数控加工刀具的选择及切削用量的确定 毕业设计.docx

1、数控加工刀具的选择及切削用量的确定 毕业设计安徽机电职业技术学院毕业设计说明书 课题名称:数控加工刀具的选择及切削用量的确定系 （部） 数控工程系 专 业 数控技术 班 级 数控3092 姓 名 学 号 指导教师 2011 2012 学年第 1 学期摘 要在数控机床加工中，数控刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。现在，如Pro/ENGINEER、UG、Cimatron、MasterCAM等许多CAD/CAM软件包都提供自动编程功能，这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题，比如，刀具选择、加工路径规划 、切削用量设定等

2、，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成NC程序并传输至数控机床完成加工。因此，随着数控机床在生产实际中的广泛应用，数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一在数控程序的编制过程中，数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机床加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点。众所周知，在借助CAM软件进行数控编程的过程中，刀具的选择和切削用量的确定是十分重要，它不仅对被加工零件的质量影响巨大，甚至可以决定着机床功效的发挥和安全生产的顺利进行。所以无论是手工编程或计算机辅助编程，在编制加工程序时，选择合

3、理的刀具和切削用量，是编制高质量加工程序的前提。关键词：刀具；切削用量；数控加工。目 录摘 要 2引 言 41.数控车床刀具的选择及切削用量的确定 51.1 数控车床类刀具知识 51.1.1 刀具材料性能 51.1.2 常用刀具材料 61.1.3 如何选择车床刀具 121.2 数控车床切削用量的选择及其如何确定 132 数控铣加工中的刀具和切削用量合理选择 152.1 刀具的选择 152.1.1一般应遵循以下原则： 182.2数控铣床切削用量的选择 182.2.1如何选择切削用量 182.2.2 切削用量的选择原则 193 CNC加工中心刀具的选择与切削用量的确定 223.1数控加工刀具的选择

4、 223.2 数控加工切削用量的确定 234 图样设计（4-1）及程序编程 24结 论 28致 谢 29参 考 文 献 30引 言刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，不仅影响数控机床的加工效率，而且影响工件加工质量。随着CADCAM软件技术的发展，使得数控加工中直接利用CAD或PRO/E软件设计的数据成为可能，特别是微机与数控机床的联接，使得设计、工艺规划、编程的整个过程全在计算机上完成。例如选择刀具、确定加工路线、设定切削用量等，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成CNC程序，并传输至数控机床完成加工。因此，数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的

5、，一般不需要输出专门的工艺文件。因此，数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机床加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点，能够正确选择刀刃具及切削用量。铣床的出口量下降比较严重，部分产品出口转内销，进一步加剧了国内市场竞争。而对于产品档次比较高的企业来说，受到的冲击就不是很明显，特别是高精尖的高档机床依旧是供不应求。这些都在说明，国内机床市场转型已迫在眉睫。1.数控车床刀具的选择及切削用量的确定 1.1 数控车床类刀具知识 由于机床、刀具、夹具、工件等组成的切削加工工艺系统中，刀具是最活跃的成员

6、。刀具性能的好坏取决于其材料和结构。其中，刀具材料起决定作用，它直接影响切削生产率、刀具寿命、加工成本、加工精度和表面质量等高低。刀具材料包括刀体材料和刀具切削部分材料两部分，但通常刀具材料是指刀具切削部分材料。 1.1.1 刀具材料性能刀具材料性能 刀具材料不仅是影响刀具切削性能的重要因素，而且它对刀具耐用度、切削用量、生产率、加工成本等有着重要的影响。因此，在机械加工过程中，不数控车床但要熟悉各种刀具材料的种类、性能和用途，还必须能根据不同的工件和加工条件，对刀具材料进行合理的选择。 切削时，刀具在承受较大压力的同时，还与切屑、工件产生剧烈的摩擦，由此而产生较高的切削温度；在加工余量不均匀

