高速加工的数控刀具选择

高速加工的数控刀具选择

立铣刀

超硬 硬质合金立铣刀 在高速切削领域有着得天独厚的优势,实际应用也日益增多。在这些刀具中,PCD(聚晶金刚石)刀具是铝合金、非金属材料高速切削的最佳选择,而金刚石涂层刀具不仅实用,而且增长势头强劲。PCBN(立方氮化硼聚晶产品)刀具适用于切削铸铁、 硬化钢等材料在更高速度下的加工性能提高,CBN(立方氮化硼)涂层刀具也有望在不久的将来取得重大技术突破。

为了保证高速切削刀具有足够的使用寿命和较低的切削力,应根据不同的工件材料选择最佳的刀具几何形状。与普通切削相比,高速切削刀具的前角一般较小甚至为负角,后角稍大,而且常用对刀尖进行圆化或倒角处理,以增大刀具前角,防止刀尖热磨损。由于高速切削用的旋转刀具要在很高的转速下工作,离心力问题十分突出,因此刀体结构和刀片夹紧结构要十分可靠,需要在动平衡机上进行严格的平衡,最好再装在机床和主轴组件上做动平衡处理。

常速时刀具与主轴之间广泛采用7:24锥度联接,当以高速旋转时,由于实心锥柄不能像主轴孔那样受离心力“膨胀”,二者之间的间隙将使刀具在锥孔内摆动,从而造成刀具的轴向定位误差和破坏结构的动平衡。为了克服这种联接高速性能差的缺点,已陆续开发出一些适用于高速切削的连接方式。

立铣刀

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要实现高速切削,刀具材料是关键。高速切削材料主要有硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具等,它们各有各的优点,适用于不同的工件材料和不同的切削速度范围。必须注意的是,刀具材料与工件材料对之间存在着兼容性问题,即一种刀具材料与工件材料配合使用性能良好,但在加工另一种工件材料时就不理想了。换言之,不存在一种万能的刀具材料,可以用于所有工件材料的高速加工。

高速切削刀具材料必须根据工件材料和加工性能进行选择,一般来说,陶瓷刀具、涂层刀具、CBN刀具适用于钢等黑色金属的高速加工,PCD刀具适用于铝、镁、铜等有色金属的高速加工。

陶瓷工具已用于加工各种铸铁、钢件、热喷涂和焊接材料、镍基高温合金等。

金刚石铣刀 适用于加工非金属材料、有色金属及其合金。由于金刚石的热稳定性差,当切削温度达到800℃时就会失去硬度。由于金刚石与铁有很强的化学亲和力,铁原子在高温下很容易与碳原子发生作用,使其转变为石墨结构,刀具极易损坏。因此,金刚石刀具不适用于加工钢铁材料。在切削有色金属时,PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十倍甚至几百倍。

立方碳化硼铣刀不仅能对淬硬钢、轴承钢、高速钢、冷硬铸铁进行粗、精车削,还能对高温合金、热喷涂材料、硬质合金等难加工材料进行高速切削,是目前以车代磨的最佳刀具之一。

立铣刀

常用数控刀具

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面铣削时,由于铣刀与工件的关系,尺寸和位置是重要因素。选择刀具时,工件的宽度决定了铣刀的直径。对于加工小零件,刀具直径一般比工件大30%是理想的,但机床的功率和稳定性在许多情况下起着决定性的作用。面铣削往往需要多次走刀才能完成。

铣刀的刃口数量是优化铣削结果的另一个重要因素。任何时候都有多个刃口同时切削是一种优势,但过多的刃口同时切削则是一种劣势。不可能每个切削刃都同时切削,所需的功率与所涉及的切削刃数量有关。铣刀相对于工件的位置对切屑形成过程、切削刃负荷和加工结果起着重要作用。面铣削时,使用比切削宽度大约大30%的铣刀,并将铣刀定位在靠近工件中心的位置,切屑厚度变化不大。入口和出口处的切屑厚度比在中心切削时略薄。

为了确保使用足够高的平均切屑厚度/每齿进给,必须正确确定铣刀的齿数。铣刀的齿距是有效切削刃之间的距离。根据此值,铣刀可分为三种类型 - 密齿铣刀、稀齿铣刀和超密齿铣刀。

与铣削切屑厚度同样相关的还有面铣刀的主前角。主偏角是刀片主切削刃与工件表面之间的夹角,主要有45度、90度和圆形刀片。随着主偏角的不同,切削力的方向会有很大的变化:主偏角为90度的铣刀主要产生径向力,作用于进给方向,这意味着加工表面不会受到过大的压力,对于铣削结构较弱的工件更为可靠。

立铣刀

主偏角为45度的铣刀,其径向切削力与轴向力大致相等,因此产生的压力比较均衡,对机床的功率要求比较低,特别适合铣削产生断屑的短屑材料工件。

具有圆形刀片的铣刀意味着主偏角从0度到90度连续变化,这主要取决于切削深度。这种刀片具有非常高的切削刃强度。由于沿长切削刃产生的切屑相对较薄,因此适用于大进给。沿刀片径向的切削力方向不断变化,加工过程中产生的压力将取决于切削深度。现代刀片几何形状的发展赋予了圆形刀片切削效果平滑、机器功率需求低、稳定性好等优点。它不再是一种有效的粗加工刀具,而是广泛应用于面铣和端铣。

相对于工件的进给方向和铣刀旋转方向有两种方式。第一种是顺铣,铣刀旋转方向与切削进给方向相同。切削开始时,铣刀咬合工件并切掉最后的切屑。第二种是逆铣,铣刀旋转方向与切削进给方向相反。铣刀必须在工件上滑行一段时间后才开始切削,从切削厚度为零开始,在切削结束时达到最大切削厚度。

