正确使用刀具和鉴别刀具.docx
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正确使用刀具和鉴别刀具
如何正确使用刀具和鉴别刀具
一刀具的基本知识
目前雕刻机所使用的刀具，在刀具的分类中基本上都可以归结为铣刀中的立铣刀，相对直径较小，一般只有φ8mm以下；使用转速较高，一般16000~24000rpm；下面主要从刀具的材料，刀具的几何参数、刀具的加工方式、雕刻加工对刀具的特殊要求等方面为大家做一下介绍：
1.1刀具材料
刀具的材料是生产和使用刀具至关重要的一环，一般刀具材料所具备的性能如下：
a高的硬度和耐磨性；
硬度是刀具材料应具备的基本特性，刀具要从工件上切下材料，其硬度必须比工件材料的硬度大。
刀具材料硬度一般在60HRC以上。
耐磨性是材料抵抗磨损的能力，一般情况下，刀具材料的硬度越高，耐磨性越好，材料晶粒越细、分布越均匀，则耐磨性越高。
b足够的强度和韧性；
要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程中出现冲击和振动的条件下工作而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须有足够的强度和韧性。
c高耐热性；
指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。
刀具材料的高温硬度越高，则刀具的切削性能越好，允许的切削速度也越高；除高温硬度外，刀具材料还应具有在高温下抗氧化的能力以及良好的抗粘结和抗扩散的能力。
d良好的工艺性能；
为便于制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能。
e经济性；
经济性是刀具材料的重要指标之一。
有的刀具材料虽然很贵，但因其寿命长，分摊到每个零件的成本不一定很高。
f切削性能的可预测性。
随着加工自动化的发展，要求刀具磨损及刀具耐用度等切削性能具有良好的可预测性。
1.1.1常用的刀具材料
工具厂家生产中所用的刀具材料以高速钢（如W18Cr4V）和硬质合金（如YG6X）居多。
碳素工具钢（如T10A、T12A），工具钢（如9SiCr、CrWMn）因其硬耐热性差，仅用于手工刀具。
硬质合金涂层刀具，陶瓷，金刚石，立方氮化硼材料以其优异的性能已在许多领域开始得到应用。
（1）硬质合金切削性能优良，早期的硬质合金比高速钢的抗弯强度低许多，随着技术的发展，其抗弯强度已接近甚至超过一般的高速钢。
目前我公司采用的刀具（包括外购刀具）都是整体硬质合金圆棒全磨制而成的。
我公司自产刀具选用的硬质合金材料为山特维克（SANDVIK）提供的H6FF，其主要成份为6%的Co和94%的WC，其性能参数如表1所示：
表1SANDVIK—H6FF性能参数
维氏硬度
洛氏硬度
洛氏硬度
抗弯强度
抗压强度
密度
相当ISO
晶粒度
HV30
HRA
HRC
N/mm2
N/mm2
g/cm3
1850
93.6
80.6
4400
7400
14.85
K05/K10
0.6µm
这种材料的特点硬度高，抗弯强度高。
在加工钢料、有色金属材料时，因其脆性大，建议使用过程中要注意先低于正常走刀速度磨合一段时间（大约5分钟）后，再上正常速度，以利于刀具的稳定性，从而提高刀具的耐用度。
顺便介绍一下关于硬度的知识：
所谓硬度，通常可以理解为金属表面局部体积内抵抗外物压入而引起塑性变形的抗力。
常用的试验方法有三种：
布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA\HRB\HRC）、维氏硬度（HV）。
布氏硬度（HB）的含意：
用一定直径的淬硬钢球，在一定的载荷（p）作用下，压入试件表面，停留一段时间，然后除去载荷，测量压痕的面积，压痕越小表示抵抗塑性变形能力（即硬度）越大，压痕越大硬度越小。
