数控加工中刀具的选择
毕 业
设 计（论文）
（说 明 书）
题 目：数控加工中刀具的选择
姓 名： 郭圣杰
编 号： 090101345
连云港职业技术学院
2012 年 04 月 20 日
连云港业职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
姓名郭圣杰
专业机电一体化
任务下达日期年月日设计（论文）开始日期年月日设计（论文）完成日期年月日设计（论文）题目：
A·编制设计
B·设计专题（毕业论文）
指导教师
系（部）主任
年月日
连云港职业技术学院
毕业设计（论文）答辩委员会记录
机电工程系机电一体化专业，学生于年月日进行了毕业设计（论文）答辩。
设计题目：
专题（论文）题目：
指导老师：
答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩为。
答辩委员会人，出席人答辩委员会主任（签字）：
答辩委员会副主任（签字）：
答辩委员会委员：，，，
，，，
连云港职业技术学院毕业设计（论文）评语
第页
毕业设计（论文）及答辩评语：
摘要
任何一个强大的国家都必须具有包括金属切削加工在内的强大制造业基础。在整个21世纪中,金属切削加工仍是机械制造业的主导方法，切削加工（包含磨削）不仅占其90%以上的份额，而且刀具消耗费用占制造成本的2%～5%。无论是专机设备还是柔性制造单元,CNC制造系统都是当今金属切削工业中的主流。
不同种类的切削工具材料都有所进步，包括高速工具钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶金刚石(PCD)。高速工具钢(HSS) 是高韧性的刀具材料，能制作成其他材料不能制作的各种复杂几何形状和尺寸的锋利切削刀具。而高耐磨性的CBN和PCD超硬材料则适用于高速、小进给量加工。介于上述两种材料之间的是硬质合金、金属陶瓷和陶瓷刀具材料，这些材料广泛使用于各种切削速度和进刀量需求的加工工业领域。
而在CNC制造系统中,工具刀柄和切削刀具的投入可占整个系统投入的10%甚至更多。柔性制造单元和专机设备系统的效率和能力在很大程度上取决于所采用的刀具和工具辅助系统的技术水平。
关键词：切削，机械，刀具，工具
论文类型：基础研究
目录
第1章数控刀具的发展和分类特征
1.1数控刀具的概述
1.2 数控刀具的分类
1.3数控机床对刀具的要求
1.4刀具的材料及特点
第2章数控刀具的选择
2.1金属切削层的变形
2.2切屑的类型及其分类
2.3刀具的切削力及温度
2.4车刀的主要角度及选择
2.5铣削及铣刀
2.6可转位刀具的基本概念
2.7正确选择刀柄
第3章刀具磨损及使用寿命
3.1刀具磨损的形态及其原因
3.2刀具磨损过程、磨钝标准及刀具寿命
3.3不锈钢加工对刀具的要求
3.4加工淬火钢和冷硬铸铁时刀具的选用结论
致谢
参考文献
第1章数控刀具的发展和分类特征
1.1数控刀具的概述
刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。
绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。切削木材用的刀具则称为木工刀具。
刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前28～前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期(公元前三世纪)，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。
然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783年，法国的勒内首先制出铣刀。1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。
那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米/分。1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年，美国的泰勒和.怀特发明高速钢。1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。
在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约8米/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。
由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构。1949～1950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其他刀具上。1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。
1969年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。1972年，美国的邦沙和拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐磨性结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。
1.2数控刀具的分类
刀具按工件加工表面的形式可分为五类。加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等；孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；螺纹加工工具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等；齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等；切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。此外，还有组合刀具。
按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类。通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀(不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀)、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等；成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀
具等；展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。
1.3数控机床对刀具的要求
金属切削过程中，刀具切削部分承受很大切削刀和剧烈摩擦，并产生很高的切削温度；在断续切削工作时，刀具将受到冲击和产生振动，引起切削温度的波动。为此，刀具材料应具各下列基本性能：
（1）高硬度刀具材料的硬度必须更高于被加工工件材料的硬度，否则在高温高压下，就不能保持刀具锋利的几何形状，这是刀具材料应具备的最基本特征。目前，切削性能最差的刀具材料——碳素工具钢，其硬度在室温条件下也应在62HRC以上；高速钢的硬度为63—70HRC；硬质合金的硬度为89～93HRA。HRC 和HRA都属于洛氏硬度，HRA硬度一般用于高值范围(大于70)。HRC硬度值的有效范围是20～70之间。60—65HRC的硬度相当于81～83．6HRA和维氏硬度687—830HV。
