1.2　數控車削常用刀具

1.2.1　刀具材料

刀具材料主要是指刀具切削部分的材料。刀具材料是影響加工表面質量、切削效率、刀具壽命的基本因素。生產中使用的刀具材料有高速鋼、硬質合金、超硬材料(如陶瓷、金剛石、立方碳化硼)等。

(1)高速鋼

高速鋼是含有較多的鎢、鉻、鉬、釩等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼具有較高的硬度(熱處理硬度可達63~66HRC)和耐熱性(600~650℃),切削碳鋼時的切削速度一般不高于50~60m/min。高速鋼具有較好的工藝性,可以制造刃形復雜的刀具,如鉆頭、絲錐、特種車刀等。高速鋼刀具可加工碳鋼、合金鋼、有色金屬、鑄鐵等多種材料。常用的高速鋼有W18Gr4V、W6Mo5Gr4V2等。

(2)硬質合金

硬質合金的硬度高達89~93HRA,能耐850~1000℃的高溫,具有良好的耐磨性,切削速度可達100~300m/min,可加工包括淬火鋼在內的多種材料,因此獲得廣泛應用。但是硬質合金抗彎強度低、沖擊韌性差,工藝性差,較難加工,不易做成形狀復雜的整體刀具。在實際使用中,一般將硬質合金刀片焊接或機械夾固在刀體上使用。

常用的硬質合金有鎢鈷類(YG類)、鎢鈦鈷類(YT類)和鎢鈦鉭(鈮)鈷硬質合金(YW類)3類。

① 鎢鈷類硬質合金(YG類)。YG類硬質合金常用的牌號中,YG3和YG8常用于粗加工,YG6常用于精加工等。YG類硬質合金的抗彎強度和沖擊韌性較好,不易崩刃,適宜切削切屑呈崩碎狀態的鑄鐵等脆性材料,切削有色金屬及合金的效果也較好。

② 鎢鈦鈷類硬質合金(YT類)。YT類硬質合金常用的牌號中,YT5常用于粗加工,YT15、YT30常用于精加工。由于YT類硬質合金的抗彎強度和沖擊韌性較差,適用于切削切屑呈帶狀的普通碳鋼及合金鋼等塑性材料。

③ 鎢鈦鉭(鈮)鈷類硬質合金(YW類)。YW類硬質合金具有較好的綜合切削性能。常用的牌號有YW1、YW2等。YW類硬質合金主要用于加工不銹鋼、耐熱鋼、高錳鋼,也適用于加工普通碳鋼和鑄鐵,因此稱為通用型硬質合金。

國際標準化組織[ISO 513—1975(E)]規定,將切削加工用硬質合金分為三大類,分別用K、P、M表示。

?K類適用于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬和非金屬材料,相當于我國的YG類硬質合金,外包裝用紅色標志。

?P類適用于加工長切屑的黑色金屬,相當于我國的YT類硬質合金,外包裝用藍色標志。

?M類適用于加工長、短切屑的黑色金屬和有色金屬,相當于我國的YW類硬質合金,外包裝用黃色標志。

(3)超硬材料

① 陶瓷。它有很高的硬度和耐磨性,硬度達78HRC,耐熱性高達1200℃,化學性能穩定,故能承受較高的切削速度。但陶瓷材料的最大弱點是抗彎強度低,沖擊韌性差,主要用于鋼、鑄鐵、有色金屬、高硬度材料及大件和高精度零件的精加工。

② 立方氮化硼(CBN)。它具有僅次于金剛石的硬度和耐磨性,硬度可達8000~9000HV,耐熱高達1400℃,化學穩定性好,與鐵族元素親和力小,但強度低,焊接性差,主要用于淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金和一些難加工材料的加工。

③ 金剛石。金剛石是目前已知的最硬物質,其硬度接近10000HV,是硬質合金的80~120倍,但韌性差。金剛石刀具可用于加工非金屬及有色金屬材料。金剛石刀具不能用于加工黑色金屬,因為黑色金屬中的某些元素會腐蝕金剛石,從而導致刀具快速磨損。金剛石刀具更多地應用于高速精加工及半精加工中。

