数控刀具参考资料4

　　刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。
　　绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。切削木材用的刀具则称为木工刀具。
　　历史和发展
　　刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前28～前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期(公元前三世纪)，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。
　　然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783年，法国的勒内首先制出铣刀。1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。
　　那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米/分。1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年，美国的泰勒和．怀特发明高速工具钢。1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。
　　在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约8米/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。
　　由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构。1949～1950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其他刀具上。1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。
1969年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。1972年，美国的邦沙和拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐磨性结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。

　　高速铣削刀具的安全性技术
　　1 引言
　　高速铣削工艺在汽车、飞机和模具制造业中应用广泛。由于铣刀高速旋转时刀具各部分承受的离心力已远远超过切削力本身的作用而成为刀具的主要载荷，而离心力达到一定程度时会造成刀具变形甚至破裂，因此研究高速铣刀的安全性技术对发展高速铣削技术有着极其重要的意义。
　　2 高速铣刀安全性技术研究的现状
　　20世纪90年代初德国就开始了对高速铣刀的安全性技术研究，并制订了DIN6589-1《高速铣刀的安全要求》标准草案，规定了高速铣刀失效的试验方法和标准，在技术上提出了高速铣刀设计、制造和使用的指导性意见，规定了统一的安全性检验方法。该标准草案已成为各国高速铣刀安全性的指导性文件。
　　2.1 高速铣刀的安全失效形式与试验方法
　　标准草案规定了高速切削的速度界限，超过该速度后离心力将成为铣刀的主要载荷，必须采用安全技术。在刀具直径与高速切削范围关系图中，曲线以上区域为该标准规定的铣刀必须经过安全检验的高速切削范围：对于直径d1≤32mm的单件刀具（整体或焊接刀具），其切削速度超过10000m/mm为高速切削范围；对于直径d1>32mm的装配式机夹刀具，高速切削范围为线段BC以上区域。
　　高速铣刀的安全失效形式有两种：变形和破裂。不同类型铣刀的安全试验方法也不同。对于机夹可转位铣刀，有两种安全试验方法：一种方法是在1.6倍最大使用转速下进行试验，刀具的永久性变形或零件的位移不超过0.05mm；另一种方法是在2倍于最大使用转速下试验，刀具不发生破裂（包括夹紧刀片的螺钉被剪断、刀片或其他夹紧元件被甩飞、刀体的爆裂等）。而对于整体式铣刀，则必须在2倍于最大使用转速条件下试验而不发生弯曲或断裂。
　　2.2 高速铣刀强度计算模型
　　高速刀具在离心力的作用下是否发生失效的关键在于刀体的强度是否足够、机夹刀的零件夹紧是否可靠。当把离心力作为主要载荷计算刀体强度时，由于刀具形状的复杂性，用经典力学理论计算得出的结果误差很大，常常不能满足安全性设计的要求。
　　为了在刀具设计阶段对其结构强度在离心力作用下的受力和变形进行定性和定量的分析，可通过有限元方法计算不同转速下的应力大小，模拟失效过程和改进设计方案。高速铣刀有限元计算模型中包括刀体、刀体座、刀片和夹紧螺钉。首先计算刀体（包括螺钉、刀片等零件质量）的弹性变形，再对分离出的刀座作详细分析，把所获得的刀体弹性变形作为边界条件加到刀座分离体；然后由切出的刀座、刀片、螺钉及无质量的摩擦副组成刀片夹紧系统的模型，进行夹紧的可靠性分析。有限元模型能模拟刀片在刀座里的倾斜、滑动、转动以及螺钉在夹紧时的变形，可计算出在不同转速下刀片位移和螺钉受力的大小。
　　3 提高高速铣刀安全性的措施
　　结合高速铣刀安全性标准，通过有限元计算模型的分析，为适应安全性要求，可采取以下措施：
　　（1）减轻刀具质量，减少刀具构件数，简化刀具结构
由试验求得的相同直径的不同刀具的破裂极限与刀体质量、刀具构件数和构件接触面数之间的关系，经比较发现，刀具质量越轻，构件数量和构件接触面越少，刀具破裂的极限转速越高。研究发现，用钛合金作为刀体材料减轻了构件的质量，可提高刀具的破裂极限和极限转速。但由于钛合金对切口的敏感性，不适宜制造刀体，因此有的高速铣刀已采用高强度铝合金来制造刀体。
　　在刀体结构上，应注意避免和减小应力集中，刀体上的槽（包括刀座槽、容屑槽、键槽）会引起应力集中，降低刀体的强度，因此应尽量避免通槽和槽底带尖角。同时，刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过铣刀的轴线。刀片和刀座的夹紧、调整结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。目前，高速铣刀已广泛采用HSK刀柄与机床主轴连接，较大程度地提高了刀具系统的刚度和重复定位精度，有利于刀具破裂极限转速的提高。此外，机夹式高速铣刀的直径显露出直径变小、刀齿数减少的发展趋势，也有利于刀具强度和刚度的提高。
　　（2）改进刀具的夹紧方式
　　模拟计算和破裂试验研究表明，高速铣刀刀片的夹紧方法不允许采用通常的摩擦力夹紧，要用带中心孔的刀片、螺钉夹紧方式，或用特殊设计的刀具结构以防止刀片甩飞。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致，同时要控制好螺钉的预紧力，防止螺钉因过载而提前受损。对于小直径的带柄铣刀，可采用液压夹头或热胀冷缩夹头实现夹紧的高精度和高刚度。
　　（3）提高刀具的动平衡性
　　提高刀具的动平衡性对提高高速铣刀的安全性有很大的帮助。因为刀具的不平衡量会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速的平方成正比。
　　设旋转体质量为m，质心与旋转体中心的偏心量为e，则由不平衡量引起的惯性离心力F为：
　　F=emω2=U（n/9549）2
　　式中：U为刀具系统不平衡量（g•mm），e为刀具系统质心偏心量（mm），m为刀具系统质量（kg），n为刀具系统转速（r/min），ω为刀具系统角速度（rad/s）。
　　由上式可见，提高刀具的动平衡性可显著减小离心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照标准草案要求，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940－1规定的G4.0平衡质量等级以上要求。
　　4 结语
　　高速铣刀安全性技术是研究高速刀具的一个重要内容，应加强刀具安全性的定量分析，精确确定影响高速铣刀安全性的微量因素，并从刀具的材料、结构、制造工艺等方面解决好高速铣刀的安全性。