（2）足够的强度和韧性刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削力和冲击力。例如，车削45钢时，当ap＝4mm，f＝0．5mm／r时，刀片要承受约4000N 的切削力。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。一般用刀具材料的抗弯强度σb(单位为Pa：N／m^2)表示它的强度大小，用冲击韧度ak(单位为J／m^2)表示其韧性的大小，它反映刀具材料抵抗脆性断裂和崩刃的能力。
（3）高耐磨性和耐热性刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。一般说，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。此外，刀具材料的耐磨性还和金相组织中化学成分、硬质点的性质、数量、颗粒大小和分布状况有关。金相组织中碳化物越多，
颗粒越细，分布越均匀，其耐磨性就越高。
刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系。其耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的性能即高温硬度来衡量，或叫红硬性。高温硬度越高，表示耐热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。耐热性差的刀具材料，由于高温下硬度显著下降而导致快速磨损乃至发生塑性变形，丧失其切削能力。
（4）良好的导热性刀具材料的导热性用热导率[单位为W／(m·K)]来表示。热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。此外，导热性好的刀具材料其耐热冲击和抗热龟裂的性能增强，这种性能对采用脆性刀具材料进行断续切削，特别是在加工导热性能差的工件时尤为重要。
1.4刀具的材料及特点
常用刀具材料分为：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢），硬质合金，超硬刀具材料（包括陶瓷，金刚石及立方氮化硼等）。
高速钢：高速钢特别适用于制造结构复杂的成形刀具，孔加工刀具例如各类铣刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等；由于高速钢硬度，耐磨性，耐热性不及硬质合金，因此只适于制造中、低速切削的各种刀具。
高速钢按其性能分成两大类：普通高速钢和高性能高速钢。
硬质合金：硬质合金大量应用在刚性好，刃形简单的高速切削刀具上，随着技术的进步，复杂刀具也在逐步扩大其应用。
钨钴类硬质合金是由WC和 Co烧结而成，代号为YG，一般适用于加工铸铁
和有色金属等脆性材料。
钨钛钴类硬质合金是以WC为基体，添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成，代号为YT，一般适用于高速加工钢料。
添加钽（铌）类硬质合金是在以上两种硬度合金中添加少量其它碳化物（如TaC 或NbC）而派生出的一类硬质合金，代号为YW，既适用加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。常用牌号YW1、YW2。
涂层刀具：硬质合金或高速钢刀具通过化学或物理方法在其上表面涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，而又不降低其韧性。
对刀具表面涂覆的方法有两种：
化学气相沉积法（ＣＶＤ法），适用于硬质合金刀具；
物理气相沉积法（ＰＶＤ法），适用于高速钢刀具。
涂层材料可分为ＴiC涂层、TiN涂层、ＴiC与TiN涂层、Al2O3涂层等。
其它刀具材料：
（1）陶瓷刀具：是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体，再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。一般适用于高速下精细加工硬材料。一些新型复合陶瓷刀也可用于半精加工或粗加工难加工的材料或间断切削。陶瓷材料被认为是提高生产率的最有希望的刀具材料之一。
（2）人造金刚石：它是碳的同素异形体，是目前最硬的刀具材料，显微硬度达10000HV。它有极高的硬度和耐磨性，与金属摩擦系数很小，切削刃极锋利，能切下极薄切屑，有很好的导热性，较低的热膨胀系数，但它的耐热温度较低，在700～800℃时易脱碳，失去硬度，抗弯强度低，对振动敏感，与铁有很强的化学亲合力，不宜加工钢材，主要用于有色金属及非金属的精加工，超精加工以及作
磨具、磨料用。
（3）立方氮化硼：是由立方氮化硼（白石墨）在高温高压下转化而成的，其硬度仅次于金刚石，耐热温度可达1400℃，有很高的化学稳定性，较好的可磨性，抗弯强度与韧性略低于硬质合金。一般用于高硬度，难加工材料的半精加工和精加工。
第2章数控刀具的选择
2.1金属切削层的变形
(1)切屑形成过程及变形区的划分
大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区(剪切滑移)、第二变形区(纤维化)、第三变形区(纤维化与加工硬化)。
(2)积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2-3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。
（3）积屑瘤是如何形成的
切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀的底层上流过，形成“内摩擦”。如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化性质有关，也与刃前区的温度和压力分布有关。一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。走刀量保
持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。
（4）积屑瘤对切削过程的影响
实际前角增大
它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。
增大切削厚度
使加工表面粗糙度增大
积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。
对刀具寿命的影响
积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。
（5）防止积屑瘤的主要方法
降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；采用高速切削，切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；采用润滑性能好的切削液，减少摩擦；增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。
2.2切屑的类型及其分类
带状切屑
它的内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。
挤裂切屑
这类切屑与带状切屑不同之处在外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。这种切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。
单元切屑
如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑。
以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。
崩碎切屑