洛氏硬度（HRA）：
代表在试验载荷为60kg下，使用顶角为120度的金刚石圆锥压头；
洛氏硬度（HRB）：
代表在试验载荷为100kg下，使用直径1/16”淬硬钢球；
洛氏硬度（HRC）：
代表在试验载荷为150kg下，使用顶角为120度的金刚石圆锥压头；
维氏硬度（HV）：
是利用顶角为136度的金刚石四方角锥体作压头，在一定的载荷下压入试件表面，留下方形压痕，根据对角线的长度，即可查出硬度值
HVS-50型数显维氏硬度计HBRV-187.5型布洛维硬度计
高速钢材料与硬质合金材料性能对比如表2所示：
表2硬质合金、高速钢材料性能对比
维氏硬度
洛氏硬度
洛氏硬度
抗弯强度
密度
相当ISO牌号
硬质合金
HV30
HRA
HRC
N/mm2
g/cm3
sandvikH6FF
1850
93.6
相当于80.6
4400
14.85
K05/K10
南昌
1515
91.5
相当于76.7
2950
14.75
K10
YG6
1315
89.5
相当于73.9
1430
14.75
K10
YG6X
1460
91
相当于76.2
1400
14.75
K05
高速钢
W18Cr4V
820
83.7
63~66
3200
8.7
W6Mo5Cr4V2Al
940
85.6
67~69
3500
9.12
高速钢刀具的质量还要取决于刀具生产厂家的热处理工艺，淬火后刀具的性能；而且在高温下高速钢硬度会下降许多，如W18Cr4V在500℃时56HRC；600℃时48.5HRC。
（2）金刚石刀具
在有机材料切割和高光型面板行业开始使用金刚石刀具。
金刚石具有极高的硬度和耐磨性，有资料显示其耐用度比硬质合金可提高及几倍到几百倍。
金刚石刀具不适合加工黑色金属。
公司已开始联系生产厂家生产，聚晶金刚石样刀（PCD）已开始在分公司和客户试用，不久将能供应市场。
1.2刀具的几何形状
目前公司供应的刀具主要有单刃螺纹刀具（图1），双刃螺纹刀具（图2），双刃螺纹球头刀具（图3），双刃直槽（平底、锥度）刀具（图4、4A），双刃直槽组合刀具（图5），双刃直槽锥度球头刀具（图6），棱形刀具（图7），开半刀具（图8）八个大系列，几百种规格。
还有多刃直槽螺纹刀具。
根据不同的用途，衍生出更多刀型和尺寸，来满足市场需求。
图1
图2
图3
图4
图4A
图5
图6
图7
图8
1.3刀具的几何参数
刀具的几何参数包括刀具的切削角度（前角、后角），刀面的形式以及切削刃的形状（直线形、折线形），下面以双刃直槽，开半，单刃螺纹，双刃螺纹刀具为例来介绍刀具的几何参数。
1.3.1双刃直槽（2B）刀具（图9）：
图9
刀具的前角：
前角----前刀面（切屑沿其流出的表面）与中心线（两对称刃尖连线）的夹角。
前角的大小决定刀刃的锋利程度和强固程度，它对切削过程有着重要影响。
前角越大，刀刃则越锋利，切削越轻快，刀刃强度较弱；反之则正好相反。
一般切削非金属选用较大前角，切削金属选用较小的前角。
刀具的后角：
后角----后刀面（与已加工表面相对的面）与切削平面间（刃尖外圆切平面）的夹角。
后角的主要功用是减少切削过程中后刀面与加工表面之间的摩擦，后角的大小还影响作用在后刀面上的力、后刀面与工件接触长以及后刀面的磨损强度，因而对刀具耐用度和加工表面质量有很大影响。
1.3.2开半刀具（单刃直槽1B）（图10）
图10
锥刀为了提高刀具整体强度，一般开半尺寸要大于刀杆半径尺寸，因此，锥刀前角在各部位因直径尺寸不同而不同的，开半径尺寸相同的情况下，直径越小，其负前角度数越大（相当于前角小）；直径越大，其负前角度数越小（相当于前角大）。
例如：
1.63的开半尺寸，0.2直径处，前角为-11度；3.175直径处时前角为-1.4度。
前角计算公式
TANγ=（B-R）/r
