刀具起点或加工原点又称什么

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2011-12-06 回答
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。
  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。
  各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上;镶齿结构刀具的工作部分(刀齿或刀片)则镶装在刀体上。
  刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上,借助轴向键或端面键传递扭转力矩,如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。
  带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄;圆锥柄靠锥度承受轴向推力,并借助摩擦力传递扭矩;圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具,切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成,而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。
  刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分,包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分,如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等;有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分,如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑,校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。
  刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。整体结构是在刀体上做出切削刃;焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上;机械夹固结构又有两种,一种是把刀片夹固在刀体上,另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构;瓷刀具都采用机械夹固结构。
  刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角,可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形,减小切屑流经前面的摩擦阻力,从而减小切削力和切削热。但增大前角,同时会降低切削刃的强度,减小刀头的散热体积。
  在选择刀具的角度时,需要考虑多种因素的影响,如工件材料、刀具材料、加工性质(粗、精加工)等,必须根据具体情况合理选择。通常讲的刀具角度,是指制造和测量用的标注角度在实际工作时,由于刀具的安装位置不同和切削运动方向的改变,实际工作的角度和标注的角度有所不同,但通常相差很小。
  制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性,必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性,良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等),并不易变形。
  通常当材料硬度高时,耐磨性也高;抗弯强度高时,冲击韧性也高。但材料硬度越高,其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性,以及良好的可加工性,现代仍是应用最广的刀具材料,其次是硬质合金。
  聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等;聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属,及合金、塑料和玻璃钢等;碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。
  硬质合金可转位刀片现在都已用化学气相沉积法涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具,也可用于高速钢刀具,如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁,使刀具在切削时的磨损速度减慢,涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高1~3倍以上。