7、和切削断续表面时，加工中心刀具还将受到冲击，产生振动。为此，刀具切削部分的材料应具备下列基本性能。 刀具材料性能：刀具材料不仅是影响刀具切削性能的重要因素，而且它对刀具耐用度、切削用量、生产率、加工成本等有着重要的影响。因此，在机械加工过程中，不但要熟悉各种刀具材料的种类、性能和用途，还必须能根据不同的工件和加工条件，对刀具材料进行合理的选择。大压力的同时，还与切屑、工件产生剧烈的摩擦，由此而产生较高的切削温度；在加工余量不均匀和切削断续表面时，刀具还将受到冲击，产生振动。为此，刀具切削部分的材料应具备下列基本性能。1.硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须大于工件材料的硬度，一般情况下，要求其常温

8、硬度在60HRC以上。通常，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好，刀具切削部分抗磨损的能力也就越强。耐磨性还取决于材料的化学成分、显微组织。刀具材料组织中硬质点的硬度越高，数量越多，晶粒越细，分布越均匀，则耐磨性越好。此外，刀具材料对工件材料的抗黏附能力越强，耐磨性也越好。2.强度和韧性：由于切削力、冲击和振动等作用，数控车床刀具材料必须具有足够的抗弯强度和冲击韧性，以避免刀具材料在切削过程中产生断裂和崩刃。3.耐热性与化学稳定性：耐热性是指刀具材料在高温下保持其硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。耐热性越好，则允许的切削速度越高，同时抵抗切削刃塑性变形的能力也越强。化学稳定性是指刀具材料在高温下不易

9、和工件材料、周围介质发生化学反应的能力。化学稳定性越好，刀具的磨损越慢。 4.工艺性能：刀具材料应具备好的制造性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等。 5.经济性能：在具有上述性能的同时，刀具材料尽可能满足资源充足、价格低廉的要求。 6.适应性能：随着科学的发展，各种高强度、高硬质、耐腐蚀和抗拉工程材料越来越多的被采用，刀具材料应能适应新型难加工材料的需要。1.1.2 常用刀具材料1.刀体材料一般刀体军用普通碳钢或合金钢制作。如焊接车、镗刀的刀柄，钻头、铰刀的刀体常用45钢或40Cr制造。尺寸较小的刀具或切削负荷较大的刀具宜用合金钢或高速钢整体制成，如螺纹刀具、成型铣刀、拉刀等；尺寸较小的

10、精密刀具（如小镗刀、小铰刀）也可用硬质合金整体制成。机夹、可转位硬质合金刀具、镶硬质合金钻头、可转位铣刀等可用合金工具钢，如9SiCr或GCr15等制成刀体。 2.切削部分材料目前刀具材料分四大类：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢）、硬质合金、陶瓷及超硬刀具材料等。刀具材料的硬度按照由大到小的顺序为：金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具。刀具材料的抗弯强度按照由大到小的顺序为：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、合金石刀具和立方氮化硼刀具。各种刀具材料的物理力学性能见以下表格。下面分别介绍各种刀具材料的组成、性能、使用等 各种刀具材料的物理力学性能 材料种类

11、相对密度或密度/（g/cm3)硬度/HRC(HRA)HV抗弯强度bb/GPa冲击韧度k/（MJ/m2)热导率/W/（m K）耐热性/ C切削速度大致比值 工 具 钢碳素工具钢7.67.86065（81.284）2.16 41.872002500.320.4合金工具钢7.77.96065（81.284）2.35 41.873004000.480.6高速钢8.08.86370（8386.6）1.964.410.0980.58816.7525.160070011.2 硬 质 合 金钨钴类14.315.3（8991.5）1.082.160.0190.05975.487.9 8003.24.8钨钛钴类9

12、.3513.2（8992.5)0.8821.370.00290.006820.962.8 90044.8含有碳化钼、铌类 （92）1.47 10001100610碳化钛基类5.566.3（9293.3）0.781.08 1100610 陶 瓷氧化铝陶瓷3.64.7（9195）0.440.6860.00490.01174.1920.931200812氧化铝碳化物混合陶瓷0.710.881100610氮化硅陶瓷3.2650000.7350.83 37.681300 超 硬 材 料立方氮化硼3.443.4980090000.294 75.5514001500 人造金刚石3.473.56100000.

