数控刀具相关材料培训.docx
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数控刀具相关材料培训
数控刀具培训教材
l关于培训刀具相关材料
l一、切削刀具的概述……………………………………………………………（3）
u材料的应用与选择……………………………………………………（4）
l二、切削刀具的种类与应用
1．车刀类
u⑴刀片的表示方式与选型…………………………………………….（6）
u⑵外圆………………………………………………………………….（12）
u⑶内孔…………………………………………………………………..（16）
u⑷切槽…………………………………………………………………..（18）
u⑸切断…………………………………………………………………..（19）
u⑹螺纹加工……………………………………………………………..（20）
2．铣床类
u㈠加工中心刀柄类……………………………………………………（24）
u⑴弹性夹头及夹头…………………………………………………（24）
u⑵钻夹头………………………………………………………………（25）
u⑶侧固式刀柄…………………………………………………………（26）
u⑷莫氏刀柄……………………………………………………………（26）
u⑸强力夹头……………………………………………………………（26）
u⑹铣刀盘刀柄…………………………………………………………（27）
u⑺丝攻夹头…………………………………………………………（27）
u⑻粗镗刀与精镗刀……………………………………………………（28）
u⑼对刀仪………………………………………………………………（31）
u㈡刀具类
u⑴立铣刀……………………………………………………………（32）
u⑵钻头…………………………………………………………………（40）
u⑶丝攻…………………………………………………………………（42）
l三、加工的各种要素……………………………………………………………（49）
l四、加工中常遇到的问题与解决方法
u车削细长轴常见的工件缺陷和产生原因……………………………（53）
u卧式车床加工常见问题的产生原因及解决方法……………………（53）
u切削加工出现的故障和解决方法……………………………………（54）
u磨削加工出现的故障和解决方法……………………………………（56）
u在模具制造领域的常见问题解答……………………………………（57）
l五、刀具的保养与维护.………………………………………………………..（66）
l六、相关的刀具论文
1.五金工具的市场分布及发展趋势分析………………………….（66）
2.正确为数控机床选用刀具及编程……………………………….（72）
3.汽车工业切削与刀具技术现状………………………………….（75）
4.淬硬模具的高速加工…………………………………………….（81）
5.硬质合金刀具科普知识……………………...…………………..（83）
6.如何加工不锈钢……………………………………………（86）
7.刀具产品概述……………………………………………（87）
8.刀具的选择和切削用量的确定。
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（93）
9.对钢材性能产生影响的元素。
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10.10金属材料工艺性能名词简介。
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一、切削刀具的概述
切削刀具作为机械加工的辅助产品，现在机械业发展已在各行各业不断的应用，很多企业者会用到刀具，特别是五金、机械、电子、模具、汽车和航天航空产业，对刀具的应用越来越广泛，其刀具包括各种刀具,如,车刀、铣刀、丝攻、钻头、和各种非标的刀具，应用之广泛。
