1.2　数控车削常用刀具

1.2.1　刀具材料

刀具材料主要是指刀具切削部分的材料。刀具材料是影响加工表面质量、切削效率、刀具寿命的基本因素。生产中使用的刀具材料有高速钢、硬质合金、超硬材料(如陶瓷、金刚石、立方碳化硼)等。

(1)高速钢

高速钢是含有较多的钨、铬、钼、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度(热处理硬度可达63~66HRC)和耐热性(600~650℃),切削碳钢时的切削速度一般不高于50~60m/min。高速钢具有较好的工艺性,可以制造刃形复杂的刀具,如钻头、丝锥、特种车刀等。高速钢刀具可加工碳钢、合金钢、有色金属、铸铁等多种材料。常用的高速钢有W18Gr4V、W6Mo5Gr4V2等。

(2)硬质合金

硬质合金的硬度高达89~93HRA,能耐850~1000℃的高温,具有良好的耐磨性,切削速度可达100~300m/min,可加工包括淬火钢在内的多种材料,因此获得广泛应用。但是硬质合金抗弯强度低、冲击韧性差,工艺性差,较难加工,不易做成形状复杂的整体刀具。在实际使用中,一般将硬质合金刀片焊接或机械夹固在刀体上使用。

常用的硬质合金有钨钴类(YG类)、钨钛钴类(YT类)和钨钛钽(铌)钴硬质合金(YW类)3类。

① 钨钴类硬质合金(YG类)。YG类硬质合金常用的牌号中,YG3和YG8常用于粗加工,YG6常用于精加工等。YG类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较好,不易崩刃,适宜切削切屑呈崩碎状态的铸铁等脆性材料,切削有色金属及合金的效果也较好。

② 钨钛钴类硬质合金(YT类)。YT类硬质合金常用的牌号中,YT5常用于粗加工,YT15、YT30常用于精加工。由于YT类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较差,适用于切削切屑呈带状的普通碳钢及合金钢等塑性材料。

③ 钨钛钽(铌)钴类硬质合金(YW类)。YW类硬质合金具有较好的综合切削性能。常用的牌号有YW1、YW2等。YW类硬质合金主要用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢,也适用于加工普通碳钢和铸铁,因此称为通用型硬质合金。

国际标准化组织[ISO 513—1975(E)]规定,将切削加工用硬质合金分为三大类,分别用K、P、M表示。

•K类适用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料,相当于我国的YG类硬质合金,外包装用红色标志。

•P类适用于加工长切屑的黑色金属,相当于我国的YT类硬质合金,外包装用蓝色标志。

•M类适用于加工长、短切屑的黑色金属和有色金属,相当于我国的YW类硬质合金,外包装用黄色标志。

(3)超硬材料

① 陶瓷。它有很高的硬度和耐磨性,硬度达78HRC,耐热性高达1200℃,化学性能稳定,故能承受较高的切削速度。但陶瓷材料的最大弱点是抗弯强度低,冲击韧性差,主要用于钢、铸铁、有色金属、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)。它具有仅次于金刚石的硬度和耐磨性,硬度可达8000~9000HV,耐热高达1400℃,化学稳定性好,与铁族元素亲和力小,但强度低,焊接性差,主要用于淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料的加工。

③ 金刚石。金刚石是目前已知的最硬物质,其硬度接近10000HV,是硬质合金的80~120倍,但韧性差。金刚石刀具可用于加工非金属及有色金属材料。金刚石刀具不能用于加工黑色金属,因为黑色金属中的某些元素会腐蚀金刚石,从而导致刀具快速磨损。金刚石刀具更多地应用于高速精加工及半精加工中。

1.2.2　常用刀具分类

数控车床上用于车削加工的刀具称为数控车刀。车刀类型较多,按照刀具材料可分为高速钢刀具、硬质合金刀具、涂层刀具及非金属材料刀具等。按照车刀切削刃形状可分为尖形车刀、圆弧形车刀和成形车刀等。按刀片与刀体固定方式可分为焊接式和机夹式两种。按用途不同可分为外圆车刀、端面车刀、切断刀、孔车刀、螺纹车刀以及成形车刀等,如图1⁃5所示。

外圆车刀用于车削工件外圆、台阶、倒角、端面等。切断刀(切槽刀)用于切断工件或切工件槽;车孔刀用于车削工件孔;螺纹车刀用于车螺纹。数控车刀应用如图1⁃6所示。

由于机械夹固式可转位车刀适合数控加工要求,可充分发挥数控加工的优势,因此,数控车削大量使用机夹式可转位车刀。机夹式可转位车刀组成如图1⁃7所示。机夹式可转位车刀的优点是刀片磨损后刀体不用重新装夹对刀,将刀片转过一个角度,新的切削刃到达切削位置,夹紧后即可继续切削,节省刀具调整时间,使用方便,提高了生产效率。机夹刀具已标准化,尺寸稳定,刀杆、刀槽的制造精度高。切削刃不重磨,有利于使用涂层刀片,延长了刀具的使用寿命。机夹式可转位车刀类型和使用刀片如表1⁃1所示。

数控车刀按切削刃形状可分为尖形车刀、圆弧形车刀和成形车刀三类。

① 尖形车刀。尖形车刀的特征是切削刃为直线,由直线型的主、副切削刃构成。尖形车刀有90°外圆车刀、90°孔车刀、左、右端面车刀、切断(切槽)刀以及刀刃倒棱很小的外圆和孔车刀。数控编程时通常以该车刀的刀尖为刀位点。

