斤刀等)。为简化走刀路线图，已采用统一约定好的符号来表示。不同的机床采用不同的图利与格式。如图2一11所示。上一页下一页返回2.2数控加工工艺设计的主要内容5.数控刀具卡片数控加工时，对刀具的要求十分严格，要在机外对刀仪上预先调整好刀具直径和长度。刀具卡片反映刀具编号、刀具结构、尾柄规格、组合件名称代号、刀片型号和材料等。刀具卡片是组装刀具和调整刀具的依据如图2-12所示。上一页返回2.3数控机床用刀具2.3.1数控加工对刀具的要求要实现高速度、高精度与高效率的数控加工，除数控机床要具有高速(主轴转速和进给速度)、高精能力和高自动化程度外，刀具的性能及如何根据加工对象选用合适的刀具有着极为重要的影响。如果一台数控车床采用普通车床的手磨刀具加垫片，由于频繁磨刀和换刀，将导致效率明显降低，加工成本明显增加，这就失去了采用数控机床的意义。因此，对数控加工的刀具有着更严格的要求。1.足够的强度与刚度刀具只有具备足够的强度与刚度，才能满足粗、精加工的要求。现代数控机床具有高速、大动力、高刚度的性能，这就要求刀具具备高速切削与强力切削的性能。下一页返回2.3数控机床用刀具另一方面，高刚度的刀具有利于加工质量的提高，这对于无法使用向导支承套的孔加工极其重要。2.高的刀具耐用度刀具耐用度的提高会减少换刀与对刀的次数，从而减少停机损失。对大余量、难加工材料以及精度要求高的加工，更应注意高硬度、高耐磨性的刀具材料的应用。通常，刀具的耐用度应尽可能保证加工一个零件或一个大型、复杂零件的表面，能够使用一个工作班，至少不低于半个工作班。3.高的可靠性数控加工要求每一把刀都有高的可靠性，若其中某一把刀发生故障(如过快磨损、断裂、崩刃等)，就会使整台机床中断加工。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具4.较高的精度机夹不重磨刃转位刀具的刀片精度一般选用M级，则转位与压紧结构应保证刀片转位时刀尖的位置精度;车刀刀杆安装基面至刀片刀尖的高度有较高要求，以保证不用调整垫片即可满足刀尖(通过工件回转中心)的要求;钻头两主切削刃重磨时应检查对称性;加下中心的精密锁孔应采用微调锁刀。5.可靠的断屑数控机床与传统自动化机床一样，断屑与排屑往往是困扰加工的一个难题。因此，应合理选用切削用量与断屑槽的形状与尺寸，有时还得通过实验确定。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具6.应能够快速更换刀具数控加工对刀刃(刀片)材料的硬度与耐磨性、强度与韧度、耐热性等方面有较高要求，应根据工件材料的切削性能、粗精加工要求及冲击振动与热处理等工况合理选用。2.3.2对刀具材料的基本要求刀具切削部分的材料选择严格，如若选择不慎则会导致刀具严重磨损，甚至损坏，加下质量下降，效率降低，加工成本明显增加。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具1.刀具材料及其选用刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的优劣，直接影响生产效率、加工质量和生产成本。而刀具的切削性能，首先取决于切削部分的材料，其次是几何形状及刀具结构的选择和设计是否合理。在切削过程中，刀具切削部分不仅要承受很大的切削力，而且要承受切屑变形和摩擦产生的高温，要保持刀具的切削能力，刀具应具备如下的切削性能。1)高的硬度和耐磨性刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。常温下一般应在HRC60以上。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好。2)足够的强度和韧度刀具切削部分要承受很大的切削力和冲击力。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧度。3)良好的耐热性和导热性刀具材料的耐热性是指在高温下保持其硬度和强度的衡量指标，耐热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力就越强。刀具材料的导热性越好，切削时产生的热量越容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具4)良好的工艺性为便于制造，要求刀具材料具有良好的可加工性，包括热加工性能(如可焊性、淬透性等)和机械加工性能。5)良好的经济性2.常用刀具材料刀具材料的种类很多，常用的有工具钢，包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因耐热性很差，只宜作为手工刀具。