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数控刀具概述及新技术

发布日期:2017年07月27日

机械制造业由于产品更新换代和生产形势发展的需要,在航空航天、机床工具、电站制造、能源和轨道等行业,数控机床的占有率已从20世纪的20%—30%提高到目前的50%-65%。一般来说,数控机床具有高精度、高刚度和高效率的特性(特别适用于高速切削),因而能取得高效加工的效果。

为了保证数控机床的正常运行,只有配置了与数控机床性能相适应的刀具才能使其性能得到充分发挥,也可说配置刀具的优异(合理性、先进性)直接影响到数控机床功能和作用的发挥。

1.       数控刀具的定义

数控刀具是指与数控机床(数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗铣床、加工中心、自动线以及柔性制造系统)相配套使用的各种刀具的总称。

2.       数控机床刀具的特点

(1)具有良好的稳定切削性能:刀具刚性好、精度高,能进行高速切削和强力切削。

(2)刀具有较高的寿命:刀具大量采用硬质合金材料或高性能材料(如陶瓷刀片、立方氮化硼刀片、金刚石复合刀片、涂层刀片等,高速钢刀具采用较多的则是高钴、高钒、含铝的高性能高速钢和粉末冶金高速钢)。

(3)刀具(刀片)互换性好,能快速换刀:刀具能实现自动、快速更换,缩短辅助时间。

(4)刀具有较高的精度:刀具适用于对较高精度工件的加工,特别是当采用可转位刀片时,由于刀体和刀片重复定位精度高,因而能获得良好的加工质量。

(5)刀具有可靠的卷屑和断屑性能:使用数控机床不能随意停机处理切屑,加工中出现的长切屑会影响操作者的安全和加工效率。

(6)刀具有调整尺寸的功能:刀具可机外预调(对刀)或机内补偿,以减少换刀调整时间。

(7)刀具能实现系列化、标准化和模块化:刀具系列化、标准化和模块化有利于编程、刀具管理和降低成本。

(8)多功能复合及专用化

3.       数控刀具的分类

常用的普通刀具分两类:一是按工件加工表面的形式,分为加工各种外表面的刀具、孔加工刀具、螺纹加工刀、齿轮加工刀具和切断刀具;二是按切削运动方式和相应的切削刃形状,分通用刀具、成形刀具和展成刀具。

数控刀具的分类则通常较多采用普通刀具的第一种形式,在工厂实际使用中有些厂将重量重、直径大的数控刀具称为重型数控刀具,而一般中小数控机床使用的刀具则称为中小型数控刀具。总的来说,数控刀具和普通刀具的分类没有严格的划分,因有时一些普通刀具(如钻头、丝锥等)也应用于数控机床的加工。

4.       数控刀具与普通刀具的区别

数控刀具在高性能、高精度的数控机床上应用,为取得稳定和良好的加工效率,一般对数控刀具从设计、制造和使用都提出了比普通刀具更高的要求。数控刀具和普通刀具的主要区别在以下几个方面。

(1)高精度的制造质量:为稳定加工出高精度的零件表面,因而对刀具(包括刀具零件)制造在精度、表面粗糙度、形位公差等方面提出了比普通刀具更严格的要求,特别是可转位刀具,为确保刀片刀尖(切削刃)在转位后尺寸的重复精度,刀体刀槽的定位零件等关键部位的尺寸和精度、表面粗糙度必须严格给予保证,同时为便于刀具在对刀仪的对刀和尺寸测量,基面加工精度也应保证。

(2)刀具结构的优化:先进的刀具结构能大大提高切削效率,如高速钢数控铣削刀具在结构上已较多采用波形刃和大螺旋角结构,硬质合金可转位刀具则采用了内冷却、刀片立装式、模块可换和可调式结构,而如内冷却结构,则是一般普通机床无法应用的。

(3)刀具优质材料的广泛应用:为延长刀具使用寿命,提高刀具强度,很多数控刀具的刀体材料都采用了高强度合金钢,并进行热处理(如氮化等表面处理),使其能适用于大切削用量,且刀具寿命也得以显著提高(普通刀具一般采用的是经过调质处理的中碳钢)。在刀具刃部材料上,数控刀具则更多选用了各种新牌号的硬质合金(细颗粒或超细颗粒)和超硬刀具材料。

(4)合理断屑槽的选用:数控机床上应用的刀具对断屑槽有严格的要求。加工时,刀具不断屑则机床无法正常工作(有些数控机床、切削是在封闭的状态下进行),因此不论数控车、铣、钻或镗床,刀片都优选了针对不同加工材料和工序的合理断屑槽型,使切削时能得到稳定断屑。

(5)刀具(刀片)表面的涂层处理:刀具(刀片)表面涂层技术的出现和发展主要因数控刀具的出现和发展而生。由于涂层能显著提高刀具硬度、减小摩擦、提高切削效率和使用寿命,所以在各类硬质合金可转位数控刀具的80%以上都采用了涂层技术。涂层后的硬质合金刀片还可进行干切削,这也为保护环境实现绿色切削创造了有利条件。

5.       数控刀具的新技术及发展

总体来说,数控刀具新技术的应用及发展和整个先进刀具的发展密切相关。优质刀具材料的开发、先进刀具结构的采用以及刀具合理几何角度的选取,凡是和刀具有关的先进技术,数控刀具都可吸收采纳应用,其中和数控刀具配套应用的工具系统应特别引起重视。

数控机床工具系统是指连接机床和刀具的一系列工具,由刀柄、连接套和夹头等组成。其中,刀柄的结构创新近年来在国际上有了新的突破,刀柄尾部直接连接机床,刀柄头部的锥孔通过连接套等夹紧件(或直接)和刀具相连。

刀柄的结构直接影响到刀具的使用精度、强度、安全可靠性和装卸的快慢。我国使用的传统TMG刀柄锥度为7:24,而现在国外开发的先进刀柄如德国HSK工具系统、美国KM工具系统和瑞典Capto工具系统的刀柄结构在定心精度、夹紧力和快速装卸等方面都优于TMG。HSK和KM工具系统刀柄采用1:10的锥度,锥体短,短锥严格的公差和具有弹性的薄壁使刀具紧定时,短锥表面和端面很容易与主轴相应的结合面紧密接触:Capto工具系统刀柄为三棱体锥,其棱为圆弧形,锥度为1:10的空心短锥结构,锥形多角体结构可实现两个方向都无滑动的转矩传递键,消除了采用传动键引起的动平衡问题,三棱体锥的表面积大、表面压力低、磨损小,故有很高的定位精度。

数控刀具采用模块式结构,是数控刀具的发展方向,如立装刀片可转位螺旋立铣刀,一个刀具头部可更换三个不同的切削头,这样就可用于不同工序,不同零件的表面加工。

为使数控刀具进一步提高切削效率和刀具寿命,研发新型涂层材料和技术、刀具采用内冷却结构、硬质合金可转位复合刀具的开发等,这些都是数控刀具的发展方向。

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