高速切削刀具在数控加工中的应用论文

高速切削刀具在数控加工中的应用论文（精选7篇）

1.高速切削刀具在数控加工中的应用论文 篇一

高速切削技术,是以比常规高10倍左右对零件进行切削加工的一项先进制造技术，实践证明,当切削速度提高10 倍,进给速度提高20倍,远远超越传统的切削“禁区”后,切削机理发生了根本的变化。其结果是:单位功率的金属切除率提高了30%-40%,切削力降低了 30%,刀具的切削寿命提高了70%,留于工件的切削热大幅度降低,切削振动几乎消失;切削加工发生了本质性的飞跃。在常规切削加工中备受困惑的一系列问题亦得到了解决,真可谓是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术,是切削加工新的里程碑。

1 高速切削将成为切削加工的新工艺

以高速切削为代表的硬切削、干切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力,这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此,发展高速切削等新型切削工艺,促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只是切削速度的提高,而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上(包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步),达到切削速度和进给速度的成倍提高,并带动传统切削工艺的变革和创新,使制造业整体切削加工效率有显著的提高。硬切削是高速切削技术的一个应用领域,即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件,它与传统的磨削加工相比,具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点,已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业,用高速切削技术加工20CrMo5淬硬齿轮 (60RHC)内孔,代替磨削,已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用高速切削技术高速精铣淬硬钢模具,采取小的走刀步距,中间不接刀,完成型面的精加工,大大减少了抛光的工作量,显著缩短了模具的开发周期,已成为模具制造业的一项新工艺。在机床行业用CBN旋风铣精加工滚珠丝杠代替螺纹磨削, 用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。

高速切削派生的另一项新工艺是干切削。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害,成为当前治理的重点,但是对切削液所造成危害的治理增加了制造的成本,导致干切削新技术的开发,并出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的切削液去掉,降低切削效率,而是进行传统切削工艺的重大变革,为新世纪提供一种清洁、安全、高效的新工艺,这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面挑战。而节省刀具材料的贵重金属资源消耗,开发刀具重磨、回收等新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。

2 加快关键技术的开发应用

2.1 涂层成为提高刀具性能的关键技术

刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用,自从问世以来发展非常迅速,尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展,提高了涂层表面光洁度,进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。在此期间,物理涂层(PVD)的进展尤为引人注目,在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展,不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层, 如超级TiAlN,及综合性能更好的TiAlCN 通用涂层和DLC、W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构,大幅度提高了涂层硬度和韧性。

PVD涂层技术的新进展,向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势:可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层,以满足加工多样性的需要,是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术,有着十分广阔的应用前景。

2.2 刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇 一律的面貌和单一的功能

随着制造业的高速发展,汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具,突破了传统按需供刀、“闭门造刀”的做法,而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素,发挥新的作用。

为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要,开发了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等刀具。

模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短,成为推动可转位刀具结构创新的强大动力, 如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等等。回顾上世纪90年代以来切削加工的发展,模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。

与此同时,也出现了各种可转位刀片的新结构,如形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等，

2.3 快速发展的配套技术

切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的,是现代切削技术不可缺少的组成部分,并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展,包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理。

双面接触的空心短锥刀柄(HSK)机床-刀具接口,由于可实现法兰端面和锥柄的同时接触,具有连接刚性好、定位精度高、且装卸时间短等优点,随着高速切削技术的推广,得到了越来越广泛的应用。这种刀柄的结构形式现已成为正式的国际标准,并且也已被众多的机床工具厂商所接受,纷纷推出带HSK主轴接口的高速加工中心和带HSK刀柄的工具系统或整体刀具,显示出这种新型刀柄的强大生命力和很好的使用前景。与此同时,一些公司还开发了与HSK类似的刀柄结构,如Sandvik公司的Capto刀柄,Kennametal公司的KM刀柄。近年来,还出现了双面接触甚至三处接触的7:24接口,以适应现有机床用于高速切削加工的需要。

在高速切削时,刀具的转速在10000~0r/min以上甚至更高,此时,刀体、刀片、及刀片的夹紧零件受到很大离心力的作用,当转速达到某一临界值时,足以使刀片甩出,或者夹紧螺钉断裂、甚至整个刀体破裂。一旦出现这些情况会造成设备或人身伤害事故,因此是应用高速切削技术必须加以防范的事情。为此,德国制定了高速旋转刀具的安全规范,对刀具的设计、检测、使用、平衡质量都作了严格的规定,这项规范已先后成为欧洲标准和国际标准。

3 机床技术

3.1 驱动和传动技术

高速切削机床的直线进给有:电机伺服系统和直线电机驱动系统两种。电机伺服直线进给系统通常由变频调速电机、机械传动环节、滚动导轨滑台和位置调节测量装置组成。它的几何定位精度可以达到5―1 0μm,运动的均匀性误差小于1μm,进给速度Vfj≥40―50m/min,(j=x、y、z),加速能力αj≥5―10m/s2,其他性能指标还有动态轨迹精度,机械传动件的动力学特性和热特性。

直线电机驱动的系统由原始级部件、滑台和位置测量装置构成,也是零传动。它的Vfj≥120 m/min,αj≥25m/s2,动态轨迹精度也高得多。

目前,高速切削机床的主轴多以高频变频调速电机直接驱动,即所谓“零传动”,并且朝着高转速、大功率、大扭矩的方向发展。例如:一种高频电主轴的最高转速n=24000r/min,最大功率p=23KW,最大扭矩M≥79nm。其关键零、部件是控制系统和传感器、电机、轴承。需要解决的技术关键问题有转子转速显示,通过监控电机温度和耗用电流来保护主轴、变频器、冷却剂的流动控制和循环冷却、刀具夹紧系统的动作控制、轴承震动的测量与监控、用阀调节润滑剂压力来调节预紧轴承、主轴密封等等。

3.2 控制和数控技术

高速切削机床部件运动速度高,在单位时间内CNC系统需要处理计算的数据大大增加,要求相应提高处理计算的速度和容量。通过采用功能强大的硬件配置, 如:奔腾芯片、64MB内存(或更高)、1―10G硬盘等,并应用数字化驱动调节和数字化总线技术,高速CNC执行程序块的速度以降低到0.5ms。通过配备空间螺旋线、抛物线、和样条插补功能,速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能,加速和制动时的急动速度监控功能,使它的插补计算精度和容量也获得大幅度提高。此外,CNC通常具备刀具补偿、误差补偿、安全性监控等功能,并安装有高效的CNC专用模拟软件。