陶瓷、金刚石和立方氮化硼，由于质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，仅在较小范围内使用。目前最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具1)高速钢高速钢是在合金工具钢中加入较多的钨、锢、铬、钒等合金元素的高性能高速钢。(1)普通高速钢。普通高速钢具有一定的硬度(62一67HRC)和耐磨性、较高的强度和韧性，切削刚料时切削速度一般不高于60m/min，不适合高速切削和硬材料的切削。常用牌号有9W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2等。(2)高性能高速钢。高性能高速钢是指在普通高速钢中增加碳、钒的含量或加入一些其他合金元素而得到耐热性、耐磨性更高的新钢种。但这类钢的综合性能不如普通高速钢。常用牌号有9W18Cr4V,9W6Mo5Cr4V2,W6Mo5Cr4V3等。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具2)硬质合金硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物，用钻、锢、镍作为钻结剂烧结而成的粉末冶金制品。其常温硬度可达78~82HRC，能耐850℃一1000℃的高温，切削速度可比高速钢提高4一10倍。但其冲击韧度与抗弯强度远比高速钢差，因此很少做成整体式刀具。实际使用中，常将硬质合金刀片焊接或用机械夹固的方式固定在刀体上。我国目前生产的硬质合金主要分为以下三类。(1)K类(YG);即钨钴类，由碳化钨和钴组成。这类硬质合金韧度较好，但硬度和耐磨性较差，适用于加工铸铁、青铜等脆性材料。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具常用的牌号有YG8,YG6,YG3等，它们制造的刀具依次适用于粗加工、半精加工和精加工。数字表示钴的质量百分数，YG6即Co的质量百分数为6%，含钴越多，则韧度越好。(2)P类(YT):即钨钻钦类，由碳化钨、碳化钦和钴组成。这类硬质合金耐热性和耐磨性较好，但抗冲击韧度较差，适用于加工钢料等韧性材料。常用的牌号有YTS,YT15,YT30等，其中的数字表示碳化钦的质量百分数，碳化钦的含量越高，则耐磨性越好，韧度就越低。这三种牌号的硬质合金制造的刀具分别使用于粗加工、半精加工和精加工。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具(3)M类(YW)即钨钴钛钽铌类，由在钨钴钛类硬质合金中加入少量的稀有金属化物(TaC或NbC)组成。它具有前两类硬质合金的优点，用其制造的刀具既能加工脆性材料，又能加工韧性材料，同时还能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工材料。常用牌号有YW1、YW2等。3)其他刀具材料简介(1)涂层硬质合金。这种材料是在韧度、强度较好的硬质合金基体上或高速钢基体上，采用化学气相沉积(CVD)法或物理气相沉积(PVD)法涂覆一层极薄硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物而得到的刀具材料。通过这种方法，使刀具既具有基体材料的强度和韧度，又具有很高的耐磨性。常用的涂层材料有TiC,TiN,Al2O3等。TiC的韧度和耐磨性好;TiN的抗氧化、抗钻结性好;Al2O3的耐热性好。使用时可根据不同的需要选择涂层材料。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具(2)陶瓷。陶瓷主要成分是Al2O3，刀片硬度可达78HRC以上，能耐1200一1450℃的高温，故能承受较高的切削速度。但它的抗弯强度低，冲击韧度差，易崩刃。陶瓷刀片主要用于钢、铸铁、高硬度材料及高精度零件的精加工。(3)金刚石。金刚石分人造和天然两种，作为切削刀具的材料，大多数是人造金刚石，其硬度极高，可达10000HV(硬质合金仅为1300一1800HV)。其耐磨性是硬质合金的80120倍。但韧度差，对铁族材料亲和力大。因此，一般不宜加工黑色金属，主要用于硬质合金、玻璃纤维塑料、硬橡胶、石墨、陶瓷、有色金属等材料的高速精加工。金刚石刀具用于加工非铁金属，多用于铣、车、钻、铰削的精加工和超精加工。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具(4)氮化硼。这是人工合成的超硬刀具材料，其硬度可达7300一9000HV，仅次于金刚石的硬度。