在三面铣刀、某些端铣或面铣中,切削力有不同的方向。在面铣中,铣刀就在工件的外面,要特别注意切削力的方向。在顺铣中,切削力将工件压在工作台上,而在逆铣中,切削力使工件离开工作台。

顺铣通常是首选,因为它的切削效果最好。只有当机床存在螺纹间隙问题或存在顺铣无法解决的问题时,才考虑顺铣。

理想情况下,铣刀直径应大于工件宽度,铣刀轴线应始终略微偏离工件中心线。当刀具正对切削中心放置时,极易产生毛刺。切削刃进入和退出切削时,径向切削力的方向会不断变化。机床主轴可能振动和损坏,刀片可能断裂,加工表面会非常粗糙。如果铣刀略微偏离中心,切削力的方向将不再波动,铣刀将获得预紧力。我们可以把中心铣削比作在道路中心行驶。

立铣刀

铣刀刀片每次进入切削时,切削刃都会受到冲击载荷,载荷的大小取决于切屑的截面、工件材料和切削类型。切入和切出时切削刃与工件能否正确咬合是重要的方向。

当铣刀轴线完全位于工件宽度范围之外时,切削时的冲击力由刀片最外刀尖承担,也就是说初始冲击载荷由刀具最敏感的部分承担。铣刀也是以刀尖在末端离开工件,也就是说,从切削开始到切削结束,切削力都作用在最外刀尖上,直到冲击力卸载。当铣刀中心线恰好位于工件边缘时,刀片在切屑厚度达到最大时离开切削,切入和切出时冲击载荷都达到最大值。当铣刀轴线位于工件宽度范围之内时,切削时的初始冲击载荷沿着切削刃在距离最敏感刀尖较远的地方承担,刀片在退刀时退出切削比较平稳。

对于每种刀片而言,当切削刃即将退出切削时,其离开工件的方式都很重要。在退刀时刻剩余的材料可能会在一定程度上减小刀片间隙。当切屑离开工件时,会沿刀片前表面产生瞬时拉力,并且通常会在工件上产生毛刺。这种拉力会在危险情况下危及切屑边缘的安全。

当铣刀轴线与工件边缘重合或接近工件边缘时,这种情况会很严重。实现良好铣削的总结。

  • 检查机床的功率、刚度,保证机床上能使用所需的铣刀直径。
  • 刀具在主轴上的悬伸尽可能短,以减少铣刀轴线和工件位置引起的冲击载荷。
  • 使用适合工艺的正确铣刀齿距,确保切削时不会有过多的刀片同时与工件啮合而引起振动。另一方面,在铣削窄工件或铣削型腔时,要确保有足够的刀片与工件啮合。
  • 确保每刃的进给量,以便在切屑足够厚时获得正确的切削效果,从而减少刀具磨损。使用具有正前角槽的可转位刀片,可获得平滑的切削效果和最小的功率。
  • 选择适合工件宽度的铣刀直径。
  • 选择正确的主偏转角。
  • 正确放置铣刀。
  • 仅在必要时使用切削液。
  • 遵守工具维护和修理规则,并监控工具磨损。

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钻头是孔加工刀具中应用最为广泛的一种刀具,尤其在钻φ30mm以下的孔时,钻头的应用更为广泛。钻头从结构上分为整体式和可转位刀片式钻头。由于汽车工业追求较高的生产效率,肩部和倒角复合钻头的应用越来越广泛。

许多工件需要钻一个或几个孔,这些孔现在大多在数控机床和加工中心上加工。原则上,孔有很多不同的类型,这些孔之间最常见的区别是配合间隙。这些孔包括螺纹孔、配合要求极好的孔、管孔和为去除重量而加工的孔。这些孔是通孔还是直孔,对切削刀具和方法有不同的要求。

在钻井过程中,为了有效地取得满意的结果,需要考虑四个主要因素。

  • 直径与孔深的比率。
  • 加工孔所要求的精度和表面粗糙度。
  • 工件材料的类型、质量和硬度。
  • 机床,特别是加工条件和主轴转速。

这些因素都会影响钻头类型的选择和应用。在所有加工工艺中,工件、机床和工艺系统的稳定性是最重要的。在考虑什么类型的钻头适合加工工艺时,钻削工艺起着一定的制约作用。最小的可转位刀片直径为12.7mm。

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镗刀按结构形式分为整体式、夹紧式、调节式,调节式又分为微调式和差动式,在汽车变速箱壳体加工中常用的是单刃微调镗刀和双刃粗镗刀。

粗镗刀采用轴向调整机构,使两刃口高度完全一致,达到理想的平衡状态,防止振动。进给螺纹是精镗刀的命脉,有些厂家采用配对生产方式,将丝杠与螺母间的齿隙限制在最小限度,获得最高的可靠性。在背面镗孔时,往往需要翻转工件或转动工作台,不仅浪费时间,而且很难保证同轴度。

精镗头只需要反转刀片即可进行反向镗孔加工,保证精度,提高生产效率。对于精度要求高的孔,要求刀具具有较高的动平衡效果。生产的高速小孔精镗头,移动平衡性较差,内置平衡块会移动,根据手册中的相关数据,将平衡环转到相应位置,即可使镗头平衡。

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加工中心上的攻丝方式有两种,高精度自动反向攻丝,最高转速可达6000r/min,刚性攻丝无任何补偿。这两种攻丝方式各有优缺点,根据加工要求选择。在大批量生产中,由于追求高效率,自动反向攻丝对生产会有好处,但其结构复杂,附件多,维修困难,价格昂贵。目前,随着数控加工中心的使用越来越多,刚性攻丝将越来越普及。

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