4 我国高速切削技术的发展现状和采取措施

我国高速切削技术目前处于起步阶段。就多数企业单位而言,由于缺乏全面认识了解和经验,或者因为资金有限,引进的高技术装备不配套,主要是没有适用的高速刀具和设备,其次缺少CAD/CAM软硬件系统。而且由于缺少优化的工艺技术数据作为参考,进口设备多数没有发挥潜力,经济效益不佳。

当前我国有科研机构和单位应该对与高速切削相关的技术进行研究,对高速切削的机理进行科学的分析和实验,夯实理论基础,做好基础理论的预研工作。国外工具公司面对我国制造业快速发展的大好形势和广阔前景,加快了在中国实现本地化生产或服务的步伐,以降低制造成本、提高服务能力、缩短交货周期,应该说, 外国刀具公司进军中国市场为我们应用先进刀具改造传统制造业提供了十分有利的条件。我们要抓住这个有利时机,积极采用先进刀具,为提高企业的加工技术和竞争实力服务,迎接经济全球化的挑战。先进的切削技术和刀具是我国发展汽车工业、航空航天工业、能源工业和配套的模具工业必备的前提条件。在这样的大好机遇面前,我们要充分利用先进的切削技术和刀具,为发展我国的制造业服务。

2.高速切削刀具在数控加工中的应用论文 篇二

高速加工技术由于其精度高、产品表面质量好, 生产效率高, 被认为是21世纪最有发展前途的一种先进制造技术。特别是在当前市场竞争日趋激烈的情况下, 企业为满足时代与市场变化的需求, 只有通过不断提高产品质量、降低生产成本、改进服务方式、开发适应时代变换及有利于环保的新产品, 因此不断推动了这一技术的发展。高速切削加工技术作为机械制造中一种集高效、优质、低耗的先进制造技术, 相对于传统的切削加工, 其切削速度、进给速度都得到了很大的提高。

1 高速加工的定义

高速加工, 就是采用超硬材料的刀具, 通过极大地提高切削速度和进给速度, 来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的一种现代加工技术, 即以较快的生产节拍对零件进行加工。高速加工的一个生产节拍一般包括:零件送进→定位夹紧→刀具快进→刀具工进→刀具快退→工具松开、卸下零件→质量检测等七个基本生产环节。在高速加工中, 高速主要体现在刀具快进、工进及快退3个环节上。一般主轴转速≥8 000r/min, 最高可达到:10 000 r/min~150 000 r/min;进给速度超过40 m/min, 为普通切削的5倍~10倍;转速特征值达到0.5~200×106, 换刀时间:3s~5s, 最快可以达到0.7s~1.5s。高速加工切削速度随加工方法不同有所不同, 也随加工材料不同而不同。例如:车削:700m/min~7000m/min, 铣削:300m/min~6 000m/min, 铝合金:1 000m/min~7 000m/min, 铸铁:800m/min~3 000m/min。

2 高速切削加工刀具技术的选择

刀具作为高速切削加工技术中的一个关键因素, 它对产品加工效率、生产成本、加工质量等都具有直接的影响。在生产加工过程中, 刀具不仅要承受高切削力、高温、振动、冲击等载荷, 而且还应具有良好的力学性能和热稳定性, 即具有高硬度、高强度、高韧性、高耐磨性、抗氧化能力强和抗冲击能力强等特性。此外, 与传统切削加工相比, 由于高速切削速度高, 导致前刀面摩擦力增大, 使刀具接触面温度增高, 要求刀具具有高熔点、高耐热性、抗热冲击性能、高温力学性能等。同时, 为了保证高速切削的加工要求, 在刀具材料选定后, 应选择合理的刀具装夹结构、刀具几何参数, 同时考虑刀具的安全性。

2.1 刀具材料选择

根据高速切削刀具的作业强度, 其刀具材料应具备以下几个性能:1) 高硬度和高韧性, 能够承受刀具高速回转所产生的冲击和振动, 不发生崩刃和断裂现象;2) 高耐热性, 能够承受刀具高速作业过程的高温, 并具有较强的抗氧化能力;3) 高耐磨性, 保证刀具在高速切削中, 不易形成锯齿形和厚度变化的断续切屑, 有效防止刀具的动平衡性破坏, 而导致刀具加速磨损。除了以上性能之外, 还要求刀具材料必须具备抗热冲击性、抗断裂和塑性变形的能力。目前高速刀具材料主要以涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN为主。其中采用Ti C为基体的金属陶瓷化学稳定性比较好, 且具有耐氧化性、耐磨性和抗粘结性, 适合模具钢加工;以Si N陶瓷、Ti基陶瓷、Ti CN涂层为材料的高速硬质刀具适合加工高强度铸铁件及精锻结构钢件;采用聚晶金刚石 (PCD) 、超细硬质合金刀具适合加工铸铝合金件;采用高粉末Co冶金表面涂覆的高速钢整体拉刀、滚刀适用于加工各种精锻钢件、铸铁件;金属陶瓷硬度和抗断裂性与硬质合金基本相当, 但导热系数却不及硬质合金的1/10, 且具有优异的抗粘结性、耐氧化性和耐磨性, 比较适合于模具钢加工。涂层硬质合金由于耐磨性好, 且能很好的保持刃口形状, 使零件有高的精度和表面加工质量, 如聚晶金刚石或金刚石涂层刀具常用于加工有色金属或非金属材料。

2.2 刀具装夹结构的选择

高速切削加工在对切削刀具的刚性和高机械性能具有很高要求的同时, 对刀具的装夹力与装夹精度也有比较高的要求。刀具系统中, 装夹刀柄与刀具组成了一个完整的刀具体。在刀具高速旋转加工过程中, 由于离心力及震动的影响, 刀具系统可能导致振动或倾斜, 使加工精度降低, 刀具磨损加剧, 降低机床使用寿命。这就要求刀具系统有高的几何精度、装夹刚度和装夹定位精度。而普通切削加工中大多采用7:24锥度单面夹持刀柄系统, 这类常规刀柄在高速切削时, 往往会出现刚性不够、重复定位精度不稳定、不利于快速换刀等现象。为了提高刚性和装夹精度, 目前国外普遍采用1:10锥度的HSK空心刀柄, 它主要依靠空心薄壁的径向膨胀量保持与主轴内锥孔变形来实现夹紧, 采用小锥面的夹紧力提高接口承载能力及良好的定位作用, 具有换刀快、重复定位精度高等优点。如山特维克可乐满公司的刀柄系统。

