數控加工雖然仍然屬於金屬切削加工的範疇, 但有其自身的特點, 主要表現為自動化程度高、連續加工過程較長、對刀所花費時間相對傳統加工複雜與費時。因此, 在加工刀具與切削參數選擇上存在許多值得思考的問題。
刀具結構與選擇
(1)刀具的結構刀具按其結構形式不同可分為整體式、焊接式、機夾式及機夾可轉位式,如圖1所示。近年來,純粹的機夾式刀具已不多見,市場幾乎由機夾可轉位式刀具統治。
圖1 刀具的結構形式
a) 整體式車、銑刀b) 焊接式車、銑刀c) 機夾可轉位式車、銑刀
(2) 選擇技巧與禁忌
1) 刀具的結構形式與刀具材料有關。高速鋼材料多製作成整體式結構, 而硬質合金材料多製成機夾式與焊接式結構。
2) 刀具的結構形式與切削刃的複雜程度有關。一般切削刃複雜時多採用整體結構, 如螺旋容屑槽的立式銑刀、麻花鑽和鉸刀等多製成整體式結構, 硬質合金的焊接式刀具的切削刃盡可能做成直槽或較小的螺旋角。機夾式刀具刀片的切削刃一般製作得較為簡單。
3) 刀具的結構形式與刀具的結構尺寸有關。小型的刀具一般做成整體式, 而較大尺寸的刀具一般做成機夾式, 如面銑刀多為機夾可轉位式。
4) 刀具的結構形式與生產綱領有關。單件或單件小批量生產可以考慮用整體式刀具,批量生產盡可能使用機夾可轉位刀具。
5) 整體式刀具損壞更換新刀具時換刀與調整時間較長, 而機夾可轉位式刀具的轉位與更換時間較短, 且基本不用重新調整, 只需改變刀具補償值就可很快調整至滿足要求, 因此, 數控加工建議盡可能採用機夾可轉位的結構形式。
6) 焊接式刀具由於存在焊接內應力, 且刀具報廢後刀桿基本不重複使用, 因此實際生產中盡可能少用這種形式。
刀具切削部分的材料與選擇
按刀具結構, 任何刀具基本上可分為兩部分: 刀頭與刀體(或刀桿)。刀體(或刀桿)多採用價格稍便宜的合金工具鋼或優質碳素結構鋼, 而刀頭是直接參與切削的部分, 其材料選擇是加工者最感興趣的內容。
1．刀具切削部分的常用材料
刀具切削部分的常用材料有高速鋼和硬質合金。另外, 超硬的陶瓷材料、立方氮化硼、金剛石等也有所應用。刀具塗層技術近年來應用較為普遍, 取得了較好的效果。
(1)高速鋼高速鋼是在合金鋼中加入較多的鎢、鉻、鉬和釩等合金元素的一種刀具材料。應用較為廣泛的是W18Cr4V,這種鋼有較好的綜合性能,可製造各種複雜的刀具,在國內應用較為廣泛。W6Mo5Cr4V2是增加了鉬減少了鎢元素的一種高速鋼,其抗彎強度和衝擊韌度都高於W18Cr4V,並具有較好的熱塑性和磨削性能,適合製作抵抗衝擊的刀具。
另外, 針對一些特殊要求還開發出了部分高性能高速鋼材料。
(2)硬質合金硬質合金是由硬度和熔點很高的金屬碳化物(碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC、碳化鈮NeC等)和金屬粘結劑(鈷Co、鎳Ni、鉬Mo等)以粉末冶金的方式燒結而成的一種高性能刀具材料。常用的硬質合金材料有鎢鈷類(YG類)、鎢鈷鈦類(YT類)和通用硬質合金類(YW類)三大類,對應ISO標準的K、P、M類硬質合金。TG類硬質合金適合加工鑄鐵及有色金屬材料, YT類硬質合金適合加工碳鋼或合金鋼類的材料,而YW類硬質合金可加工鑄鐵、有色金屬和鋼料等。
(3)超硬類材料隨著加工技術的發展,人們研究出許多超硬的刀具材料,如陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和金剛石。這些刀具材料多用於特殊場合,如高速切削、幹切削、難加工材料的切削、以車代磨等。這些材料的價格一般較高,且切削參數與過程不易掌握,對工具機的剛性與切削速度甚至刀具刃磨等都有一定要求,常規加工中應用不多。
(4)刀具塗層刀具表面塗層是提高刀具性能的重要方法之一,近年來應用較為廣泛。
常用的塗層材料有碳化鈦TiC、氮化鈦TiN和三氧化二鋁Al 2 O 3 ,單層塗層刀片使用較少,一般都採用TiC-TiN雙層複合塗層或TiC-Al 2 O 3 -TiN三層複合塗層的技術。硬質合金刀片表面塗層處理後其刀具壽命可提高數倍。塗層技術不僅用於硬質合金刀片等,還在高速鋼整體式銑刀或鑽頭的切削部分有所應用。
2．選擇技巧
1) 機夾可轉位刀具是數控加工首選的刀具, 因此, 刀具材料一般優先選擇硬質合金刀具材料, 如果可能的話, 盡量選擇塗層刀片。
2) 對於可能涉及自行修磨的刀具, 主要選擇高速鋼刀具材料。
3) 如有特殊需要可考慮選擇超硬類刀具材料, 必要時, 必須先進行工藝試驗。
4) 盡可能選擇行業內有一定影響力的品牌刀具, 且盡量固定使用某一品牌, 這對於掌握刀具材料的性能、充分發揮刀具材料的性能有幫助。
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