但热稳定性好，可耐1300一1500℃高温，与铁族材料亲和力小。但强度低，可焊性差。目前主要用于加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工的材料。氮化硼刀具用于加工淬火钢，可进行铣削、车削的精加工。刀具材料的选用应对使用性能、工艺性能、价格等因素进行综合考虑，做到合理选用。例如，车削加工45号钢自由锻齿轮毛坯时，由于工件表面不规则且有氧化皮，切削时冲击力大，选用韧性好的K类(钨钴类)就比选用P类(钨钴钛类)有利。又如车削较短钢料螺纹时，按理要用YT类，但由于车刀在工件切入处要受冲击，容易崩刃，所以一般采用YG类比较有利。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具2.3.3数控加工刀具的类型和应用数控加工刀具要根据不同的应用选择不同的类型。1.数控机尿刀具的类型1)广泛采用机夹可转位刀具机夹可转位数控刀具常见的品种、规格有2000种以上，可转位刀具的品种规格很多，可根据各生产厂的产品系列说明选用。机夹可转位刀具有如下特点。(1)刀片各切削刃可转位轮流使用，减少换刀时间。(2)刀刃不需重磨，有利于采用涂层刀片。(3)断屑槽由压制而成，尺寸稳定，节省硬质合金。(4)刀杆、刀槽的制造精度要求高。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具因此，机夹可转位刀具不仅广泛应用于车刀，而且被推广到其他各类型的刀具。转位刀片及刀体尺寸已系列化，我国已生产了车、铣、锁、钻、铰等各类多种规格的转位刀具，供用户选用。如图2一13所示为可转位刀具，如图2一13(a)所示为可转位车刀示例;如图2一13(b)所示为可转位盘铣刀示例;如图2一13(c)所示为可转位扩孔刀示例。2)采用非回转型刀具的数控加工采用非回转型刀具的数控加工(主要是车削加工，其刀具类似于普通车刀)，多采用机械夹固的不刃磨刀片，但对刀柄安装基准面的精度提出了更高的要求。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具3)工具系统的应用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、规格和数量就较多。为使刀具的装夹部分能以最少的品种与规格、较低的成本满足数控机床(特别是加工中心)多种加工的要求，必须使刀具组件实现系列化、标准化、通用化及模块化，从而建立工具系统。目前的数控工具形成了两大系统:车削类工具系统和锁铣类工具系统。(1)车削类工具系统。数控车削加工用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。数控车床常采用立式或卧式转塔刀架作为刀库，刀库容量一般为4~8把刀具，常按加工工艺顺序布置，由程序控制实现自动换刀。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具其特点是结构简单，换刀快速，每次换刀仅需1~2s。目前广泛采用的德国DIN69880工具系统具有重复定位精度高、夹持刚度好、互换性强等特点。(2)锁、铣类工具系统①整体式工具系统。如图2-14所示为锁铣类整体式工具系统，即TM(}整体式工具系统组成它是把工具柄部和装夹刀具的工作部分做成一体。要求不同工作部分都具有同样结构的刀柄，以便于机床的主轴相连，所以具有可靠性强、使用方便、结构简单、调换迅速及刀柄种类较多的特点。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具②模块式工具系统。锁铣类模块式工具系统即TM(}工具系统，是把整体式刀具分解成柄部(主柄模块)、中间连接块(中间连接模块)、工作头部(工作模块)三个主要部分，然后通过各种连接结构，在保证刀杆连接精度、强度、刚度的前提下，将这三部分连接成整体，如图2一15所示。这种工具系统可以用不同规格的中间连接块，组成各种用途的模块工具系统，既灵活、方便，又大大减少了工具的储备。例如，国内生产的TMG10,TMG21模块工具系统，发展迅速，应用广泛，是加工中心使用的基本工具。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具我国已开发TMG系统，包括TMG10(短圆锥定位)、TMG14(长圆锥定位)及TMG21(圆柱定位)等模块式工具系统。如图2一16所示为TMG10工具系统(部分)。它分主柄、中间、工作三大模块，与TSG-JT系统相比，其主柄显著减少。2.数控机尿刀具的应用1)数控车床刀具数控车床刀具种类繁多，功能互不相同。根据不同的加工条件正确选择刀具是编制程序的重要环节，因此必须对车刀的种类及特点有一个基本的了解。