当然这只是中国汽车产业一个代表而已，就中国而言，每个省份都有生产汽车，其相关的配套厂分布也非常广。
加之，汽车零部件的需求量来更为广了，虽然航天航空产业来说在中国不是很多地方都有此产业，但其用量也很大，而且其刀具的的要求也非常高
（上图为车削类刀片）
（上图铣削类刀片）
材料的应用与选择
工具钢
碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、普通高速钢、高性能高速钢
硬质合金
按晶粒大小区分：
普通硬质合金、细颗粒硬质合金、微颗粒硬质合金
按主要成分区分：
钨基硬质合金、钛基硬质合金
陶瓷
氧化物陶瓷氮化物陶瓷
超硬材料
立方氮化硼、金刚石
刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构。
刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响，因此十分重要。
1刀具材料应具备的性能
刀具切削部分的材料在切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动，因此应具备以下基本性能：
高的硬度、高的耐磨性、足够的强度和韧性、高的耐热性（热稳定性）、良好的热物理性能和耐热冲击性能和良好的工艺性能和经济性。
2常用刀具材料
（1）高速钢—具有较高的热稳定性、高的强度，刀具制造工艺简单。
（2）硬质合金—具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用语制造整体刀具。
（3）陶瓷材料—硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提高
由于干切削时会产生强烈的摩擦和极高的温度（如用硬质合金钻头在调质钢CK45上以Vc=80m/min和f=0.2mm/min进行干切削时，在接触区会达到380℃-410℃的高温。
又如干铣钢件时温度通常会超过600℃），所以对用于干切削的刀具要具有较高的高温硬度和耐磨性。
目前，用于干切削的主要有立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具材料、钛基硬质合金（Cermets）、硬质合金和聚晶金刚石（PCD）等刀具材料。
其中CBN是淬硬钢和铸铁干加工最常用的刀具材料；而氮化硅（Si3N4）特别适合于在断续切削和铸件有砂皮情况下对铸件和球墨铸铁进行干切削；Cermets在硬度上是介于陶瓷刀具和硬质合金之间的刀具材料，它是高速干切削钢件的合适材料。
表1：
几种硬涂层和软涂层的性能
开发干切削刀具，除了正确选择刀具材料和优化刀具几何参数外，大力发展刀具涂层具有特别重要的意义。
通过在刀具基体上的硬、软涂层可以弥补由于放弃冷却润滑液而失去的某些功能。
涂层的作用在于在刀具与切削材料之间筑起一道屏障，以阻拦大部分切削热向刀体传导。
由于涂层摩擦系数小，减少了摩擦并由此降低摩擦热。
在目前已可以通过一系列高温耐磨的硬涂层和润滑性好的软涂层来满足各种干切削工艺的不同要求（表1）。
例如，由于TiAlN涂层具有较高的高温硬度和抗氧化性能，所以在切削温度很高的场合，它是最常用的“隔热”涂层，并特别适用于干切削铸铁、钢和不锈钢等零件。
而TiCN只是在较低温度下具有较高的硬度和较好的韧性，故很适合于用作丝锥的涂层，用于干式攻丝。
铣削和车削是一种外加工，切削热和切屑的排除比较简单。
而在实心材料上钻孔则是一种内加工，从孔中排除切削热和切屑就比较困难。
因此，干钻削是干加工工艺中最难的工艺。
但经过多年的开发和实验，目前这个难题已可以通过改进钻头的几何形状和采用硬涂层来解决。
如改进排屑槽的横截面形状，使槽口直延伸到柄部、增大排屑槽的螺旋角、采用较大的倒锥、较窄的倒棱和较小的刀刃半径以及采用TiAlN涂层和微量润滑等措施，以减少摩擦和确保可靠排屑。
应该指出，干钻削与湿式钻削相比，前者的优点还在于干切削钻头的寿命要高于湿式切削的钻头。