1.2.2　常用刀具分類

數控車床上用于車削加工的刀具稱為數控車刀。車刀類型較多,按照刀具材料可分為高速鋼刀具、硬質合金刀具、涂層刀具及非金屬材料刀具等。按照車刀切削刃形狀可分為尖形車刀、圓弧形車刀和成形車刀等。按刀片與刀體固定方式可分為焊接式和機夾式兩種。按用途不同可分為外圓車刀、端面車刀、切斷刀、孔車刀、螺紋車刀以及成形車刀等,如圖1?5所示。

外圓車刀用于車削工件外圓、臺階、倒角、端面等。切斷刀(切槽刀)用于切斷工件或切工件槽;車孔刀用于車削工件孔;螺紋車刀用于車螺紋。數控車刀應用如圖1?6所示。

由于機械夾固式可轉位車刀適合數控加工要求,可充分發揮數控加工的優勢,因此,數控車削大量使用機夾式可轉位車刀。機夾式可轉位車刀組成如圖1?7所示。機夾式可轉位車刀的優點是刀片磨損后刀體不用重新裝夾對刀,將刀片轉過一個角度,新的切削刃到達切削位置,夾緊后即可繼續切削,節省刀具調整時間,使用方便,提高了生產效率。機夾刀具已標準化,尺寸穩定,刀桿、刀槽的制造精度高。切削刃不重磨,有利于使用涂層刀片,延長了刀具的使用壽命。機夾式可轉位車刀類型和使用刀片如表1?1所示。

數控車刀按切削刃形狀可分為尖形車刀、圓弧形車刀和成形車刀三類。

① 尖形車刀。尖形車刀的特征是切削刃為直線,由直線型的主、副切削刃構成。尖形車刀有90°外圓車刀、90°孔車刀、左、右端面車刀、切斷(切槽)刀以及刀刃倒棱很小的外圓和孔車刀。數控編程時通常以該車刀的刀尖為刀位點。

用尖形車刀加工,零件的輪廓形狀由車刀的刀尖或其直線型主切削刃移動后得到。尖形車刀車削加工成形原理與另兩類車刀是不同的。

尖形車刀幾何參數(主要是幾何角度)的選擇方法與普通車削時基本相同,但需考慮數控加工的特點(如加工路線、加工干涉等),并兼顧刀尖的強度。

② 圓弧形車刀。圓弧形車刀的特征是切削刃為圓弧形。該車刀圓弧刃上每一點都是圓弧形車刀的刀尖,因此,刀位點不在圓弧上,而在該圓弧的圓心上。

當某些尖形車刀或成形車刀(如螺紋車刀)的刀尖具有一定的圓弧形狀,并進行刀尖半徑圓弧補償,可作為圓弧形車刀使用。圓弧形車刀可用于車削工件內、外表面,特別適合于車削各種光滑連接(凹形)的成形面。選擇車刀圓弧半徑時應考慮兩點:一是車刀切削刃的圓弧半徑應小于或等于零件凹形輪廓上的最小曲率半徑,以免發生加工干涉;二是該半徑不宜選擇太小,否則不但制造困難,還會因刀具強度弱或刀體散熱能力差而降低車刀使用壽命。

③ 成形車刀。成形車刀俗稱樣板車刀,其加工零件的輪廓形狀完全由車刀刀刃的形狀和尺寸決定。數控車削加工中,常見的成形車刀有小半徑圓弧車刀、非矩形槽車刀和螺紋車刀等。當車刀刀尖的圓弧半徑與零件上最小的凹形圓弧半徑相同,且加工程序中無此圓弧程序段時,例如加工半徑為0.2mm的輪廓,屬于成形車刀性質。

在數控加工中,應盡量少用或不用成形車刀,當確有必要選用時,則應在工藝準備文件或加工程序單上進行詳細說明。

1.2.3　數控車刀選擇

實際生產中,數控車刀主要根據數控車床回轉刀架上的刀具安裝尺寸、工件材料、加工類型、加工要求及加工條件從刀具樣本中查表確定。機夾可轉位車刀刀片的選擇要點如下。

(1)刀片材質的選擇

車刀刀片的材料主要有高速鋼、硬質合金、涂層硬質合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等。其中應用最多的是硬質合金和涂層硬質合金。選擇刀片材質,主要依據被加工工件的材料、被加工表面的精度、表面質量要求、切削載荷的大小以及切削過程中有無沖擊和振動等。