数控车床刀具的分类方法通常按以下方式进行。(1)按用途分类。数控车刀从使用特征来看可分为外表面车刀和内表面车刀，它们与普通车刀类似。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具(2)按车刀的结构分类。刀具从结构上可分为整体式车刀、焊接装配式车刀和机械紧固刀片的车刀。机夹式车刀根据刀体结构的不同，又可分为不转位刀片车刀和可转位刀片车刀。目前数控机床用刀具的主流是可转位刀片的机夹刀具。常见的可转位刀片机夹刀具的紧固方式有以下几种。①杠杆式:杠杆式车刀的结构如图2一17所示，由杠杆、螺钉、刀垫、刀垫销、刀片等组成。这种方式依靠螺钉旋紧压靠杠杆，由杠杆的力压紧刀片达到紧固的目的。其特点适合各种正、负前角的刀片，有效的前角范围为-60~+180;切屑可无阻碍地流过，切削热不影响螺孔和杠杆;两面槽壁给刀片有力的支撑，并确保转位精度。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具②楔块式:楔块式车刀的结构如图2一18所示，由紧定螺钉、刀垫、销、楔块、刀片组这种方式依靠销与楔块的挤压力将刀片紧固。③楔块夹紧式:楔块夹紧式的结构如图2一19所示，由紧定螺钉、刀垫、销、压紧楔刀片组成。这种方式依靠销与楔块的压力将刀片夹紧。此外还有螺栓上压式、压孔式、上压式车刀等形式.在车削加工中，由于目前所使用的机夹不重磨刀片，刀片种类和所用材料品种很多，国际标准(ISO)都对机夹可转位刀具的型号、刀片形状代码、刀垫等作出了规定。2)数控铣床、加工中心用刀具数控铣床、加工中心类机床所用的刀具由与机床主轴孔相适应的工具柄部、与工具柄部相连接的工具装夹部分和各种刀具部分组成。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具(1)工具柄部。在数控铣床、加工中心类机床上一般都采用锥度7:24锥面。这是因为这种锥柄不自锁，换刀比较方便，并且与直柄相比有较高的定心精度和较高的刚性。对于有自动换刀装置的加工中心类机床，在加工工件时主轴上的工具要频繁地更换，为了达到较高的换刀精度，工具柄部必须有较高的制造精度。ISOT388/1和GB10944-1989对工具柄部与机械手夹持部分作了统一的规定。如图2-20所示为一标准自动换刀机床用的圆锥工具柄部。(2)数控铣床、加工中心上常用刀具。刀具按工艺用途可分为铣削类、锁削类、钻削类等。按刀具刃部形状可分为平底立铣刀、端铣刀、球头刀、环形刀、鼓形刀和锥形刀等。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具应用于数控铣削加工的刀具主要有平底立铣刀、端铣刀、球头刀、环形刀、鼓形刀和锥形刀，分别如图2一21

(a)~图2-21(f)所示。①平底立铣刀。平底立铣刀制造方便，主要以周边切削刃进行切削，切削性能好，是铣削加工的主要刀具。除用于平面铣削(如凸台、凹槽以及平底型腔等)和二维零件的周边轮廓铣削外，同时也是立体轮廓相加工和多坐标相加工的主要刀具，而且也可应用于立体轮廓的三坐标精加工。在多坐标加工情况下，平底立铣刀的应用有侧铣和端铣两种方式。侧铣方式主要应用于以直线为母线进行旋转、平移或其合成所形成的一类型面(称为直纹面)的加工，是多坐标加工的重要应用场合，可由立铣刀周边切削刃一次成形，加工效率高，并可有效保证型面质量。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具端铣方式主要应用于不适合侧铣加工的其他情况，它采用一行一行的行切方式加工。从工艺范围看，它是多坐标加工的主要方式。它在保证刀具不与型面干涉的前提下，尽可能使平底立铣刀底部贴近被加工表面进行加工，切削条件好，并可有效抑制切削行间的残余高度，从而减少走刀次数。②端铣刀。端铣刀主要用于面积较大的平面铣削和较平坦的立体轮廓(如大型叶片、螺旋桨、模具等)的多坐标铣削，以减小进给次数，提高加工效率与表面质量。上一页下一页返回2.3数控机床用刀具③球头刀。球头刀是三维立体轮廓加工特别是三坐标加工的主要刀具。球头刀加工的刀具中心轨迹是由零件轮廓沿其外法线方向偏置一个刀具半径而成，即使在三坐标加工情况下，除了内凹的暗角，球头刀均可加工。因此，球头刀对加工对象的适应能力很强，且编程与使用也较方便，但球头刀加工也存在一些不足之处。除其制造较困难外，球头切削刃上各点的切削情况不一，越接近球头刀的底部其切削条件越差(切削速度低、容屑空间小等)。因此，在需要刀具底部切削(如型面平坦部位的加工等)的情况下，加工效率难以提高且刀具容易磨损。另外，球头刀加工时的进给行距一般也比相同直径的其他刀具加工时小，因此效率较低。上一