数控加工效率提高第一步—常用刀具的知识与选择!

导读:
在数控加工过程中,刀具扮演着重要的“执行者”角色。磨损过快、刃口崩碎、热裂、积屑等皆是不当刀具带来的后果。基于此,本期便带大家一起看看数控加工中刀具的选择吧!

数控加工虽仍属于金属切削加工的范畴,但有其自身的特点,主要变现为自动化程度高、连续加工过程较长、对刀所花费时间相对传统加工复杂与费时。因此,在刀具选择上存在许多值得思考的问题。本篇为大家带了了CNC常用刀具的相关知识,相信好的刀具是提高数控加工效率的第一步。

刀具材质&镀层

目前使用的各种刀具材料,均有其特性以适应不同加工的要求。一般刀具材料必备的性能有低摩擦系数、高精度、良好的导热性、充分的韧性与抗冲击性等。

传统数控机床常见的刀具材料有高速钢和硬质合金,而一些特殊场合如高速切削、干切削、难加工材料切削、以车代磨等情况就要求使用超硬类材料,包括陶瓷、CBN、PCBN、金刚石等。这些超硬类材料价格相对较高,且切削过程与参数不易掌握,对机床刚性都有一定要求,常规加工应用不多。

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超硬类材料刀具

刀具表面镀层则是提高刀具性能的重要方法之一,近年来应用广泛。有镀层的刀具寿命是没有镀层刀具的十倍,常见的镀层有氮化钛TIN、氮碳化钛TICN、氧化铝等。下图显示高速钢、硬质合金使用后切削速度缩短了百倍,而镀层刀具的使用又缩短了四倍加工时间。

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小结:刀具材料一般优先选择硬质合金,有可能的话尽量选择镀层刀片。对于可能涉及自行修磨的刀具,主要选择高速钢材料。而一些特殊情况下可考虑超硬类材料,但最好先进行工艺试验。最后,小编建议尽量固定使用同一品牌刀具,有利于工厂掌握刀具特性、充分发挥刀具性能。

刀具分类

常用的数控刀具按形状分为端铣刀、圆鼻刀和球刀三种。每种刀具都有其特定的作用。

端铣刀

CNC加工中心的端铣刀也称为平底刀,周围有主切削刃,底部为副切削刃。端铣刀的外缘以及底面都有铣齿以构成切刃,所以可以用来铣削工件的垂直面。端铣刀的刀形变化十分复杂,适用于各类加工如铣平面、沟槽、轮廓面等,可以说是被应用最广泛的一种铣刀。

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下图所框区域有一尖点,一旦此点崩坏、那么铣刀寿命也随之完结,所以端铣刀的寿命并不稳定。

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在铣削2D形状的工件时,由于与工件接触的区域为外缘与底面,所以不论是刀间距或是切削深度都可以使用极有效率的数值。但切削3D工件的模具时,与工件接触的区域几乎都是靠近尖点的部位,因此必须减少刀间距或是切削深度,由此加工效率降低。

总之,端铣刀适用于2D形状的工件,但不适用3D形状的工件。下图为端铣刀的实际加工范例。

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端铣刀实际加工范例

球刀

底部刀刃为球形状的刀刃为球刀,也称R刀。与端铣刀相反,球刀是铣削3D工件时必不可少的刀具。由于球刀底部没有像端铣刀一样的尖点,而是带有R角的刀刃,所以球刀的刀刃更为稳定、不易崩坏。

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在模具加工中,球刀多用于铣削3D模具,尤其是在精加工以及清角加工时。但球形刀与工件接触面积小,无法加大间距,因此不适用于铣削较为平坦的区域。下图为球形刀的实际加工范例。

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球形刀实际加工范例

圆鼻刀

CNC加工中心圆鼻刀也叫平底R刀,可用于开粗、平面光刀和曲面外形光刀。相比端铣刀和球形刀,圆鼻刀结合了两者的优点,有更佳的工作效率。圆鼻刀的水平刀间距可以比球刀更大,在精加工时有着与球刀一样的优点。因此不论是粗加工还是精加工,圆鼻刀都是不错的选择。

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如果工件较大、曲面变化较小,狭小凹陷区域较小、相对平缓区域较多,则最好用圆鼻刀加工,然后使用二次开粗方式查找需要后续加工的区域。但面对一些凹陷区域,圆鼻刀存在着刀刃盲区,会发现“顶刃”现象。下图为圆鼻刀的实际加工范例。