　　刀具的分类
　　刀具按工件加工表面的形式可分为五类：
　　■ 加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等；
　　■ 孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；
　　■ 螺纹加工刀具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等；
　　■ 齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等；
　　■ 切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。
　　此外，还有组合刀具。
　　按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类：
　　■ 通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀(不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀)、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等；
　　■ 成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；
　　■ 展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。

　　刀具的结构
　　各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分(刀齿或刀片)则镶装在刀体上。
　　刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。
　　带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成，而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。
　　刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。
刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种：
　　■ 整体结构是在刀体上做出切削刃；
　　■ 焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；
　　■ 机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。
硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构；瓷刀具都采用机械夹固结构。
刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积。
在选择刀具的角度时，需要考虑多种因素的影响，如工件材料、刀具材料、加工性质(粗、精加工)等，必须根据具体情况合理选择。通常讲的刀具角度，是指制造和测量用的标注角度在实际工作时，由于刀具的安装位置不同和切削运动方向的改变，实际工作的角度和标注的角度有所不同，但通常相差很小。

　　刀具的材料
　　制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等)，并不易变形。
　　通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。
　　聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等；聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属，及合金、塑料和玻璃钢等；碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。
　　硬质合金可转位刀片现在都已用化学气相沉积[font id="__firefox-findbar-search-id" style="padding: 0pt; background-color: yellow; color: black; display: inline; font-size: inherit;"][/font]涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具，也可用于高速钢刀具，如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁，使刀具在切削时的磨损速度减慢，涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高1～3倍以上。
　　由于在高温、高压、高速下，和在腐蚀性流体介质中工作的零件，其应用的难加工材料越来越多，切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。为了适应这种情况，刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料；进一步发展刀具的气相沉积涂层技术，在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层，更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾；进一步发展可转位刀具的结构；提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现最佳化。
　　刀具材料大致分如下几类：高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金刚石。
　　我主要提下陶瓷，陶瓷用于切削刀具的时间比硬质合金早，但由于其脆性，发展很慢。但自上世纪70年代以后，还是得到了比较快的发展。陶瓷刀具材料主要有两大系，即氧化铝系和氮化硅系。陶瓷作为刀具，具有成本低、硬度高、耐高温性能好等优点，有很好的前景。 目前国内国外产品差别很大，刀具算是高技术的消费品!