有一个例子，在采用相同切削参数情况下，干切削时钻孔的数量达到2700个，而湿式加工时，因受到由冷却润滑引起温度突变（热冲击）的影响，孔的加工数量仅为1080个，干切削钻头的耐用度提高了2.5倍。
在干切削像铝合金这样的塑性材料时，在刀刃上易形成积屑瘤。
目前，在涂金刚石涂层的硬质合金刀具上再涂上滑动和润滑性好的WC/C涂层后，可明显减少了积屑瘤的形成。
二、切削刀具的种类与应用
如何分清其加工的机械的种类与选型的标准
（一）机械加工中常用到的是：
车、铣、钻、磨、刨。
但我们多数做的多是车、铣、钻等。
如何知道那些是加工中心加工（铣床）？
那些是数控车加工（普通车床）呢？
在这行有接触的人都知道的，零件多数为两种：
一是箱体（杂合体）；一是盘轴类。
箱体相对来说比较复杂的需要十几把或是很更多种刀具来加工，如加工中心上才能来完成的，盘轴类的多数是比较单一，刀具比较少是枇量生产的，如数控车床加工（或是普通车床加工），但通常会出现这样的情况，有箱体与盘类相结合的时候，就容易让人糊涂了，其实我们只要有心想一下还是能分清的，也就是一般工厂的习惯是，先服从车削而后再进行铣削加工的。
因车床的造价低，加工的成本相对来说比较低的。
（二）从我了解的配刀方案的经验中，有下面几个选择方法
Ⅰ。
首先要按图纸要求加工，了解其加工的的工艺，从面到点而一步步的选取刀具，挺别注意的是：
①车我外圆时的要注意仿型加工和切槽，一定要避开后刀背与工件的接触，车床最多考虑的也是接触到各个面和排屑等的方题，如果能避开其已加工面，或是刀尖能完成其切削路线就是达到了加工要求了。
②铣削时多数考虑到的是仿型与加工的精度，还有就是各种特殊的要求，下面将细说，在此先不表了。
Ⅱ。
当很多种刀具都能满足加工要求时我们就要从两方面来考虑
①我们现在的库存，这是首选的，因为这样可以减少我们的库存
②选取造价比较低的，这样客户能接受我们的价格，胜算相对来说也比较大的。
Ⅲ。
在配刀时，一定要知：
那些是消耗比较大的？
那些是一次性定购或是不常定购的？
①如果客户首先考虑到的是价格，那选择一次性定购的或是比较少定购的，而质量将就的行。
就要选便宜一点的，比较选台湾的刀杆等，
②如果客户首先考虑到的是加工的质量的话，就是选比较好一点的，也就是刀杆这一方面要选取原装进口的
③刀片等其他消耗品是我们以后发展的主要来源，所选的品牌一定是我们有优势的，最好是只有我们才有的，这样别人就没有代替了，就比如山特维克一样，他们所选的刀具多数是只有他们才有的，别家的产品是很难替代的，但其他的品牌他就能替代。
1．车刀类
车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具。
它可以在车床上加工外圆、端平面、螺纹、内孔，也可用于切槽和切断等。
车刀在结构上可分为整体车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片的车刀。
机械夹固刀片的车刀又可分为机床车刀和可转位车刀。
机械夹固车刀的切削性能稳定，工人不必磨刀，所以在现代生产中应用越来越多。
复杂零件的仿形车削加工
在机械加工中，一些结构复杂的零件，其加工工艺是很复杂的，有时还要求操作者能在最短的时间内将工件加工出来，尤其是难加工材料的工件，其加工工艺更为复杂。
为此，制造厂家不断地寻求更加经济有效的方法来加工复杂零件，包括车削零件。
CNC机床的先进性已使我们对几乎可想象到的刀具轨迹进行编程。
但是当刀具沿着这些轨迹运动时，其刀具和零件之间的关系（切入角、进给量、切削速度和深度）持续发生着变化。
所以，解决上述问题的关键在于如何以最有效和经济的方式车削复杂零件。
复杂性的含义
复杂的车削加工可能是刀具在径向和轴向上同时进给的加工以形成不同的零件廓形。
除此之外，其它复杂因素还包括工件材料的可加工性、期望的产量和机床能力，当然也有交货期及加工成本。
应当注意的是一个车间认为复杂的零件也许被另一个车间认为是常规零件，即零件的复杂性并不总是很明显的。
Voss工业公司的JohnCampell先生指出，一个看起来简单的零件或许比一个复杂形状的零件更具挑战性。