2.3 刀具几何参数选择

刀具材料选定后, 刀具几何参数的选择会直接影响到刀具寿命及切削速度, 一般来说应选择高强度的刀片。对圆刀片和球头铣刀, 注意有效直径的概念。与普通切削不同, 高速切削时刀具的前角应小10°, 后角应大5°~8°。由于后角在高速切削时的进给速度高, 为了减少刀具与工件之间的摩擦, 后角选择120°以上;为了减少切屑流出阻力和降低刀具的磨损, 刀具前角选择120°左右;刃倾角影响切屑的方向和切削力的大小, 一般刃倾角选择为150°~100°, 这样以减小切削时刀具的磨损, 提高刀具的使用寿命。

2.4 刀具的安全性

由于转速的提高, 其安全性问题变得越来越重要。如40mm直径刀具, 主轴转速达到30 000r/min, 其射出的速度可达到63m/s的速度, 接近于230km/h的汽车速度, 切削过程中如出现断刀摔出, 势必有较大的冲击动量。因此, 刀具系统的动平衡性显得至关重要。

3 结论

高速切削中刀具技术的发展和应用将对高速切削技术具有决定性的作用。随着刀具新材料、新工艺等新技术的不断突破, 高速加工技术一定会成为机械切削加工的主要发展方向, 将不断为企业创造更大的经济效益。

摘要：本文从高速加工技术的涵义出发, 阐述了高速切削加工技术中刀具材料的选择、刀具装夹结构的选择、刀具几何参数的选择以及刀具安全性考虑。

关键词：高速切削加工,刀具,选择

参考文献

[1]徐宇慧.高速切削刀具及接口技.

[2]左敦稳.高速加工技术现状及发展趋势.

3.如何提高刀具切削效率？ 篇三

尽管中国已经成为世界加工厂，但作为国民经济支柱产业的制造业，其劳动生产率与美、欧、日等工业发达国家和地区相比还有很大的差距，仅为其1/20左右，刀具和切削技术落后是机械制造业劳动生产率低下的重要原因之一。为了把我国从制造大国变成制造强国，中国刀协从中国切削工作者的历史责任的高度提出了“发展切削技术、建设制造强国”的宏伟目标。并从起在团体会员单位开展“中国刀协20工程”活动，即要求会员单位通过对切削应用技术的培训和先进刀具的推广，用2年左右的时间率先实现提高切削效率20%的目标。这个目标的实现，需要各界的共同努力，为此，我们也必须清醒地认识到切削理念的三次进步。

一、加大刀具投入：

当前切削刀具及相关技术的发展日新月异，近年来在数控技术和刀具技术的共同推动下,切削加工进入了高速切削的阶段。近年来刀具材料和涂层技术有了很大的发展，如PCD、CBN超硬刀具和陶瓷刀具的使用范围不断扩大，作为当前高速切削主力军的涂层硬质合金刀具的切削性能大幅提高等。近来切削速度提高了 5~10倍，生产效率提高了50%~100%。高速切削有一个特点，就是当切削速度上升到一定程度时，由于材料软化等原因随着切削速度的增加切削力反而下降，同时由于切屑带走了大部分热量甚至工件的温升也会减小。不过受刀具材料性能限制,后一现象目前只在用PCD刀具加工铝合金和软质材料中才能观察到。高速切削还适用于硬切削、干切削和重切削，是提高切削效率的有效手段。

现代加工中刀具费用一般只占制造成本的3%～4%，但它对总制造成本的影响却要大得多。计划经济时代,机械加工企业从控制加工成本出发,制订刀具消耗定额、进行成本控制，我们也曾提到有些企业高效率的进口设备使用低性能的焊接刀具，不能发挥设备性能反而造成更大浪费的事实。有人计算过生产效率提高20% 会使制造成本降低15%。现在多数企业都算过这笔账来了，加大刀具投入，用高速切削提高生产效率以降低总生产成本，是切削理念的一次进步。

二、创新刀具结构：

先进刀具有三大技术基础：材料、涂层和结构创新。高速切削刀具主要依赖的是刀具材料和涂层技术的进步，

高速切削可提高切削效率但不是惟一的手段。刀具的结构创新也是提高切削效率的有效手段。例如Iscar公司的大走刀量铣刀每齿走刀量达到3.5mm，Seco公司的复合孔加工刀具一次走刀就能完成钻、镗孔和端面倒角等。曲轴加工的工艺进步更具有说服力，曲轴车拉刀的发明使曲轴加工效率提高了10倍。现在又出现了效率更高的曲轴高速铣刀，一次走刀就可完成7个主轴颈的加工。东风汽车公司量刃具厂已经成功地为国内汽车厂开发了曲轴车拉刀和高速铣刀并成功用于生产。上世纪八九十年代成都工具研究所在涂层、材料等单项技术都不占优势的情况下，凭借自主知识产权的刀具设计和工艺技术，加上涂层、材料和刀具结构创新技术的综合运用，在高强度石油管螺纹刀具上实现了对国外知名企业的一次成功超越。还有许多例子都说明刀具结构创新往往更能有效地提高切削效率。要提高切削效率不能只盯着用最好的(也常常是最贵的)刀具来进行高速切削。在目前我们刀具材料和涂层技术与国外还有较大差距的情况下，注重刀具的结构创新往往是提高切削效率的更有效和更可行的手段。采用包括高速切削和刀具结构创新在内的各种手段实现高效切削，是切削理念的又一次进步。

三、优化加工过程：

常凸显出两类新问题：一是切削效率提高的效果被大量的非切削时间所冲淡，二是在加工设备不太先进的情况下先进刀具的费用不堪重负。日本MARZAK公司称他们的加工中心只有30%的时间在为公司创造效益。东方汽轮机厂进口的瑞士加工中心，其自动纪录的切削时间也只有30%左右。切削技术在不断发展，人们的认识在不断深化：在提高加工效率的努力中只靠高性能的刀具是远远不够的，通过切削应用技术提高切削生产效率的潜力还很大。

前面说过要进一步提高切削加工效率只靠先进刀具是不够的。我们还应该掌握和运用与切削过程相关的技术，全面提高生产效率。进行刀具结构创新，改善刀具使用条件，合理选用刀具材料和涂层;另外，工艺方式的改革，还有管理手段和相关技术，他们同样是提高生产效率的有效手段。说得更明确一点就是不要只盯着用最好的刀具这一条道，当前更要重视切削应用技术，向70%的时间要效率。