13、218 146.54700800 25 3. 高速钢 高速钢（High Speed Steel，简称HSS）是一种加入较多的钨（W）、锰（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢，有较高的热稳定性，切削温度达500650时仍能进行切削，有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性。其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、数控车床拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，在复杂大局，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具时，高速钢占据着重要的地位。由

14、于钨（W）、钴（Co）等主要元素的资源紧缺，高速钢刀具在所有刀具材料的比重逐渐下降，今后高速钢的使用比例还将逐渐减少。高速钢刀具的发展方向包括：发展各种少钨（W）的通用型高速钢，扩大使用各种无钴（Co）、少钴（Co）的高性能高速钢，目前，推广使用粉末冶金高速钢（PMHSS）和涂层高速钢。高速钢的品种繁多：按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢：按化学成分可分为钨系、钨钼系和钼系高速钢；按制造工艺不同，分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。 普通高速钢通用型高速钢约占高速钢总产量的75%80%。按钨钼的含量可分为钨系、钨钼系两类。这类高速钢碳（C）的质量分数为0.7%0.9%，钨钼钢中钨（W）的质量

15、分数的不同，可分为12%或18%的钨钢、钨（W）的质量分数为6%或8%的钨钼钢、钨（W）的质量分数为2%或不含钨（W）的钼钢。普通型高速钢具有一定的硬度（6366HRC）和耐磨性、搞的强度和韧性、良好的塑性和加工工艺性，因此广泛用于制造各种复杂刀具。 钨钢 我国长期使用的通用型高速钢中的钨钢，其典型牌号为W18Cr4V，具有较好的综合性能，在600时的高温硬度为48.5HRC，可用于制造各种复杂刀具。它具有可磨削性好、脱碳敏感性小等优点，但由于碳化物含量较高、分布较不均匀、颗粒较大、强度和韧性不高，特别是热塑性差，不宜做大截面的刀具。钨钢已很少采用，逐渐淘汰，而由钨钼系高速钢取代。 钨钼钢 钨

16、钼钢是指将钨钢中的一部分钨用钼代替所获得的一种高速钢。钨钼钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2（简称M2）。W6Mo5Cr4V2的碳化物颗粒细小均匀，强度、韧性和高温塑性都比W18Cr4V好。其主要缺点是含钒量稍多，磨削加工性比W18Cr4V差，脱碳敏感性大、淬火温度范围较窄。钨钼钢为W9Mo3Cr4V（简称W9），其热稳定性略高于W6Mo5Cr4V2钢，抗弯强度和韧性都比W6Mo5Cr4V2好，具有良好的可加工性能。这种钢易轧、易锻，热处理范围较宽。脱碳敏感性小、磨削性能较好。此外，我国还开发了W3MO2Cr4Si和W3MO2Cr4SiN等低合金高速钢，其价格比W6Mo5Cr4V2钢便宜15%

17、20%。实验证明，用它们制作低、中速切削的刀具、如中心钻、丝锥、小直径麻花钻等，其切削性能不比W6Mo5Cr4V2差。 粉末冶金高速钢普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法制成的。粉末冶金高速钢(PMHSS)是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压氩气使之雾化，再急冷得到细小均匀的晶体组织（高速钢粉末），用此粉末在高温、高压下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状，再通过各种加工而成刀具。与熔融法制造的高速钢相比具有以下有点： 粉末冶金高速钢没有碳化物偏析的缺陷，不论刀具截面尺寸有多大，其碳化物晶粒小且均匀，达23m（一般熔炼为820m）。因此，粉末冶金高速钢具有较高的力学性能，其强度和

18、韧性分别是熔炼钢的2倍和2.53倍。 与熔炼钢塑钢相比，粉末冶金高速钢的常温度能提高11.5HRC，热处理后硬度可达69.570HRC，600时的高温硬度比熔炼钢高23HRC，高温硬度提高尤为显著。由于PMHSS碳化物颗粒均匀，分布的表面积较大，且不易从切削刃上剥落，故PMHSS刀具的耐磨性也提高20%30%。 由于碳化物细小均匀且含钒量适当提高，PMHSS的可磨削性较好。 由于物理力学性能各向同性，可减少热处理变形和应力。PMHSS适合制造钻头、拉刀、螺纹刀、滚刀、插齿刀等复杂刀具。早粉末冶金高速钢表面进行PVD涂层TiC、TiCN、TiAIN后，切削速度可进一步提高。我国常用高速钢的主要牌