他将718镍合金法兰的车削加工与螺旋管接头的加工作了一个比较。
尽管螺旋管接头要求10次安装和24道工序，但一旦安装好开始加工后，这个过程就不再需要调节。
另一方面，718合金法兰在加工过程中要求连续进行调节以补偿材料回弹、收缩和刀具磨损。
另外，不同材料、同样形状的工件对切削力的反应不同。
以法兰为例，在材料规定的范围内，镍和铬元素的变化可能使一批材料与另一批材料以及零件与零件之间的切削条件发生变化。
选择刀片几何形状
车削一个复杂零件，最基本的要求是切削刃能够进入到零件廓形所在的区域。
这要求选择适当的刀片形状、主偏角、副偏角、前角和后角。
当选择刀片形状时，关键是应考虑刀片的强度。
其中，圆刀片的强度最高。
对非圆形刀片，刀尖角越大，其强度越高。
但是由于隙角的原因，仿形车削通常使用35°或55°的菱形刀片。
刀杆的选择实际上由所要求切入的轨迹来决定，如果需要进行复杂的仿形车削，则可选择安装菱形刀片的J型刀杆，这样可形成较大的后角。
刀片的刀尖角和主偏角一起决定着刀具能否进入工件轮廓；工件和刀片主切削刃之间的间隙、副后刀面及其下半部分的后角至关重要。
我们常常靠估计、经验来判定刀具能否进入到工件及其相关的后角。
这种方法很费时。
现在CAD作图和切削模拟软件在计算机显示屏上进行模拟切削而不需要在实际零件上进行。
美国绿叶公司的DaleHill说，他们公司直接根据顾客提供的CAD图纸进行刀具设计。
设计人员可以看出刀具是否需要铲背或刀具能否进入一个深槽区域。
对于一些真正复杂廓形的零件，采用标准刀具通常是不可行的，因为它们通常不能进入到复杂零件的凹腔和拐角处。
而计算机模拟可以加速专用刀具的设计。
刀片后角
刀片的主前角和副前角将决定后刀面和工件间的后角。
不同的材料要求不同的后角。
例如当加工韧性材料，尤其是镍基合金时，其回弹性非常大。
这些合金会在切削刃前面鼓起，在切削刃通过后产生回弹。
这些回弹的工件将刮擦后刀面，并产生大量的切削热。
另外镍基材料的加工硬化也会产生切削热，最终导致刀具热失效。
失效形式可能是崩刃，但切削刃的热膨胀将导致刀具断裂。
钛金属材料可能回弹0.05mm和0.08mm，因此加工这类材料时要求在后刀面和工件之间有14°或15°的后角，以防止热失效。
然而钛和塑料有相似的回弹性。
当加工钛金属时，后角太小将造成刀片热失效。
这样的刀具在加工塑料时，由回弹产生的切削力和切削热将融化塑料工件。
刀片的后角不能过大，过大的后角将会降低刀片的强度；无后角刀片有足够的强度，但必须安装在负前角的刀杆上以形成足够的后角。
使用一个有正前角槽形的无后角刀片可保证需要的刀片强度，又可形成正前角的切削。
切削力和切屑控制
工件、刀具和车削系统中其它因素之间关系的变化将影响有效的切屑控制。
例如，在仿形车削加工中，当刀片从工件中心向外移动时，切屑厚度变薄，切刀深度增加，切屑控制恶化。
一个解决方法就是将一次走刀分为两次走刀，将向外的进给换成向中心的进给，以获得最终的廓形。
薄壁细长零件难以装夹，切削力可能引起工件变形和极差的表面粗糙度甚至使零件报废。
一个专门设计的、可控制切屑的刀片可以减小这种变形。
绿叶公司提供一种名为TurboForm的精加工硬质合金刀片，它有很大的正前角和压制的断屑器，所以产生的切削力很低。
同时，该刀片的周边经过精密磨削，故具有很高的光洁度。
如一个航空制造商在加工喷气式发动机压缩机的薄壁密封钛零件时，由于刀具振动使得刀片崩刃和加工表面光洁度降低。
在使用TurboForm刀片后，消除了刀片振动和工件变形的现象，延长了刀具的寿命。
如果工件材料的可加工性造成了车削加工的复杂性，则由两种材料构成的零件可能双倍加大这种复杂性。
因此当加工由多种材料构成的零件时，一个办法就是选择可加工不同材料的刀片牌号。
例如当加工内部为4340钢、外部为镍基合金的零件时，制造者必须在编程时增加一暂停程序，以便更换刀片。
使用两种不同牌号的刀片进行加工，其刀片寿命仍很低时，则推荐使用日本住友电工公司的AC2000CVD涂层刀片，通过改变进给量和切削速度来加工上述两种材料，不必停机更换刀片，显著地提高了刀具寿命。