4.PcBN刀具在硬态切削中的应用 篇四

淬硬钢是典型的耐磨和难加工材料,这类工件经淬火或低温去应力退火后硬度高达HRC50~65,广泛应用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件,如轴承和齿轮等[1]。淬硬零件的精加工工艺通常采用粗磨和精磨,但磨削工序加工效率低、砂轮及磨削液消耗量大、成本高、粉尘和废液污染程度严重。硬态切削是指把淬硬钢的切削加工作为半精加工或精加工的工艺方法。过去淬硬钢零件的精加工一直是采用磨削完成,由于聚晶立方氮化硼(Polycrystalline cubic Boron Nitride简称PcBN)刀具的出现及数控机床等加工设备精度的提高,以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工己成为一种新的精加工途径。随着超硬刀具材料的发展,解决了淬硬零件传统制造工艺与快速发展的市场需求之间的矛盾,使得更经济地切削加工淬硬钢成为可能。

2 PcBN刀具硬态切削技术

由于淬硬钢硬度高,其切削温度也就高,而且切削中同时还会出现刀具的塑性变形,采用普通高速钢和硬质合金刀具,将很快导致高速钢和硬质合金刀具的断裂。因此,选择硬度高、热硬性好的刀具材料是切削淬硬钢的关键因素之一。目前可用于切削淬硬钢的刀具材料有PcBN、陶瓷、超细晶粒硬质合金及涂层硬质合金。

由于PcBN刀具具有很高的硬度和耐磨性,且在800℃时的硬度仍高于常温下硬质合金刀具和陶瓷刀具的硬度,在1200℃时仍能保持较高的硬度,而且随着温度的升高,其导热系数也随之升高,因而PcBN刀具很适合切削淬硬钢。但由于在加工硬度低于50HRC的工件时,PcBN刀具形成的切屑为长条形,在刀具表面会产生月牙洼磨损,从而缩短刀具寿命。因此,PcBN刀具更适合加工硬度高于55-65HRC的材料。

PcBN刀具在硬态加工方面表现出了优良的切削性能,在一定条件下可以得到与磨削相媲美的加工表面质量,并且提高了加工柔性, 突破了砂轮磨削的限制, 通过改变切削刃及走刀方式可以加工出几何形状各异的工件。PcBN刀具应用于硬态切削具有加工效率高、加工时间短、设备投资费用小、加工成本低、加工能耗小(切除相同体积所消耗的能量仅为磨削的20%)、产生的切削热较少、加工表面与磨削相比不易引起表面烧伤和微小裂纹、易于保持工件表面性能的完整性的特点, 而且硬态切削无须加冷却液,避免了磨削加工中产生的废液和废弃物对环境的污染,因此,相关应用技术开发,意义重大。

3 PcBN刀具在硬态切削中的应用研究

3.1 PcBN刀具硬态切削力的特征

切削淬硬钢时可以观察到切削力随着工件材料硬度的变化而变化。当工件材料硬度在50HRC以下时,主切削力的变化规律基本符合金属切削理论,切削力会随着工件硬度的增加而增加。这主要是由于工件硬度的增加会使切削接触面的温度增加,切削加工过程中的金属软化效应占主导地位。然而,工件材料硬度在高于50HRC以后,被加工材料处于高硬度状态,主切削力增加的比率稍大一些,切削力会猛然增加。这主要是由于PcBN 刀具良好的导热性,使得切削温度的变化趋于缓慢,产生的切削热不断升高使工件材料屈服应力减小,但加工硬化使屈服应力迅速增大,总的来说切削加工过程的加工硬化占主导地位,因而其切屑形态也从带状转变为锯齿状。

目前,关于硬态切削过程中的切削力,国内外学者作了大量的研究工作,得出了很多重要的结论。普渡大学的R.C.Liu和J.Ywang观察到了硬态切削力的大小随刀具磨损量的增大而减小的现象,R.C.Liu认为是切削热导致材料的屈服强度下降[2]。刘献礼[3] 通过对切削力的各影响因素设计正交实验,得出了切削速度、切削深度、进给量和工件硬度对应切削力的三维曲面。在试验条件下得出了主切削力的变化规律基本符合传统金属切削理论的结论。硬态切削过程中,PcBN刀具的负倒棱基本上起着实际前刀面的作用,刀具负倒棱的切削机理有别于一般的金属切削理论。因此研究硬态切削力的变化规律以及大小对合理使用机床、刀具和制定切削用量具有十分重要的意义。

3.2 PcBN刀具硬态切削的切屑形态

金属切削过程的研究重点和核心是与切屑的形成过程紧密联系在一起的。一般可将切屑分成四种类型,如图1所示[4]。 硬态切削过程易生成锯齿形切屑,形成锯齿形切屑的原因主要是刀刃对切削层金属的挤压所产生的应变仅发生在刀刃附近的局部区域,工件硬度高而不能将变形延续到待加工表面,随着刀具

的向前移动,刀刃的挤压作用增强而使变形区域扩大,刃前区的塑性变形向基体内扩展,产生沿剪切面方向的剪切滑移变形。随着塑性变形区域的增大而产生大量的热,前一锯齿的滑移面对产生的变形热起阻碍作用,使剪切区域温度骤升,材料开始软化,此时一个新的锯齿滑移面形成。

Elbestawi[5]研究切削淬硬钢时锯齿形切屑的形成机理时认为已加工表面不是理想的平滑,而是由一些显微隆起、断裂、空隙组成,因此比较粗糙。切削加工表面渗碳硬化钢时,巨大的压应力使工件下层产生滑移,导致断裂的原因与工件的脆性有直接关系,同时工件表面的不规则性也对断裂的发生起重要作用。

当工件硬度较低时,加工硬化的趋势比较明显,则产生带状切屑,随着工件硬度的提高,切削热在刃口附近聚集,使得金属材料的屈服强度明显降低,热软化作用的趋势比较明显,发生剪切失稳而形成锯齿形切屑。

锯齿形切屑对切削过程有很大的影响,由于锯齿形切屑带走的热量较带状切屑多,因此切削温度相对要低些,且切屑表面锯齿的形成使得变形变小。切屑与刀具前刀面的接触长度小,使得前刀面的磨损主要集中在距刀刃很近的部分,所产生的月牙洼宽度很小,因此对刀具强度提出了较高的要求。形成锯齿形切屑时,材料的硬度高、韧性差,加上刀具与被加工材料间的摩擦系数小,加工过程中很难形成积屑瘤,因此只要刀具刃磨质量高,就会得到良好的表面粗糙度;锯齿状切屑还可导致切削力高频率地周期变化波动,增加了刀具的磨损速度,降低了加工精度和表面质量。