用尖形车刀加工,零件的轮廓形状由车刀的刀尖或其直线型主切削刃移动后得到。尖形车刀车削加工成形原理与另两类车刀是不同的。

尖形车刀几何参数(主要是几何角度)的选择方法与普通车削时基本相同,但需考虑数控加工的特点(如加工路线、加工干涉等),并兼顾刀尖的强度。

② 圆弧形车刀。圆弧形车刀的特征是切削刃为圆弧形。该车刀圆弧刃上每一点都是圆弧形车刀的刀尖,因此,刀位点不在圆弧上,而在该圆弧的圆心上。

当某些尖形车刀或成形车刀(如螺纹车刀)的刀尖具有一定的圆弧形状,并进行刀尖半径圆弧补偿,可作为圆弧形车刀使用。圆弧形车刀可用于车削工件内、外表面,特别适合于车削各种光滑连接(凹形)的成形面。选择车刀圆弧半径时应考虑两点:一是车刀切削刃的圆弧半径应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径,以免发生加工干涉;二是该半径不宜选择太小,否则不但制造困难,还会因刀具强度弱或刀体散热能力差而降低车刀使用寿命。

③ 成形车刀。成形车刀俗称样板车刀,其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中,常见的成形车刀有小半径圆弧车刀、非矩形槽车刀和螺纹车刀等。当车刀刀尖的圆弧半径与零件上最小的凹形圆弧半径相同,且加工程序中无此圆弧程序段时,例如加工半径为0.2mm的轮廓,属于成形车刀性质。

在数控加工中,应尽量少用或不用成形车刀,当确有必要选用时,则应在工艺准备文件或加工程序单上进行详细说明。

1.2.3　数控车刀选择

实际生产中,数控车刀主要根据数控车床回转刀架上的刀具安装尺寸、工件材料、加工类型、加工要求及加工条件从刀具样本中查表确定。机夹可转位车刀刀片的选择要点如下。

(1)刀片材质的选择

车刀刀片的材料主要有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。其中应用最多的是硬质合金和涂层硬质合金。选择刀片材质,主要依据被加工工件的材料、被加工表面的精度、表面质量要求、切削载荷的大小以及切削过程中有无冲击和振动等。

(2)刀片尺寸的选择

刀片尺寸的大小取决于有效切削刃长度L。有效切削刃长度与背吃刀量、车刀的主偏角有关,使用时可查阅有关刀具手册。

(3)刀片形状的选择

刀片形状主要依据被加工工件的表面形状、切削方法、刀具寿命和刀片的转位次数等因素选择。常见可转位车刀刀片及角度如图1⁃8所示。

正三角形刀片可用于主偏角为60°或90°的外圆车刀、端面车刀和孔车刀。由于此刀片刀尖角小、强度差、耐用度低,故只宜用较小的切削用量。

正方形刀片的刀尖角为90°,比正三角形的60°要大,因此其强度和散热性能均有所提高。该种刀片通用性较好,主要用于主偏角为45°、60°、75°等的外圆车刀、端面车刀和车孔刀。

正五边形刀片的刀尖角为108°,其强度、耐用度高,散热面积大。但切削时径向力大,只宜在加工系统刚性较好的情况下使用。

菱形刀片和圆形刀片主要用于成形表面和圆弧表面的加工,其形状及尺寸可结合加工对象参照国家标准来选定。

1.2.4　数控车床切削用量选择

切削用量包括主轴转速(切削速度)、切削深度(背吃刀量)、进给量。对于不同的加工方法,需要选择不同的切削用量,并编入数控程序中。

合理选择切削用量的原则是:粗加工时,以提高生产率为主,但也应考虑经济性和加工成本;半精加工和精加工时,应在保证加工质量的前提下,兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削手册,并结合经验而定。

(1)切削深度ap(mm)

在机床动力足够(经机床动力校核确定)和工艺系统刚度许可的条件下,粗加工切削深度(背吃刀量)应尽可能大,以便提高生产率,可以选择切削深度等于加工余量,即粗车深度等于粗车余量,半精车深度等于半精车余量。在数控机床上,精加工余量选择可小于普通机床,一般取0.2~0.5mm。

(2)主轴转速n(r/min)

主轴转速根据允许的切削速度vc(m/min)选取。主轴转速n计算公式:

n=1000　　(r/min)

式中　vc——切削速度,由刀具的耐用度决定,m/min;

　　d——工件或刀具直径,mm。

切削速度数据可在机床说明书中或工艺手册中查取。表1⁃2为硬质合金外圆车刀切削速度推荐值。

　　注:切削钢及灰铸铁时刀具耐用度约为60min。

(3)进给速度F(进给量f)

进给速度(进给量)是数控机床切削用量中的重要参数。进给速度包括纵向进给速度和横向进给速度,其值按下式计算:

F=Sf

式中　F——进给速度,mm/min;

　　f——进给量,mm/r;

　　S——工件或刀具的转速,r/min。

进给速度根据零件的加工精度和表面粗糙度,以及刀具、工件的材料性质选取。当加工精度高、表面粗糙度小时,进给速度数值应选小些,一般在20~50mm/min范围内选取。粗车时最大进给量则受机床刚度和进给系统的性能限制,一般取为0.3~0.8mm/r,精车时常取0.1~0.3mm/r,切断时常取0.05~0.2mm/r。表1⁃3为硬质合金车刀粗车外圆及端面的进给量参考值,表1⁃4为按表面粗糙度选择进给量的参考值,供选用参考。

　　注:1.加工断续表面及有冲击的工件时,表内进给量应乘系数k=0.75~0.85。

2.在无外皮加工时,表内进给量应乘系数k=1.1。

3.加工耐热钢及其合金时,进给量不大于1mm/r。

4.加工淬硬钢时,进给量应减小。当钢的硬度为 44~56HRC时,乘以系数k=0.8;当钢的硬度为57~62HRC时,乘以系数k=0.5。