修磨
一些零件轮廓不能简单地使用现成的刀片进行加工。
在使用负前角J型刀杆进行切入式切削时，35°刀片的副后刀面的下半部分可能与工件发生碰撞，引起刀片断裂。
防止这种情况的一个方法就是磨去妨碍切削的这个部分。
汽轮机管路系统制造商JeffCarver先生说，他们经常使用非常锋利的刀具来加工零件，因为经常没有标准的刀具，因此需要经常修磨刀具。
尽管一些制造厂商喜欢库存的标准刀片，通过修磨来满足特定的加工要求，但这些修磨的刀片也可直接从刀具生产厂家购买，因为他们已为加工某些特殊零件准备了专用的刀片。
当一把修磨的刀具在一次走刀中不能满足要求时，唯一选择就是停机，使用另一种刀片来完成切削。
不足之处是要花费时间，并且要中断一次走刀，这将在工件上留下刀痕。
机床
CNC机床制造商不断引进先进技术来简化复杂零件的车削。
比较典型的就是Mazak公司的多功能车/铣床。
这些机床像一台在工作台一端有车削主轴的加工中心。
机床的B轴在加工中能沿零件径向转动225°，这使刀尖半径始终在与切削相切的方向上，可用一把刀完成多道工序。
总之，金属切削学科的进步必将使复杂零件的车削变得更容易，要想经济有效地加工一些复杂零件，还是需要工艺因素的配合。
⑴刀杆、刀片的表示方式与选型
⑵外圆
外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）由前面、主后面、副
后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。
可转位刀具选用的一般原则
可转位刀具按工艺类别已有相应ISO标准和GB国家标准，标准以若干位特定的英文字母代码和阿拉伯数字组合，表示该刀具的各项特征及尺寸，在选择之前需确定加工工艺类别，即外圆车削、内孔车削、切槽、铣削、还是其他。
以外圆车削为例：
图1刀片夹紧的方式
刀片夹紧方式的选择在国家标准中，一般夹紧方式有上压式（代码为C）、上压与销孔夹紧（代码M）、销孔夹紧（代码P）和螺钉夹紧（代码S）四种，有的公司还有牢固夹紧（代码为D）图1。
但这仍不可能包括可转位车刀所有的夹紧方式。
例如代号P是用刀片的中心圆柱形销夹紧，而夹紧方式有杠杆式，偏心式等，而且，各刀具商所提供的产品并不一定包括了所有的夹紧方式，因此选用时要查阅产品样本。
各夹紧方式适用不同形式的刀片，如无孔刀片常用上压式（C型），陶瓷、立方氮化硼等刀片常用此夹紧方式。
D和M型夹紧可靠，适用于切削力较大的场合，如加工条件恶劣、钢的粗加工、铸铁等短屑的加工等。
P型前刀面开放，有利于排屑，一般中、轻切削可选用。
S型结构简单紧凑，无阻排屑，是沉孔刀片的夹紧方式，可用正前面刀片，适合于轻切削和小孔加工等。
刀片外形的选择刀片外形与加工的对象、刀具的主偏角、刀尖角和有效刃数等等有关。
一般外圆车削常用80°凸三边形（W型），四方形（S型）和80°棱形（C型）刀片。
仿形加工常用55°（D型）、35°（V型）棱形和圆形（R型）刀片。
90°主偏角常用三角形（T型）刀片。
不同的刀片形状有不同的刀尖强度，一般刀尖角越大，刀尖强度越大，反之亦然。
圆刀片（R型）刀尖角最大，35°菱形刀片（V型）刀尖角最小（图2）。
在选用时，应根据加工条件恶劣与否，按重、中、轻切削针对性地选择。
在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选用刀尖角较大的刀片，反之，机床刚性和功率小、小余量、精加工时宜选用较小刀尖角的刀片。
刀片形状与刀尖强度、切削振动示意图
从切削力考虑，刀尖角越大，在车削中对工件的径向分力越大，越易引起切削振动。
从有效刃数来看，同等条件下，圆形刀片最多，棱形刀片最少，最近又现出了一种80°的四边形刀片（Q型）（图3），这种刀片比80°棱形刀片的有效刃数增加了一倍。
刀杆头部形式的选择刀杆头部形式按主偏角和直头、偏头分有15～18种，各形式规定了相应的代码，国家标准和刀具样本中都—一列出，可以根据实际情况选择。