这是属于脆性材料的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。从切削过程来看，切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。其方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高
切削速度，以增加工件材料的塑性。
以上是四种典型的切屑，但加工现场获得的切屑，其形状是多种多样的。在现代切削加工中，切削速度与金属切除率达到了很高的水平，切削条件很恶劣，常常产生大量“不可接受”的切屑。所谓切屑控制(又称切屑处理，工厂中一般简称为“断屑”)，是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。
2.3刀具的切削力及温度
（1）切削力
研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：
克服被加工材料对弹性变形的抗力；
克服被加工材料对塑性变形的抗力；
克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。
上述各力的总和形成作用在刀具上的合力Fr(国标为F)。为了实际应用，Fr可分解为相互垂直的F x(国标为F f)、F y(国标为F p)和F z(国标为F c)三个分力。在车削时：
F z——切削力或切向力。它切于过渡表面并与基面垂直。F z是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的。
F x——进给力、轴向力或走刀力。它是处于基面内并与工件轴线平行与走刀方向相反的力。F x是设计走刀机构，计算车刀进给功率所必需的。
F y——切深抗力、或背向力、径向力、吃刀力。它是处于基面内并与工件轴线垂直的力。F y用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，计算机床零件和车刀强度。它与工件在切削过程中产生的振动有关。
消耗在切削过程中的功率称为切削功率P m(国标为Po)。切削功率为力F z 和F x所消耗的功率之和，因F y方向没有位移，所以不消耗功率。于是
P m=(F z V+F x n w f/1000)×10-3
其中：P m—切削功率（KW）；
F z—切削力（N）；
V—切削速度（m/s）；
F x—进给力(N）；
n w—工件转速（r/s）；
f—进给量（mm/s）。
式中等号右侧的第二项是消耗在进给运动中的功率，它相对于F所消耗的功率来说，一般很小(<1%～2%)，可以略去不计，于是P m=F z V×10-3按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率(P E)以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。
P E≥ P m/ηm
式中：ηm—机床的传动效率，一般取为0.75～0.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。
（2）切削热的产生和传导
被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功，这是切削热的一个重要来源。此外，切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也要耗功，也产生出大量的热量。因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区。
（3）影响切削温度的主要因素
根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响，以下对这几个主要因素加以分析。
切削用量的影响
分析各因素对切削温度的影响，主要应从这些因素对单位时间内产生的热量和传出的热量的影响入手。如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增高；某些因素使传出的热量增大，则这些因素将使切削温度降低。切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。而背吃力量a p变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度的影响很小。
刀具几何参数的影响
切削温度θ随前角γo的增大而降低。这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生的切削热减少的缘故。但前角大于18°～20°后，对切削温度的影响
减小时，使切削减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的缘故。主偏角Κ
r
宽度a w增大，切削厚度a c减小，故切削温度下降。负倒棱bγ1在(0-2)f范围内变
化，刀尖圆弧半径r
在0-1.5mm范围内变化，基本上不影响切削温度。因为负倒
e
棱宽度及刀尖圆弧半径的增大，会使塑性变形区的塑性变形增大，但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很小。
刀具磨损的影响
在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响，就比切碳素钢时大。
切削液的影响
切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有很大的关系。从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。
2.4车刀的主要角度及选择
（1）车刀的角度及选择
车刀的主要角度有前角（γ0）、后角（α0）、主编角（Kr）、副偏角（Kr’）和刃倾角（λs）。为了确定车刀的角度，要建立三个坐标平面：切削平面、基面和主剖面。对车削而言，如果不考虑车刀安装和切削运动的影响，切削平面可以认为是铅垂面；基面是水平面；当主切削刃水平时，垂直于主切削刃所作的剖面为主剖面。
1前角γ0在主剖面中测量，是前刀面与基面之间的夹角。其作用是使刀刃锋利，便于切削。但前角不能太大，否则会削弱刀刃的强度，容易磨损甚至崩坏。加工
塑性材料时，前角可选大些，如用硬质合金车刀切削钢件可取γ0=10～20，加工脆性材料，车刀的前角γ0应比粗加工大，以利于刀刃锋利，工件的粗糙度小。
2后角α0在主剖面中测量，是主后面与切削平面之间的夹角。其作用是减小车削时主后面与工件的摩擦，一般取α0=6～12°，粗车时取小值，精车时取大值。
3主偏角Kr在基面中测量，它是主切削刃在基面的投影与进给方向的夹角。其作用是：
1）可改变主切削刃参加切削的长度，影响刀具寿命。
2）影响径向切削力的大小。
小的主偏角可增加主切削刃参加切削的长度，因而散热较好，对延长刀具使用寿命有利。但在加工细长轴时，工件刚度不足，小的主偏角会使刀具作用在工件上的径向力增大，易产生弯曲和振动，因此，主偏角应选大些。
车刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°等几种，其中45°多。
4副偏角Kr’在基面中测量，是副切削刃在基面上的投影与进给反方向的夹角。其主要作用是减小副切削刃与已加工表面之间的摩擦，以改善已加工表面的精糙度。
在切削深度ap、进给量f、主偏角Kr相等的条件下，减小副偏角Kr’，可减小车削后的残留面积，从而减小表面粗糙度，一般选取Kr′=5～15°。
5刃倾角入λs在切削平面中测量，是主切削刃与基面的夹角。其作用主要是控制切屑的流动方向。主切削刃与基面平行，λs=0;刀尖处于主切削刃的最低点，λs为负值，刀尖强度增大，切屑流向已加工表面，用于粗加工；刀尖处于主切削刃的最高点，λs为正值，刀尖强度削弱，切屑流向待加工表面，用于精加工。车刀刃倾角λs，一般在-5-+5°之间选取。