  由于在高温、高压、高速下,和在腐蚀性流体介质中工作的零件,其应用的难加工材料越来越多,切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。为了适应这种情况,刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料;进一步发展刀具的气相沉积涂层技术,在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层,更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾;进一步发展可转位刀具的结构;提高刀具的制造精度,减小产品质量的差别,并使刀具的使用实现最佳化。
  车削钢用的UE系列涂层刀片材料
  描述:图1 车削钢用的UE系列刀具材料
    描述:图2 UE系列刀具材料示意               描述:图3.1 UE6010的微结构
          描述:图3.2 UE6020的微结构
  机械零件绝大多数是由碳素钢及合金结构钢制成。车削此类材料时,多形成带状切屑。为从毛坯上切除切屑,刀片需承受巨大的负荷,被切除的切屑从刀片前刀面快速滑出,它在与刀片的相对运动中产生剧烈摩擦而形成高温,故刀片材料不但要耐磨,而且要耐高温,在高温下保持硬度。所以切削此类材料应选用含TiC+TaC比例较多的P类硬质合金。当今为提高切削效率和切削速度,进给速度愈来愈高,P类硬质合金刀片已不能胜任。在上世纪中叶,人们开发了在P类硬质刀片上再沉积一层高硬度的膜,称之为涂层(coating)。涂层厚度仅约为刀片厚度的0.2%,可以大大提高刀片寿命,且能适应更高的切削速度。这几十年来涂层技术也在不断发展,如由单层发展到多层甚至纳米多层;涂层厚度也由几μm增至十几μm甚至更多,涂层材料的种类、性能及沉积技术也越来越先进。作为基体材料的硬质合金也由单一各向同性发展到适应加工要求的具有梯度性能结构等。 针对这些工件材料的切削加工要求,三菱公司经多年研发,成功推出了新的UE系列涂层刀片材料。     在坐标原点处可见一带缺口的圆,表示沿45度线附近的各切深与进给量的切削条件,在进行轻微断续切削时推荐选用的UE系列刀具的具体牌号,同时可选出相应的断屑槽。如当切深与进给较小时,可选用UE6010与SH断屑槽,若切深与进给量大致沿45度线向上增大,表示切屑截面积逐渐增大,切削负荷逐渐增大时,依次可选用UE6010材料与MV和GH断屑槽,当切削面积更大时,可选用UE6020材料与Hx断屑槽。工件上若没有键槽,缺口等时,此时的切削称为连续切削,若加工余量也均匀,不是切削工件的表层,而是切削其内层,另外若工件的安装刚性较高,不易产生振动,切削力大致恒定时,以上条件下的切削属于稳定的切削范围,见图1的左上方。在此范围内的切削,随切深与进给量的增大,可分别选择UE6005材料与SH、MV、GH断屑槽,当切深和进给量更大时,可选择UE6010材料和Hx断屑槽。图1的右下方有一个带4个缺口的圆,形象地表示工件上缺口多,加工时形成更强烈的断续切削。加工余量不均,非工件内层切削而是硬度高且不均匀的表皮切削或是工件的安装刚性差、易振动时的切削,都属不稳定的切削范围,此时主要可选用UE6020材料,随切深与进给量的增大,可同前选择相应的断屑槽。不稳定条件更加严重时,则应选用UE6035及相应的断屑槽。为什么这样选择呢?因为UE系列这四种材料分别相当于ISO国际标准从P01到P40的不同等级,以上的号码越小,表示硬度越高,越耐磨,越可适应更高的切削速度;号码越大,表示韧性越高,越耐冲击,但适应的切削速度相对较低。 在说明UE系列刀片材料的特点前,先简要说明一下使刀具失效的损伤问题。当今刀具材料以硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、CBN(立方氮化硼)、PCD(人造聚晶金刚石)等烧结材料为主,高速钢的使用率已经下降。烧结材料的损伤形态与高速钢一样有磨损(wear),磨损是一种渐进性损伤,与切削时间、切削长度相关。烧结材料又有自己的特性,即硬而脆,韧性不足,在切削过程中会因切削力、切削热的变动造成瞬时与低循环冲击,而形成脆性损伤(Brittle Fracture),这种损伤表现为:①在刀刃上出现一些小缺口,称为缺损或微崩(chipping)。②严重时产生大缺口,称为破损或崩刀(Broken Fracture)。刀刃上出现微小缺口即缺损时,不能再用于精加工,但在某些情况下可继续用于粗加工。③另外在加工中,部分切屑粘结(adhesion)、熔结(welding)在刀刃附近。一般的粘结、熔结磨损是零件,非烧结刀具损伤原因之一,对烧结工具材料来讲有可能产生粘结、熔结磨损,但更主要的是与刀具表面牢固结合在一起的切屑粘结、熔结物,积屑瘤在被后续加工冲击后,使它强行与刀具表面分离,在这一过程中,分离的同时将部分刀具材料也一起带走,造成了粘结、熔结缺损与破损,故在现场加工中应尽量避免切屑的粘结、熔结。当然它们还影响加工表面质量。④烧结材料导热差,易产生热裂纹等损伤。