〈γ为前角B为开半尺寸R为刀具柄部半径r为垂直轴线截面切削刃半径〉
表3锥刀推荐开半尺寸、角度
材料（锥刀带号）
B
后角
广告（G）
1.60
45
59Cu（T）
1.63
30
钢材（M）
1.65
20
纯铝
1.61
60
纯铜
1.62
45
开半刀具（锥刀）相对于轴线存在偏转，在高速旋转加工过程中，会产生离心力，对电机会产生震动，因此建议客户开半长度在满足需要的情况下尽可能短。
目前公司刀具部所生产的刀具开半长度都控制在5mm以下。
1.3.3单刃螺纹铣刀（1W）（图11）
图11
螺纹铣刀按照螺旋方向的不同分为正螺纹铣刀（右旋符合右手定则）和反螺纹（左旋符合左手定则）上图所显示的单刃螺纹刀具为正螺纹。
螺纹刀具的前角是在法剖面的γn，后角是在端剖面测量的α。
tanγn=tanγcosββ为刀具的螺旋角
单刃螺纹刀具前角可以做的较大，最大可以达到50度，刀刃比较锋利；刀刃的截面积一般是刀杆截面积的40%。
比较适合切割加工非金属材料（压克力、PVC、ABS、代木等）。
通过调整刀具的角度，增大刀刃截面积，减小前角，也可适用于有色金属加工。
1.3.4双刃螺纹铣刀（牛鼻）（2W）（图12）
图12
双刃螺纹刀具的刀刃相对轴线对称，属于平衡刀具，在高速旋转加工过程中，不会产生径向离心力，不会对电机会产生震动。
双刃螺纹刀具的强度较其他要好，刀刃截面积可达到刀杆的60%。
二现有生产刀具规格及工艺参数
三刀具的使用
3.1刀具的加工方式
加工方式因刀具旋转切入工件的方向与刀具进给方向的不同而分为顺铣和逆铣。
如图：
图15
逆铣加工时，刀齿的切削厚度从0到最大，刀齿在工件表面上挤压和摩擦，刀齿较易磨损；顺铣则正好相反，刀齿的切削厚度从最大到0，容易切下切削层，刀齿磨损较少，资料表明，顺铣可提高刀具耐用度2~3倍。
目前，我公司生产的雕刻机丝杠都有预紧，因此，不会出现大的反向间隙，建议去大料时使用顺铣方式。
顺铣加工时，要求工件侧边没有硬皮（一般锻造、磨削加工后的钢件表面会产生加工硬化），否则刀具很易磨损。
3.2刀具的切削形式
刀具的切削形式只要有以下三种：
如图
切割形式一刀切透，双边切削，主要用于非金属材料切割；
开槽形式双边切削，吃刀深度较浅，主要用于金属、非金属材料粗加工，刀具强度相对较弱的情况下；
单边切削单边切削有两种情况，吃刀深度较浅，切削宽度较大；吃刀深度较深，切削宽度较小。
主要用于金属、非金属材料粗加工，刀具强度相对较弱的情况下。
切割示意图开槽示意图单边切削示意图
图16
3.3刀具的安装
刀具安装的长短直接影响到工件的加工质量，建议刀具的悬出长度尽可能短。
刀具变形公式：
变形量ω刀具悬伸长度L刀具直径D刀具材料的弹性模量E
径向作用力F惯性矩I
有上述公式可以得出下面的结论：
刀具悬伸长度的三次方与变形量成正比，刀具悬伸长度越长变形量越大；
刀具直径的四次方与变形量成反比，刀具直径越细变形量越大。
刀具的装卡注意事项：
雕刻机采用的是弹簧卡头，由于弹簧卡头的槽内很容易积攒碎屑，加工有机材料时，应定期用有机溶剂（如氯仿）浸泡，加工金属用毛刷刷净。
刀具装卡不正会出现刀具磨损不均匀，刀具易折断。
3.4刀具角度的选取
刀具截形面积公式：
（r为刀具半径，α为刀具后角）
锥刀刃长与角度公式：
初始半径为0，刃长为0.1，后角不变，不同角度截面积如下表：
刃长
半径
锥度
后角
截面积
截面积比值
0.1
0.008748
10
30
0.0001
1
0.1
0.017631
20
30
0.0004
4
0.1
0.026793
30
30
0.0009
9
0.1
0.036394
40
30
0.0016
16
0.1
0.046627
50
30
0.0026
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