3.3 金属软化效应的研究

金属软化效应是PcBN刀具硬态切削的重要特征之一, 它通过高温软化工件, 使刀具和工件的硬度差加大, 从而提高切削效率。从切削热的角度出发,淬硬钢的硬态干式切削机理就是被切削金属层的软化作用机理,切削温度对金属软化效应起决定性作用,即工件硬度随切削温度的升高而降低,并进一步影响已加工表面的形成及其质量。另外,硬态切削存在一个临界硬度概念,即在临界硬度两侧切削原理显著的不同。刘献礼[6]指出,当工件硬度低于HRC50时,在任一切削条件下,随着工件材料硬度的增加,切削温度是增加的;当工件硬度高于HRC50时,随着工件材料硬度的增加,切削温度却有所下降,由此断定是切削机理产生变化的临界点,即工件材料硬度低于HRC50时,切削机理符合一般的切削理论,当工件料硬度高于HRC50时,切削机理因金属软化效应而发生变化,切削温度的变化规律便不符合现有的切削理论。

“红月牙”切削技术是切削热快速聚集在前刀面上,其温度达到600℃~700℃,可明显观察到红色圆弧现象并因此而得名的。美国Makino公司生产工程部经理Grey Hyatt在干式切削灰铸铁时曾指出高速铣削过程中“红月牙”切削技术的重要性。实验结果表明高速进给(40m/min)和高速主轴旋转(14000rPm)可使径向力降低75%~90%[7]。温度升高使材料的屈服强度降低,极大地提高了材料的切削加工性。

目前,在硬态切削中对金属软化效应的研究主要从切削温度、切削力和刀具磨损等方面入手,还不能清楚地说明产生软化效应的内在本质及其原因。

3.4 加工表面残余应力及表面质量

PcBN刀具不仅具有优良的切削性能,而且能获得其它种类刀具很难获得的加工表面质量。用PcBN刀具加工不同材料都能获得较低的表面粗糙度,PcBN刀具加工表面粗糙度远远好于硬质合金刀具,而且随着切削速度的提高,越来越接近粗糙度的理论值。由于PcBN刀具一般要进行倒棱处理以保护刃口,倒棱与切削区的高温金属挤压使得工件材料发生塑性流动,这就使得工件表面变得不够平整,然而在对表面粗糙度要求不是十分高的情况下,它有利于零件在工作条件下储存一些润滑油,反而有利于提高零件的工作寿命。另外,由于PcBN 刀具硬度高、耐磨性好,能在较长时间内获得较一致的表面粗糙度。磨削加工得到的加工表面通常产生拉应力,用PcBN刀具加工淬硬钢时,工件表层组织通常有残余压应力,残余压应力可提高零件的疲劳强度和耐磨性。

磨削加工获得的工件表层硬度有所下降,而PcBN刀具加工获得的加工表层硬度略有上升,并产生一定的硬化深度,但对加工表面表层的金相组织并无破坏,而且切削用量的变化对已加工表面表层的金相组织没有损伤。另外,PcBN刀具切削硬材料时,由于刀具导热性好所产生的切削热被切屑带走较多,工件加工表面表层纤维组织无显著变化,而磨削加工若切削用量选择不当反而容易产生表面烧伤。Tonshoff[8]的研究结果表明,已加工表面显微硬度受进给量和后刀面磨损量的影响较大,进给量越小磨损量越大,表面硬度越高。

已加工表面的残余应力状态也是衡量加工表面完整性的一个重要指标,它与材料的成分、组织和缺陷一样,对工件的机械性能有很大影响,多数情况下必须控制残余应力的大小并掌握其分布规律。PcBN刀具的硬态切削加工一般在零件表面层以下产生残余压应力。压应力有助于提高表面的抗疲劳性能,这也是PcBN刀具一个很好的性能。Tonshoff[8]在使用PcBN刀具切削GCr15 轴承钢时发现PcBN刀具的加工表面的应力状态不全都是压应力,条件选择的不适当也可能造成残余拉应力状态。因此,在使用PcBN刀具时,应注意加工条件的选择,其中切削用量对残余应力的分布情况影响较小,而刀具结构对残余应力的分布影响很大,尤其是倒棱的几何参数需要精心选择。

一般硬态车削仅消耗常规磨削加工20% 的能量,切削变形区产生的热量较磨削要小得多,不会引起工件表面产生热损伤。因此,一般来说,硬态车削比常规磨削更能保持工件已加工表面性能的完整性。

3.5 PcBN刀具硬态切削的磨损机制

PcBN刀具切削淬硬钢的研究是现代切削加工技术中的硬态切削的重要组成部分。由于PcBN刀具良好的切削性能,PcBN刀具在切削淬硬钢时显示出了相对于其它刀具的巨大优势。

自PcBN刀具问世以来,其切削淬硬钢的研究一直深受重视,但是目前对于PcBN刀具切削淬硬钢的磨损机理仍然没有形成统一的认识。英国的Bossom[9]等人研究发现低cBN含量(<70%)的PcBN刀具在切削淬硬轴承钢时的寿命好于高cBN含量(>90%)的刀具。其他一些欧美国家的研究人员也通过试验得到了类似的研究成果。进一步的研究表明,当cBN的含量降至55%时,PcBN刀具的前刀面和后刀面的磨损速度都有所减慢[10]。Hopper[11]等人把PcBN刀具的磨损归因于立方氮化硼颗粒的剥落和刀具材料沿颗粒晶界的破裂,但Boggio[12]等人研究认为cBN颗粒发生化学磨损是刀具磨损的主要原因,而粘结剂在切削过程中的耐磨性能要好于cBN颗粒。他们的研究结果直接被GE公司生产的BZN8100牌号PcBN刀坯所应用并获得了巨大成功。而Emerson[13]等人则认为PcBN刀具的磨损主要是由粘结磨损和扩散磨损造成的。

4 结束语

PcBN刀具应用于硬态切削,采用以车代磨等先进切削加工工艺,既可节省设备投资、提高生产率,又可大大增加加工过程的柔性。另外,由于21 世纪人员费用增大及环境保护方面的要求,大力推广使用PcBN刀具,充分发挥其潜在效能具有重要意义。通过对PcBN刀具硬态切削过程及机理的不断深入研究, PcBN刀具必将发挥越来越重要的作用。

摘要：从PcBN刀具的切削性能、切削力的特征、锯齿形切屑的形成机理、金属软化效应、已加工表面质量以及刀具磨损机制等方面介绍了PcBN刀具在硬态切削中的适应性研究方面的进展情况,以期引起重视,充分发挥PcBN刀具的潜在性能。