  三菱公司UE系列涂层材料正是为良好地抵抗以上这些主要刀具损伤、保证高效长寿命加工而开发出来的。UE系列这四种涂层均用CVD(化学气相沉积法)制成,该工艺的膜层可制得较厚,更耐磨、耐高温,可适应高速大进给、大切深切削。UE系列4种涂层以UE6010、UE6020应用最广,最具通用性和典型性。图3为UE6010和UE6020组织结构图片。 由图1可知,在45度线上,作为第一推荐是UE6010,因为它既有相当高的硬度很耐磨又有相当的韧性可适应一定的断续切削与冲击,它的基体硬质合金是倾斜结构,即各层性能功能是不同的,与涂层结合的最上层韧性大,保证涂层能牢固地与它结合,耐缺损和破损,基体硬质合金芯部则做得坚硬,抗变形能力强。涂层共分三层,与基体结合的最内层是TiCN纤维柱状结晶,次层硬度高也有相当的韧性,能很好地抵抗前后刀面磨损。 中间一层是微细晶粒的Al2O3,硬度可达HY2100,其生成自由能值达-100Kcal/g.atom,此值代表化学稳定性,值越小,化学稳定性和耐热性越好。有此涂层后,在高速切削时不易产生刀具与工件材料分子互相扩散,致使带状切屑的流动在前刀面造成的月牙洼磨损,此涂层在高温条件下对铁的熔解度几乎为零,使铁屑不易熔结在它表面,从而也避免因此造成的各种损伤。它是由独特的平滑涂层技术(even coating technology)涂覆的,表面特别光滑,在此基础上表面再涂上一层特殊钛化合物,此涂层保持平滑,使摩擦系数降低,进一步减少铁屑的粘结、熔结。由于它是金黄色,较易发现可能产生的微小损伤。在推荐选用UE6010时,还特别推荐了适合切削条件广泛的MV断屑槽,这二者的结合更增加其通用性。UE6020的各层结构、性能特性及基体硬质合金的结构特性与UE6010大致相同,但其膜层较薄(图3),硬度比UE6010低,耐磨性较差,适应的切削速度也较低,但在推荐的切削速度范围(图1)下仍可保持相当高的耐磨性。它的抗弯强度、韧性及耐冲击力则高于UE6010,适合不稳定切削范围内的切削。在冲击载荷作用下,薄膜可能裂伤失效,膜层可靠性下降,而厚膜更耐冲击,可靠性高。 针对UE6010和UE6020的使用条件,如为连续切削,切削条件稳定,则可进一步选用硬度更高、更耐磨的UE6005,此时冲击载荷很小甚至没有,就可按推荐的更高切削速度实现更高效的切削。相反,若为断续切削,冲击载荷更大时,则可选用比UE6020韧性更高、抗弯强度更大的UE6035,在推荐的切削速度下加工,虽然速度下降了(图1),但避免了刀具缺损和破损,使刀具使用寿命延长,避免了频繁更换刀片,缩短了辅助时间,同样可以提高切削效率。
  夹具、刀具的选择及切削用量的确定
  一、夹具的选择、工件装夹方法的确定
1.夹具的选择  
  数控加工对夹具主要有两大要求:一是夹具应具有足够的精度和刚度;二是夹具应有可靠的定位基准。选用夹具时,通常考虑以下几点:
  1)尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具,避免采用专用夹具,以缩短生产准备时间。
  2)在成批生产时才考虑采用专用夹具,并力求结构简单。
  3)装卸工件要迅速方便,以减少机床的停机时间。
  4)夹具在机床上安装要准确可靠,以保证工件在正确的位置上加工。
2.夹具的类型  
  数控车床上的夹具主要有两类:一类用于盘类或短轴类零件,工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘(三爪、四爪)中,由卡盘传动旋转;另一类用于轴类零件,毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖间,工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。
  数控铣床上的夹具,一般安装在工作台上,其形式根据被加工工件的特点可多种多样。如:通用台虎钳、数控分度转台等。
3.零件的安装  
  数控机床上零件的安装方法与普通机床一样,要合理选择定位基准和夹紧方案,注意以下两点:
  1)力求设计、工艺与编程计算的基准统一,这样有利于编程时数值计算的简便性和精确性。
  2)尽量减少装夹次数,尽可能在一次定位装夹后,加工出全部待加工表面。
  二、刀具的选择及对刀点、换刀点的设置
1.刀具的选择  
  与普通机床加工方法相比,数控加工对刀具提出了更高的要求,不仅需要刚性好、精度高,而且要求尺寸稳定,耐用度高,断屑和排屑性能好;同时要求安装调整方便,这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。(1)车削用刀具及其选择 数控车削常用的车刀一般分尖形车刀、圆弧形车刀以及成型车刀三类。
  1)尖形车刀  尖形车刀是以直线形切削刃为特征的车刀。这类车刀的刀尖由直线形的主副切削刃构成,如90°内外圆车刀、左右端面车刀、切槽(切断)车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。
  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,但应结合数控加工的特点(如加工路线、加工干涉等)进行全面的考虑,并应兼顾刀尖本身的强度。
  2)圆弧形车刀  圆弧形车刀是以一圆度或线轮廓度误差很小的圆弧形切削刃为特征的车刀。该车刀圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖,应此,刀位点不在圆弧上,而在该圆弧的圆心上。