19、号和性能 牌号硬度/HRC抗弯强度bb/MPa冲击韧度k（MJ/m2)600C时硬度/HRC通用高速钢W18Cr4V6366300034000.180.3248.5W6Mo5Cr4V26366350040000.30.44748W9Mo3Cr4V6567400045000.350.4含铝高速钢W6Mo5Cr4V2AI6869343037300.230.355W10Mo4Cr4V3AI686930100.20.854含钴高速钢W12Mo3CrV3Co5Si6970235026500.10.2254W9Mo3Cr4V3co106669231055W7Mo4Cr4V2Co56568245029500

20、.230.354W2Mo9Cr4VCo8667031400.230.355含钒高速钢W12Cr4V4Mo636631400.152W6Mo5Cr4V3636631400.2451.7W9Cr4V563660.245 4.硬质合金硬质合金是有硬度和熔点很高的碳化物（称硬质相）和金属（称粘结相）通过粉末冶金工艺制成的。硬质合金刀具中常用的碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等。常用的粘结剂是Co，碳化钛的粘结剂是Mo、Ni。其物理学性能取决于合金的成份。粉末颗粒的粗细以及合金的烧结工艺。由于有搞硬度、搞熔点的性质，常温硬度达8994HRA，耐热温度达8001000。切削钢时，切削速度可达220m/

21、min左右。假如熔点更高的TaC、NbC，可使耐热温度提高到10001100，切削钢时，切削速度进一步提高到200300m/min。硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料，如车刀、加工中心端铣刀以至深孔钻等。它制成各种形式的刀片，然后用机械夹紧或用钎焊方式固定在刀具的切削部位上。硬质合金按晶粒大小可分为普通硬质合金、细晶粒硬质合金和超细硬质合金。按主要化学成分可分为碳化钨基硬质合金和碳（氮）化钛TiC（N）基硬质合金。碳化钨基硬质合金包括钨钴类（YG）、钨钴钛（YT）和添加稀有碳化物（YW）三类。ISO（国际标准化组织）将切削用硬质合金分为三类： K类，包括K10K40,相当于我国的YG类

22、（主要成分为WCCo） P类，包括P01P50,相当于我国的YT类（主要成分为WCTiCCo） M类，包括M10M40,相当于我过的YW类主要成分为WCTiCTaC（NbC）Co。每种中的牌号分别以一个0150之间的数字表示从高的硬度到最大韧性之间的一系列合金，以供各种背加工材料的不同切削工序加工条件时选用。 5.其他刀具材料 涂层刀具：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体或高速钢刀具基体上，加工中心涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN等。 陶瓷：陶瓷刀具材料可分为四大类：CA氧化铝基氧化物陶瓷(白陶瓷)；CM氧化铝基金属碳化物复合陶瓷(黑陶瓷)；CN氮化硅

23、基氮化物陶瓷(非氧化物陶瓷)；CC陶瓷涂层刀具。目前氧化铝基氮化硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。其主要的特性如下： 硬度高、耐磨性好 耐高温、耐热性好 化学稳定性 摩擦系数低 原料丰富 金刚石：金刚石与立方氮化硼称为超硬刀具。金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的物质，显微硬度可达10000HV。其主要特点如下： 极高的硬度和耐磨性 各向异性 具有很低的摩擦系数 具有很高的导热性能 具有较低的线胀系数 立方氮化硼：数控车床立方氮化硼(CBN)是由六方氮化硼(白石墨)在高温高压下转化而成的。其主要优点如下： 高的硬度材料和耐磨性 具有与金刚石相近的硬度和强度。硬度可达30005000HV。耐磨性为硬

24、质合金刀具的50倍，为陶瓷刀具的25倍。特别适合用于加工高硬度材料，能获得较好的工件表面质量，实现“以车代磨” 具有很高的热稳定性 热硬度可达14001500，比金刚石的热硬性（700800）几乎高1倍。可用比硬质合金刀具高35倍的速度高速切削高温合金和淬硬钢。 优良的化学稳定性 CBN的化学惰性大，在还原的气体介质中，对酸和碱都是稳定性的，在大气和水蒸气中，在900以下钨任何变化，切稳定。它与铁系材料在12001300时也不起化学作用，与各种材料的粘结和扩散作用比硬质合金小得多。它具有很高的抗氧化能力，在1000时也不会产生氧化现象。 具有较好的导热性 CBN的热导性虽然赶不上金刚石，但是在