　　刀具的涂层技术
　　对刀具进行涂层是机械加工行业前进道路上的一大变革，它是在刀具韧性较高的基体上涂覆一层、二层乃至多层具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层（如TiN、TiC等），使刀具具有全面、良好的综合性能。未涂层高速钢的硬度仅为62~68HRC（760~960HV），硬质合金的硬度仅为89~93.5HRA（1300~1850HV）；而涂层后的表面硬度可达2000~3000HV以上。在工业生产中，使用涂层刀具可以提高加工效率、加工精度、延长寿命、降低成本。
　　近30余年来，刀具涂层技术迅速发展，涂层刀具得到了广泛应用。现在，涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具已占全部刀具使用总量的50%以上。在西欧，由于资源匮乏和机械加工的高效化，以及数控技术进步及难加工材料增多，涂层刀具正以惊人的发展速度被动式向前挺进。西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%，新型的数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。
　　涂层刀具有以下优点：
　　■ 由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高温。故与未涂层的刀具相比，涂层刀具允许采用较高的切削速度，从而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。
　　■ 由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故涂层刀具的切削力小于未涂层的刀具。
　　■ 用涂层刀具加工，零件的已加工表面质量较好。
　　■ 由于涂层刀具的综合性能良好，故涂层硬质合金刀片有较好的通用性，一种涂层硬质合金牌号的刀片具有较宽的使用范围。
中国的刀具涂层技术与工业发达国家相比尚有很大差距，涂层刀具的数量也差得很远，大致只占全部刀具的20%。其中数控机床和加工中心上使用得居多，在普通的非数控机床上则相当少，主要是受到认识问题和价格等因素的影响。因此，在中国，刀具涂层技术的发展和应用都有很多潜在的提升空间。

　　切削刀具的发展趋势
　　根据制造业发展的需要，多功能复合刀具、高速高效刀具将成为刀具发展的主流。面对日益增多的难加工材料，刀具行业必须改进刀具材料、研发新的刀具材料和更合理的刀具结构。
　　■ 硬质合金材料及涂层应用增多。细颗粒、超细颗粒硬质合金材料是发展方向；纳米涂层、梯度结构涂层及全新结构、材料的涂层将大幅度提高刀具使用性能；物理涂层（PVD）的应用继续增多。
　　■ 新型刀具材料应用增多。陶瓷、金属陶瓷、氮化硅陶瓷、PCBN、PCD等刀具材料的韧性进一步增强，应用场合日趋增多。
　　■ 切削技术快速发展。高速切削、硬切削、干切削继续快速发展，应用范围在迅速扩大。
　　铣刀加工工艺参数表
　　种类及直径 代木 铝 钢 铜
　　转速S 进给F 转速S 进给F 转速S 进给F 转速S 进给F
　　立铣刀 0.5 3500 1000 3500 1000 3500 1000 3500 1000
　　立铣刀 1 3500 1000 3500 500 3500 500 3500 500
　　立铣刀 2 3500 1600 3500 1500 3500 1000 3200 800
　　立铣刀 4 3300 2000 3500 2000 3500 1500 3200 1600
　　立铣刀 6 3200 2000 3500 2800 3500 1800 3000 2000
　　立铣刀 8 3000 2000 3000 2800 2800 1800 2800 2200
　　立铣刀 10 2800 2000 2700 2800 2500 1800 2500 2000
　　立铣刀 12 2000 2800 2000 3000 1800 2500 2200 2000
　　立铣刀 16 1000 2000 1600 2000 1300 2000 1800 1800
　　立铣刀 20 900 1200 800 1800 750 1000 700 1000
　　立铣刀 25 850 1000 750 1100 700 900 700 950
　　球头立铣刀 0.5 3500 6000 3500 6000 3500 1000 3500 1000
　　球头立铣刀 1 3500 6000 3500 3500 3500 300 3500 3500
　　球头立铣刀 2 3500 6000 3500 1000 3500 600 3500 1000
　　球头立铣刀 3 3500 6000 3500 1000 3500 800 3500 1500
　　球头立铣刀 4 3500 6000 3500 1000 3500 800 3200 1000
　　球头立铣刀 6 3500 6000 3500 800 3500 800 3000 1000
　　球头立铣刀 8 3500 6000 3500 1200 3500 1000 2800 1500
　　球头立铣刀 10 3200 6000（精） 3500 1500（精） 3500 1200（精） 2500 1000（精

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