有直角台阶的工件，可选大于或等于叨往偏角的刀杆。
一般粗车，可选主偏角45°～90°的；精车，可选45°～75°的；中间切入、仿形，可选45°～107.5°的；工艺系统刚性好时可选较小值，工艺系统刚性差时，可选较大值。
刀片后角的选择常用的刀片后角有N（0°）、C（7°）、P（11°）、E（20°）等，一般粗加工，半精加工可用N型。
半精加工、精加工可用C型、P型、也可用带断屑槽形的N型刀片。
加工铸铁、硬钢可用N型。
加工不锈钢可用C型、P型。
加工铝合金可用P型、E型等。
加工弹性恢复性好的材料可选用较大一些的后角。
一般镗孔刀片，选用C型、P型，大尺寸孔可选用N型。
左右手刀柄的选择有三种选择：
R（右手）、L（左手）和N（左右手）。
要注意区分左右刀的方向（图4）。
选择时要考虑机床刀架是前置式还是后置式、前刀面是向上还是向下、主轴的旋转方向以及需要的进给方向等，表示了左右手螺纹刀在不同的情况下所得到的不同结果。
刀杆尺寸的选择刀杆基本尺寸有刀尖高度，刀杆的宽度和长度，在标准尺寸系列中，这些都是相对应的，选择时应与所使用的机床相匹配，使车刀装在卧式车床刀架上的刀尖位置处于车床主轴中心线等高位置，若略低一点可以加垫片解决，但对于数控机床，原则上不得加垫片。
刀杆的长度应考虑到刀杆需要的悬伸量，这悬伸量应尽可能小。
内孔刀杆还要考虑加工的最小孔径等等。
切削刃长度的选择切削刃的长度应根据加工余量来定，最多是刃长的2/3参加切削。
要考虑到主偏角对有效切削刃长度的影响。
刀片精度等级的选择刀片精度等级根据加工作业，例如精加工、半精加工、粗加工等选择，以便在保证作业任务完成的前提下，降低加工成本。
国家标准有A～U共12个精度等级，车削常用等级为G、M、U。
一般，精密加工选用高精度的G级刀片；非铁金属材料的精加工，半精加工宜选用G级刀片。
淬硬（45HRC以上）钢的精加工也可选用G级刀片。
精加工至重负荷粗加工可选用M级、粗加工可选用U级刀片。
刀尖圆弧半径的选择刀尖圆弧半径不仅影响切削效率，而且关系到被加工表面粗糙度及精度。
从刀尖圆弧半径与最大进给量关系来看，最大进给量不应超过刀尖圆弧半径尺寸的80％，否则将恶化切削条件，甚至出现螺纹状表面和打刀等问题。
因此，选择的刀尖圆弧半径应等于或大于零件车削最大进给量的1.25倍。
当刀尖角小于90°时，允许的最大进给量应下降。
刀尖圆弧半径还与断屑的可靠性有关。
为保证断屑，切削余量和送给量有一个最小值，当刀尖圆弧半径减小，所得到的这两个最小值也相应减小，因此，从断屑可靠出发，通常对于小余量、小进给车加工作业应采用小的刀尖圆弧半径，反之宜采用较大的刀尖圆弧半径。
刀尖圆弧半径与进给量在几何学上是形成被加工零件表面粗糙度的两个参数：
h≈f2/8rε（式中，h为加工表面轮廓高μm,f为进给量mm/r,rε为刀尖圆弧半径mm）。
由此式可知，当被加工零件表面粗糙度与进给量已设定后，就可选择相应的刀尖圆弧半径rε≥f2/8h．具体数值见表1。
表1rε、f、Ra数据对应表表面粗糙度
μm刀尖圆弧半径rε/mm
0.40.81.21.62.4
hRa进给量f（mm/r）
1.60.60.070.100.120.140.17
41.60.110.150.190.220.26
103.20.170.240.290.340.42
166.30.220.300.370.430.53
258.00.270.380.480.540.66
断屑槽形的选择我国生产的硬质合金刀片断屑槽形分为两大类，一类是国家标准（GB2076—87）所推荐的23种断屑槽形；一类是通过引进吸收，开发后生产的断屑槽形。
前一类在普通机床上常采用，后一类在我国两大硬质合金厂的产品样本中推荐出了相应的适用范围。
两大类数十种槽形无法—一列出，选用时可参考有关样本。
作为常规的数控切削加工，刀片的断屑槽形已向基本槽形加补充槽形两种模式发展，即以尽可能小的槽形覆盖尽可能大的加工范围，其余充
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