5.数控加工刀具及切削参数的选用 篇五

数控机床的主轴输出功率较大, 主轴转速及范围比普通机床要高得多, 与传统加工方法相比, 对数控加工的刀具有更高的要求, 要求刀具的精度、强度、刚性和耐用度比普通机床的刀具更高, 并且在尺寸方面要求具有较好的稳定性, 同时便于安装调整。而且CAD/CAM软件的应用越来越广泛, 这些软件一般提供自动编程功能, 在软件使用过程中, 会有一些工艺规划问题要求预先设定好, 如选择合适的刀具、规划加工路径、设置切削用量等。在与数控加工有关的参数设置好之后, CAD/CAM软件就可以自动生成NC程序。在编程时, 编程人员要充分考虑不同零件数控加工的特点, 根据刀具选择和切削用量确定的基本原则, 才能合理选择数控刀具, 提高加工效率。因此, 数控刀具也必须结构合理、几何参数标准化、系列化, 零件加工时才便于根据其几何形状、材料以及夹具进行选用, 并且要考虑机床的刚性。

1 常用刀具的种类及性能

数控刀具可以按照多种分类方式。从结构方面对数控刀具分类, 可分为整体式、镶嵌式、减振式、内冷式和特殊型式等;从制造刀具所用的材料方面分类, 可分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具等, 其中, 金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性;从切削工艺方面可分为车削刀具、钻削刀具、镗削刀具、铣削刀具以及特殊型刀具等。

刀具材料应具备高硬度、高韧性、高耐磨性、高耐热性以及良好的工艺性, 即:刀具材料的硬度高于工件的硬度;刀具有足够的韧性承受切削力、振动和冲击;刀具能够有效地抵抗磨损;在高温下, 刀具材料能够保持硬度、耐磨性、强度和韧性;为便于刀具制造, 刀具材料需具有良好热加工性能和机械加工性能[1]。

2 刀具的选用

数控机床的具有高速、高效和高度自动化等特性, 为充分发挥数控机床的这些性能, 数控刀具应与之相适应, 一般包括通用刀具和通用连接刀柄两个部分, 为便于将刀具联接并装在机床动力头上, 刀柄已逐渐标准化和系列化。

1) 根据零件材料的切削性能选择刀具。如材料为45钢的零件, 可以用普通刀具加工;不锈钢、高强度钢、钛合金等材料的零件, 可以用硬质合金刀具加工, 其耐磨性较好。

2) 根据零件的加工阶段选择刀具。数控加工一般可以分为粗加工、半精加工、精加工三个阶段。每个加工阶段, 对刀具都有不同的要求:粗加工阶段主要是为了切除较多的材料, 切削用量较大, 选择的刀具必须刚性较好, 对精度的要求较低;半精加工主要为精加工作准备, 切削用量不能大, 如准备加工工艺基准, 精加工主要完成重要表面的加工, 切削用量很小, 为保证加工精度和质量, 必须选择高耐用度和高精度的刀具。

3) 根据加工区域的特点选择刀具和几何参数。为减少被加工零件的变形, 切削薄壁、超薄壁零件时, 切削力不能过大, 选择的铣刀主偏角要小, 这样能减小其径向切削力;加工铝、铜等较软材料的零件时, 选择的立铣刀的前角应稍大一些, 不要超过4齿;根据零件结构, 所选用的刀具尽可能直径大、长径比小。

4) 刀具的尺寸与工件的表面尺寸相适应。如加工平面零件的周边轮廓时, 选用立铣刀;选用硬质合金刀片铣刀铣削平面。

合理安排刀具的顺序, 可以减少辅助时间的占用, 提高效率。应遵循以下原则安排刀具的排列顺序:尽量减少刀具的数量;分开使用粗精加工的刀具;装夹换刀要在一把刀具完成其所能进行的全部加工步骤后再进行;先铣后钻;先精加工曲面, 后精加工二维轮廓;充分利用数控机床的自动换刀功能提高生产效率[2]。

3 数控加工切削用量的确定

切削用量对于加工效率、刀具磨损、加工质量和加工成本都会有显著影响。切削用量包括切削速度、背吃刀量及进给速度等, 不同的加工方法选用不同的切削用量。按照以下的原则设置切削用量:在以提高生产率为主的粗加工阶段, 首先背吃刀量尽可能选取大的, 其次尽可能大的选取进给量, 其主要受到机床动力和刚性的限制, 最后确定最佳的切削速度, 这需要以刀具耐用度为依据;在以保证加工质量为主的半精加工和精加工阶段, 同时考虑到切削效率、经济性和加工成本, 首先设置背吃刀量, 这要根据粗加工后的余量进行;其次选取的进给量要较小, 可以根据已加工表面的粗糙度要求设置;最后选取较高的切削速度, 这需要以保证刀具的耐用度为前提[3]。

从刀具的耐用度出发, 切削用量的选择顺序是:先确定背吃刀量, 其次确定进给量, 最后确定切削速度。这些参数需要以机床性能、切削用量手册为依据, 并结合经验来设置。另外, 要形成最佳切削用量, 还需要主轴转速、切削深度及进给速度三者相互适应。

1) 在机床、工件和刀具刚度允许条件下, 为减少走刀次数, 提高生产效率, 要尽可能使背吃刀量和加工余量相等;一般精加工余量为0.2~0.5 mm, 这样可以保证零件的加工精度和表面粗糙度。

2) 数控加工中, 切削宽度L的取值范围一般为 (0.6~0.9) d, L与刀具直径d成正比, 与切削深度成反比。

3) 切削速度主要取决于刀具耐用度, 与加工材料也关系紧密。

4) 主轴转速一般根据切削速度来选定。

5) 在设置进给速度时, 需要综合考虑刀具、工件材料、加工精度以及表面粗糙度要求等。为提高生产效率, 当能够保证工件质量时, 可选择较高的进给速度, 一般为100~200 mm/min;选择较低的进给速度进行刀断、深孔加工, 一般为20~50 mm/min;表面粗糙度、加工精度要求高时, 一般选取20~50 mm/min的进给速度。

在数控加工过程中, 为充分发挥数控机床的性能, 并保证零件的加工质量、提高生产效率, 应根据刀具及切削参数选用原则, 合理选择数控加工刀具结构、刀具材料、刀具几何参数和切削用量。

参考文献

[1]刘党生.金属切削原理与刀具[M].北京:北京理工大学出版社, 2009:46.

[2]吴明友.数控加工技术[M].北京:机械工业出版社, 2008:60.