(2)刀片尺寸的選擇

刀片尺寸的大小取決于有效切削刃長度L。有效切削刃長度與背吃刀量、車刀的主偏角有關,使用時可查閱有關刀具手冊。

(3)刀片形狀的選擇

刀片形狀主要依據被加工工件的表面形狀、切削方法、刀具壽命和刀片的轉位次數等因素選擇。常見可轉位車刀刀片及角度如圖1?8所示。

正三角形刀片可用于主偏角為60°或90°的外圓車刀、端面車刀和孔車刀。由于此刀片刀尖角小、強度差、耐用度低,故只宜用較小的切削用量。

正方形刀片的刀尖角為90°,比正三角形的60°要大,因此其強度和散熱性能均有所提高。該種刀片通用性較好,主要用于主偏角為45°、60°、75°等的外圓車刀、端面車刀和車孔刀。

正五邊形刀片的刀尖角為108°,其強度、耐用度高,散熱面積大。但切削時徑向力大,只宜在加工系統剛性較好的情況下使用。

菱形刀片和圓形刀片主要用于成形表面和圓弧表面的加工,其形狀及尺寸可結合加工對象參照國家標準來選定。

1.2.4　數控車床切削用量選擇

切削用量包括主軸轉速(切削速度)、切削深度(背吃刀量)、進給量。對于不同的加工方法,需要選擇不同的切削用量,并編入數控程序中。

合理選擇切削用量的原則是:粗加工時,以提高生產率為主,但也應考慮經濟性和加工成本;半精加工和精加工時,應在保證加工質量的前提下,兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書、切削手冊,并結合經驗而定。

(1)切削深度ap(mm)

在機床動力足夠(經機床動力校核確定)和工藝系統剛度許可的條件下,粗加工切削深度(背吃刀量)應盡可能大,以便提高生產率,可以選擇切削深度等于加工余量,即粗車深度等于粗車余量,半精車深度等于半精車余量。在數控機床上,精加工余量選擇可小于普通機床,一般取0.2~0.5mm。

(2)主軸轉速n(r/min)

主軸轉速根據允許的切削速度vc(m/min)選取。主軸轉速n計算公式:

n=1000　　(r/min)

式中　vc——切削速度,由刀具的耐用度決定,m/min;

　　d——工件或刀具直徑,mm。

切削速度數據可在機床說明書中或工藝手冊中查取。表1?2為硬質合金外圓車刀切削速度推薦值。

　　注:切削鋼及灰鑄鐵時刀具耐用度約為60min。

(3)進給速度F(進給量f)

進給速度(進給量)是數控機床切削用量中的重要參數。進給速度包括縱向進給速度和橫向進給速度,其值按下式計算:

F=Sf

式中　F——進給速度,mm/min;

　　f——進給量,mm/r;

　　S——工件或刀具的轉速,r/min。

進給速度根據零件的加工精度和表面粗糙度,以及刀具、工件的材料性質選取。當加工精度高、表面粗糙度小時,進給速度數值應選小些,一般在20~50mm/min范圍內選取。粗車時最大進給量則受機床剛度和進給系統的性能限制,一般取為0.3~0.8mm/r,精車時常取0.1~0.3mm/r,切斷時常取0.05~0.2mm/r。表1?3為硬質合金車刀粗車外圓及端面的進給量參考值,表1?4為按表面粗糙度選擇進給量的參考值,供選用參考。

　　注:1.加工斷續表面及有沖擊的工件時,表內進給量應乘系數k=0.75~0.85。

2.在無外皮加工時,表內進給量應乘系數k=1.1。

3.加工耐熱鋼及其合金時,進給量不大于1mm/r。

4.加工淬硬鋼時,進給量應減小。當鋼的硬度為 44~56HRC時,乘以系數k=0.8;當鋼的硬度為57~62HRC時,乘以系數k=0.5。