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圆鼻刀实际加工范例

常见问题与解决

在实际操作过程中,总会有各种各样的毛病。下文为大家梳理了一些常见的问题与解决思路。相信随着这些问题的解决,机床的加工效率会更上一层楼。

刀具震动

随着越来越多难加工材料的应用,震动成了提高加工效率的障碍之一。震动的产生直接影响了加工精度和表面粗糙程度,使刀具磨损加快、严重影响刀具寿命,严重时会使切削工作无法继续进行。

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刀具振动需要同时存在的三个条件,包括刀具在内的工艺系统刚性不足,导致固有频率低;切削时产生一个足够大的外激力;外激力的频率与工艺系统的固有频率相同随即产生共振。

解决刀具震动的思路也分三部分,第一是减小切削力至最小。降低切削力的方法,可以用尽可能小的刀尖圆弧。增大刀具的前角。用磨制刀片替代压制刀片。减小切深、转速和提高进给。对于细长轴用90度的主偏角。对于细长杆的铣刀用圆刀片最有利于消振。

第二是尽量增强刀具系统或者夹具与工件的静态刚性;第三则是在刀杆内部再制造一个振动去打乱外激切削力的振频,从而消除刀具振动。

刀面磨损

在加工过程中,经常会出现前后刀面磨损过快的情况。其中,根据不同的刀面损坏情况,应有不同的应对方式。

情景一:后刀面磨损过快导致加工表面粗糙和加工尺寸差

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此情景的原因包括切削速度过高,或者刀片耐磨性太差。解决方法包括改进方法降低切削速度,同时逐步加大走刀量,采用更耐磨的刀片材料或涂层,尽量采用顺铣而非逆铣的方法。

情景二:刻痕磨损

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刀片沟槽磨后,可能损导致表面粗糙和崩刃。其原因包括进给量太小;铣削材料有加工硬化倾向;工件表面有氧化皮等等。面对此种情况,需要经常用指甲检查刀片的沟槽磨损。

情景三:铣削不锈钢和耐热合金时产生积屑瘤

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铣削粘刀也叫积屑瘤, 它使加工表面粗糙起毛刺。积屑瘤脱落会导致刀片前刀面脱落、刀片刃口崩碎, 耐热合金类工件的二次挤屑则会导致刃口快速崩碎。而发生此类情形的原因,无外乎刃口钝化,负前角,切削速度低,切屑厚度过薄, 切屑排除不畅几种。

解决积屑瘤的方法,大体按“六步走”。第一步,对于不锈钢和铝合金可以提高切削速度;第二步,采用物理涂层的刀片或者非涂层刀片;第三步,逐步加大走刀量致最佳切屑厚度;第四步,准备充足的高压冷却液或空气防止二次切屑;第五步,采用顺铣而非逆铣;第六步,对于耐热合金钛合金和沉淀硬化不锈钢可以低速采用纯矿物油冲刷切削区域。

情景四:刃口崩碎或打刀

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发生此类刃口崩碎的原因较多。刀片材料太硬、刀片槽型过于薄弱、采用的切削速度过低都可能挤碎刃口,导致工件材质不均或者有断续切削。

针对这种情况,首先应当检查刀垫是否破碎,刀片螺钉是否变形需要更换;其次应当排除振动的因素,采用韧性更好的刀片材料,换刃口强壮的刀片;最后,提高切削速度以排除刃口被挤碎的可能。

顺铣or逆铣?

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顺铣和逆铣 Down and Up milling

在上述刀面磨损的情境中,逆铣改为顺铣可以解决部分问题。但实际操作中,顺铣和逆铣有着有各自的优缺点。顺铣的优势表现在铣削摩擦热少、刀片挤压变形小、刀片寿命长;逆铣的优势有刀体受铣削力冲击小、有利于减少工作台丝杠间隙窜动等。

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顺铣和逆铣的优点

刀具直径和位置选择

按照惯例,应根据工件尺寸特别是工件铣削宽度来选择铣刀直径;但是对于某个给定的面铣刀,它的最佳铣削宽度是铣刀标称直径的70-80%。

用一组图来看看铣刀最适宜的尺寸、位置和加工方法吧!

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本期关于CNC常用刀具的选择以及刀具常见问题解决方法就到这里啦。欢迎关注鲁班园,获取业内前沿资讯、学习业内更多知识!