6.高速切削刀具在数控加工中的应用论文 篇六

目前适用于高速切削的刀具主要有:涂层刀具、金属陶瓷刀具、陶瓷刀具、立方氯化硼 (CBN) 刀具、聚晶金刚石 (PCD) 刀具以及性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具等。

1 高速切削的刀具材料和性能

1.1 涂层刀具涂层刀具是在刀具基体上涂覆硬质耐磨金属化合物薄膜, 以达到提高刀具表面的硬度和耐磨性的目的。

常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷和陶瓷等。

涂层刀具可以分成硬涂层刀具和软涂层刀具。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛 (Ti N) 、碳化钛 (Ti C) 、氧化铝 (Al2O3) 、碳氮化钛 (Ti CN) 、氮化铝钛 (Ti Al N) , 碳氮化铝钛 (Ti Al CN) 等。硬涂层刀具的主要特点是硬度高、耐磨性能好。软涂层刀具是以Mo S2和WS2作为涂层材料的高速钢刀具, 软涂层刀具可以减少磨擦, 降低切削力和切削温度。涂层可以是单涂层, 也可以是双涂层或多涂层, 甚至是几种涂层材料复合而成的复合涂层。复合涂层可以是Ti C-Al2O3-Ti N, Ti CN和Ti Al N多元复合涂层, 最新又发展了Ti N/Nb N, Ti N/CN等多元复合薄膜。Ti N涂层的硬度高、耐磨性好, Ti C涂层与金属的亲合力小, 抗氧化性强, Ti Al N具有良好的高速切削性能, Al2O3涂层有良好的热稳定性。Ti Al N层在高速切削中性能优异, 最高切削温度可达800℃。

1.2 陶瓷刀具陶瓷刀具的材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大

类, 陶瓷刀具具有高硬度 (HRA91~95) 、高强度 (抗弯强度为750~1000MPa) , 耐磨性好, 化学稳定性好, 抗粘结性能良好, 摩擦系数低且价格低廉等优点。不仅如此, 陶瓷刀具还具有很高的高温硬度, 1200℃时硬度达到HRA80。正常切削时, 陶瓷刀具耐用度极高, 切削速度可比硬质合金提高2~5倍, 。近几年来, 由于控制了原料纯度和颗粒尺寸细化, 添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善其性能, 还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和几种增韧机理的协同作用提高其断裂韧性, 不仅使抗弯强度提高到0.9~1.0GPa (高的可达1.3-1.5GPa) , 而且断裂韧度和抗冲击性能都有很大提高, 应用範围日益扩大, 除可用于一般的精加工和半精加工外, 也可用于冲击负荷下的粗加工, 在国际上公认为是提高生产效率最有潜质的刀具。目前, 陶瓷刀具能以200~1000m/min的切削速度高速加工钢、铸铁及其合金等材料, 刀具寿命比硬质合金高几倍、甚至几十倍。与金刚石和CBN (立方氮化硼) 等超硬刀具相比, 陶瓷的价格相对较低。

1.3 金属陶瓷刀具金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性、抗氧化能力强和化学稳定性好。

金属陶瓷刀具的材料主要包括高耐磨性能的Ti C基硬质合金 (Ti C+Ni或Mo) 、高韧性的Ti C基硬质合金 (Ti C+Ta C+WC) 、强韧的Ti N基硬质合金和高强韧性的Ti CN基硬质合金 (Ti CN+Nb C) 等。这些合金做成的刀具可在υc=300m/min~500m/min范围内高速加工钢和合金钢, 精加工铸铁。金属陶瓷可制成钻头、铣刀与滚刀。如日本研制的金属陶瓷滚刀, υc=600m/min, 约是硬质合金滚刀的10~20倍, 加工表面粗糙度值Rmax为2μm。

1.4 立方氮化硼 (CBN) 刀具立方氮化硼 (CBN) 刀具具有较高

的硬度, 仅次于金刚石 (可达8000HV~9000HV) , 并且热稳定性高 (达1250℃~1350℃) , 对铁族元素化学惰性大, 抗粘结能力强, 而且用金刚石砂轮即可磨削开刃, 故适于加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和35HRC以上的钴基和镍基等难切削材料。由于立方氮化硼 (CBN) 刀具加工高硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度, 因此采用立方氮化硼 (CBN) 刀具可以实现以车代磨、以铣代磨, 大幅度地提高加工效率。

1.5 聚晶金刚石 (PCD) 刀具聚晶金刚石 (PCD) 刀具PCD刀具可实现有色金属、非金属耐磨材料的高速加工。

据报导, 镶PCD的钻头加工Si-Al则合金的切削速度队达300m/min~400m/min, PCD与硬质合金的复合片钻头加工用Al合金、Mg合金、复合材料FRP、石墨、粉末冶金坯料, 与硬质合金刀具相比, 刀具寿命提高了65~145倍;采用高强度Al合金刀体的PCD面铣刀加工用合金的速度υc达3000m/min~4000m/min, 有的达到7000m/min。近年来国外研制开发了金刚石薄膜刀具 (车铣刀片、麻花钻、立铣刀、丝锥等) , 寿命是硬质合合金刀具的10~140倍。

1.6 性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具用高性能钴高速

钢、粉末冶金高速钢和硬质合金制造的齿轮刀具, 可用于齿轮的高速切削。用硬质合金粉末和高速钢粉末配制成的新型粉末冶金材料制成的齿轮滚刀, 滚切速度可达150m/min~180m/min。进行对Ti Al N涂层处理后, 可用于高速干切齿轮。用细颗粒硬质合金制造并涂复耐磨耐热及润滑涂层的麻花钻加冷却液加工碳素结构钢和合金钢时, 切削速度可达200m/min, 干切时切削速度也可达150m/min。用细颗粒硬质合金制成的丝锥加工灰铸铁时, 切削速度可达100m/min。

2 根据加工材料合理选择刀具

如何正确地选择刀具来加工相应工件材料, 进而提高加工生产率, 降低生产成本, 是一个十分重要的问题。每一种刀具材料都有其特定的加工范围, 一般而言, CBN、金属陶瓷刀具、陶瓷刀具、涂层刀具适合加工钢铁等黑色金属材料。而PCD刀具适合加工铝、镁、铜等有色金属及其合金和非金属材料的高速加工。

根据上表可以合理地选择合适的刀具材料。陶瓷刀具适用于加工各种铸铁、钢件和镍基高温合金, 不同品种和陶瓷刀具有不同的加工范围, Al2O3基陶瓷刀具有良好的耐磨性、耐热性且高温化学稳定性好, 可用于对铸铁、钢及其合金的加工。Si3N4基陶瓷刀具的断裂韧性和抗热振性好, 适于断续加工铸铁和合金铸铁。