25、各类刀具材料中PCBN的热导性仅次于金刚石，大大高于高速钢和硬质合金。CBN的热导率都是铜的3.2倍，是硬质合金的20倍，立方氮化硼与与陶瓷的热导率的比率为37.1，热扩散率比值为65.5，而且随着温度的升高，PCBN刀具的切削温度要低于硬质合金刀具。 具有脚底的摩擦系数 CBN与不同材料间的摩擦系数约为0.10.3,比硬质合金的摩擦系数（0.40.6）小得多。低的摩擦系数可导致切削时切削力减少，切削温度降低，加工表面质量提高。1.1.3 如何选择车床刀具 1.数控车床用的机床车刀一般分为三类：即尖形车刀、圆形车刀和成型车刀。尖形刀具指车刀由直线形切刃为特征的车刀，圆形车刀指构成主切削形状为一

26、个圆度误差或线轮廓误差很小的圆弧的车刀，成型车刀是指切削刃形状与加工零件的轮廓一致的车刀。 2.机床主轴转速的确定机床切削加工时机床主轴转速应根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度选择切削速度可用经验公式计算，也可参考有关机床切削用量手册选取。数控车床加工螺纹，因其传动链的改变，原则上其转速只要能保证主轴每转一周时，刀具沿主进给轴(多为z轴)方向位移一个螺距即可大多数经济型数控车床数控系统推荐车螺纹时主轴转速如下：n1200/pk式中：P为被加工螺纹螺距(mm)；A为保险系数一般为80。 3.进给速度v的确定进给速度的大小直接影响表粗糙度的值和车削效率，因此机床进给速度的确定应在保证表面质

27、量的前提下，选择较高的进给速度。一般根据零件的表面粗糙度、刀具及工件材料等因素，查阅切印用量手册选取。1.2 数控车床切削用量的选择及其如何确定 1.2.1数控车床切削用量的选择切削用量(ap、f、v)选择是否合理，对于能否充分发挥机床潜力与刀具切削性能，实现优质、高产、低成本和安全操作具有很重要的作用。这里主要针对车削用量的选择原则进行论述： 1.粗车时，首先考虑选择一个尽可能大的背吃刀量ap，其次选择一个较大的进给量f ，最后确定一个合适的切削速度v。增大背吃刀量ap 可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑，因此根据以上原则选择粗车切削用量对于提高生产效率，减少刀具消耗，降低加工成本是有

28、利的。 2.精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀，因此选择精车切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。因此精车时应选用较小（但不太小）的背吃刀量ap和进给量f，并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度v。 背吃刀量ap的确定 ：在工艺系统刚度和机床功率允许的情况下，尽可能选取较大的背吃刀量，以减少进给次数。当零件精度要求较高时，则应考虑留出精车余量，其所留的精车余量一般比普通车削时所留余量小，常取0.10.5。 进给量f（有些数控机床用进给速度Vf） ：进给量f的选取应该与背吃刀量和主轴转速相（有些数控机床用进给速度Vf

29、） 进给量f的选取应该与背吃刀量和主轴转速相适应。在保证工件加工质量的前提下，可以选择较高的进给速度（2000/min以下）。在切断、车削深孔或精车时，应选择较低的进给速度。当刀具空行程特别是远距离“回零”时，可以设定尽量高的进给速度。 粗车时，一般取f=0.30.8/r，精车时常取f=0.10.3/r，切断时f=0.050.2/r。 硬质合金外圆车刀切削速度的参考值工件材料热处理状态ap/(0.3,2)(2,6)（6,10）f/（ .r-1）(0.08,0.3)(0.3,0.6)（0.6,1）vc（m.min-1）低碳钢、易切钢热轧140-180100-12070-90中碳钢热轧130-16090-11060-80调质100-13070-9050-70合金结构钢热轧100-13070-9050-70调质80-11050-7040-60工具钢退火90-12060-8050-70灰铸铁HBS19090-12060-8050-70HBS=190-22580-11050-7040-60高锰钢10-20铜及铜合金200-250120-18090-120铝及铝合金300-600200-400150-200铸铝合金（wsi13%）100-18080-15080-150