  圆弧形车刀可以用于车削内外表面,特别适合于车削各种光滑连接(凹形)的成型面。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,还会因刀尖强度太弱或刀体散热能力差而导致车刀损坏。
  3)成型车刀  成型车刀也称样板车刀,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,常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹刀等。在数控加工中,应尽量少用或不用成型车刀。
  (2)铣削用刀具及其选择  数控加工中,铣削平面零件内外轮廓及铣削平面常用平底立铣刀,该刀具有关参数的经验数据如下:
  1)铣刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin,一般取RD=(0.8~0.9)Rmin
  2)零件的加工高度H≤(1/4-1/6)RD,以保证刀具有足够的刚度。 3)粗加工内轮廓时,铣刀最大直径D可按下式计算(参见图2-10): 式中
  D1——轮廓的最小凹圆角半径;
  Δ——圆角邻边夹角等分线上的精加工余量;
Δ1——精加工余量;  
  j——圆角两邻边的最小夹角。 4)用平底立铣刀铣削内槽底部时,由于槽底两次走刀需要搭接,而刀具底刃起作用的半径Re=R-r,如图2-11 所示,即直径为d=2 Re=2(R-r),编程时取刀具半径为Re=0.95(R-r)。
  对于一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工,常用球形铣刀、环形铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀。如图2-12所示。 

  (3)标准化刀具  目前,数控机床上大多使用系列化、标准化刀具,对可转位机夹外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都有国家标准及系列化型号;对于加工中心及有自动换刀装置的机床,刀具的刀柄都已有系列化和标准化的规定,如锥柄刀具系统的标准代号为TSG—JT,直柄刀具系统的标准代号为DSG—JZ。   此外,对所选择的刀具,在使用前都需对刀具尺寸进行严格的测量以获得精确数据,并由操作者将这些数据输入数据系统,经程序调用而完成加工过程,从而加工出合格的工件。   2.对刀点、换刀点的设置   工件装夹方式在机床确定后,通过确定工件原点来确定了工件坐标系,加工程序中的各运动轴代码控制刀具作相对位移。例如:某程序开始第一个程序段为N 0010 G 90 G 00 X100 Z20 ,是指刀具快速移动到工件坐标下 X= 100mm Z= 20mm 处。究竟刀具从什么位置开始移动到上述位置呢?所以在程序执行的一开始,必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置,这一位置即为程序执行时刀具相对于工件运动的起点,所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般通过对刀来确定,所以,该点又称对刀点。   在编制程序时,要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则是:   1)便于数值处理和简化程序编制。   2)易于找正并在加工过程中便于检查。   3)引起的加工误差小。   对刀点可以设置在加工零件上,也可以设置在夹具上或机床上,为了提高零件的加工精度,对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基准上。例:以外圆或孔定位零件,可以取外圆或孔的中心与端面的交点作为对刀点。   实际操作机床时,可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上,即“刀位点”与“对刀点”的重合。所谓“刀位点”是指刀具的定位基准点,车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心;平底立铣刀是刀具轴线与刀具底面的交点;球头铣刀是球头的球心,钻头是钻尖等。用手动对刀操作,对刀精度较低,且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等,以减少对刀时间,提高对刀精度。   加工过程中需要换刀时,应规定换刀点。所谓“换刀点”是指刀架转动换刀时的位置,换刀点应设在工件或夹具的外部,以换刀时不碰工件及其它部件为准。 三、切削用量的确定    数控编程时,编程人员必须确定每道工序的切削用量,并以指令的形式写入程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法,需要选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是:保证零件加工精度和表面粗糙度,充分发挥刀具切削性能,保证合理的刀具耐用度;并充分发挥机床的性能,最大限度提高生产率,降低成本。