金属陶瓷刀具不仅具有陶瓷的硬度, 还具有硬质合金的高强度, 抗粘结性和耐磨性好, 与钢的亲合力小, 适合中高速切削模具钢, 当切削速度低度于750 m/min时, 可对铸铁件进行加工。

金钢石刀具适合加工非金属材料、有色金属及其合金。由于金刚石的热稳定性比较差, 与铁有很强的化学亲合力, 所以PCD不适合加工钢铁类材料, 金刚石摩擦系数小, 与非铁金属无亲和力, 切屑易流出, 热导率高, 切削时不易产生积屑瘤, 加工表面质量好。最适合用于超精密加工非铁金属材料、有色金属和非金属材料, 如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、粉末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材 (尤其是实心木和胶合板等复合材料) 。

立方氮化硼刀具适于加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和35HRC以上的钴基和镍基等难切削材料, 被加工材料硬度越高越能体现立方氮化硼刀具的优势。国外还研制了CBN含量不同的CBN刀具, 以充分发挥CBN刀具的切削性能。据报导, CBN300加工灰铸铁的速度可达2000m/min。

7.刀具补偿在数控加工中的应用 篇七

刀具半径补偿的概念。因为有了刀具半径补偿, 我们在编程时可以不要考虑太多刀具的直径大小。以铣刀铣削外轮廓为例, 在没有使用半径补偿时, 编程人员必须依次算出刀具中心各点的坐标, 然后才能进行编程。当刀具直径发生变化时, 各点的坐标必然也会发生变化, 程序中的坐标点需重新进行计算, 这样使得每一次刀具变化都要重新计算重新编程, 大大增加了编程工作量。同样的情况如果使用了刀具半径补偿, 编程人员不必计算刀具的实际中心轨迹, 只需根据工件的轮廓计算出图纸上各点的坐标值然后编出程序, 再把刀具半径作为补偿量放在半径补偿寄存器里。数控装置能自动计算出刀具中心轨迹, 不管刀具半径如何变化, 我们只需更改刀具半径补偿值, 就可以控制工件外形尺寸的大小, 对上述程序基本不用作修改。

刀具半径补偿的指令。刀具半径补偿是通过指令G41、G42来执行的, 基本格式为G41/G42G00/G01X_Y_H_;其中H为补偿量代码。补偿有两个方向:当沿着刀具切削方向看, 刀具在工件轮廓的左侧是刀具半径左补偿用G41, 反之则是刀具半径右补偿用G42。取消补偿用G40;刀具半径补偿的应用。在应用G41、G42进行半径补偿时, 应特别注意使补偿有效的刀具移动方向与坐标。刀具半径补偿的起刀位置很重要, 如果使用不当刀具所加工的路径容易出错, 将会影响加工的零件形状。正确的走刀应该是在刀具没有切削工件之前让半径补偿有效, 然后再进行正常的切削。同样的道理在取消刀具半径补偿时, 也应该是在切削完毕离开工件之后。

二、刀具长度补偿

刀具长度补偿的概念。数控铣床上刀具长度补偿只是和Z坐标有关, 对于X、Y平面内的编程零点, 由于刀具是由主轴锥孔定位决定, 因此X、Y平面内的编程零点位置是固定不变的。对于Z坐标的编程零点就不一样了。在铣床上应用的每一把刀具长度都是不同的, 例如, 我们要钻一个深度为40mm的孔, 然后将其进行攻丝, 攻丝深度设为30mm, 加工刀具假设为一把长为250mm的钻头和一把长为350mm的丝锥。首先用钻头钻削出40mm深的孔, 机床以其为基准设定了相应的工件零点, 当采用丝锥攻丝时, 如果按照设定的工件零点开始加工, 则由于两把刀具长度不同, 从而使得攻丝过长, 损坏了刀具和工件。此时如果采用刀具长度补偿, 那么当工件零点设定之后, 即使丝锥和钻头长度不同, 在调用丝锥工作时, 零点Z坐标已经自动向Z+ (或Z-) 补偿了丝锥与钻头的长度差, 保证了加工零点的正确, 这样就不会损坏刀具和工件了。

刀具长度补偿的指令。刀具长度补偿一般通过含有G43 (G44) 和H指令来实现的, 格式为指令格式为G43G01 Z_H_;或G44 G01 Z_H_。其中G43表示刀具长度正补偿, 即把编程的Z值加上H代码指定的偏值寄存器中预设的数值后作为CNC实际执行的Z坐标移动值, 也就是说实际执行的Z坐标值为Z'=Z_+ (H_) ;而G44则正好相反, 实际执行的Z坐标值为Z'=Z_- (H_) 。其中H可设正值或负值, 我们可以将这两个指令通过H的正负值设定进行统一, 即只用G43和G44其中之一。加工结束后要取消刀具长度补偿, 用指令G49实现;刀具长度补偿的应用: (1) 用刀具的实际长度作为刀具长度的补偿 (推荐使用这种方式) 。使用刀具的实际长度作为补偿就是使用对刀仪测量刀具的长度, 然后把测量出来的数值输入到刀具长度补偿寄存器中, 作为刀具长度补偿。以避免加工不同的工件时不断地修改刀具长度偏置值, 减少由此产生的操作失误。 (2) 以其中一把较长的刀作为标准刀具, , 这个标准刀具的长度补偿值为0, 其余刀具实际长度与标准刀具长度的差值作为这些刀具的长度补偿数值, 输入到其所采用的H代码地址内。 (3) 利用每把刀具到工件坐标系原点的距离作为各把刀的刀长补偿, 该值一般为负;此时用于设定工件坐标系偏置的G54的Z值为0。以上是在数控加工中常用的两种补偿方式, 它给我们的编程和加工带来很大的方便。

摘要：在上世纪早期的数控加工中, 编程人员根据刀具的理论路线和实际路线的相对关系来进行编程, 容易产生错误。刀具补偿的概念出现以后, 在数控加工中发挥了巨大的作用, 有效提高了编程的工作效率。数控加工中常用的两种补偿是刀具半径补偿和刀具长度补偿, 这两种补偿为我们解决了加工中因刀具形状而产生的问题。

关键词：数控加工,半径补偿,长度补偿

参考文献

[1]王志平.机床数控技术应用[M].高等教育出版社, 2003.

[2]叶伯生, 戴永清.数控加工编程与操作[M].华中科技大学出版社, 2005.