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机加工:常用刀具知识

文章出处:lidinglong.com 人气:发表时间:2020-11-12 13:48

刀具材质&镀层
、刀具材质

机制生产能力不断的大幅提高,尤其在大量生产的工作要求下,从事于大量且高速的切削工作。为发挥高性能工作母机应有之生产工作效能,则切削刀具尤须密切的配合。为了发挥刀具之切削能力,故刀具材料需有显著之进展与改良,目前使用之各种刀具材料均有其特性以适应各种不同加工的要求。一般刀具材料必须具备的性能为生产制造费用须最低、具有高温之抵抗软化的能力、低的摩擦系数、较高的抵抗磨耗性质,导热性良好、充分的韧性以及耐冲击性等等,一般使用的刀具材料有下列几种:

A:高速钢

B:烧结式碳化物 ( 硬质合金)

C:陶瓷刀具

D: 多晶钻石刀具 CBN刀具

、镀层-

由于工程材料不断持续的发展,在1960年之后,陆续开发出新一代的合金材料。这些新材料不仅有高强度,而且具有高磨损性甚至有极高的化学性质,在切削时会与切削刀具产生化学作用造成侵蚀现象。除此之外,在时间及成本降低的要求下,高速切削正逐渐被人们广泛的接受。因此以往的刀具材料已不敷人们的需求。在因应如此严格的需求下,发展出刀具材料再加上镀层保护。具有镀层保护的刀具其寿命将近是一般没有镀层刀具的10倍,常见的刀具镀层有下列几种:

A:uncoated 未镀层

B:TiN 氮化钛

C:TiCN 氮碳化钛

D:TiAlN 氮铝钛

E:Al2O3 氧化铝

刀具材料&镀层与加工时间

左边的图表显示出自1900年后至今,由于刀具技术的发展使得切削时间缩短了100倍。而在1960年之后,因为镀层刀具的出现,缩短了4倍的加工时间。

刀 具 几 何

刀具之能切削金属的基本要件乃为刀具须比被切削材硬,且被切削材要有足够之力量予以固定,以使刀具施力时能切入工件。这些要件满足后其次就是有足够之动力以克服工件材料之阻力,除此之外,刀具的几何形状也会影响实际的切削效果甚至结果。选择适当的刀具几何可以增加刀具的寿命、维持加工精度、减少切削之动力…等等。常见之刀具相关几何如下:

、刀具刃角

、排屑槽

、刀刃数目

刀具刃角

斜角的改变可由正值变化到负值,如下图所示。以切削力与所需之动力来看,正斜角所形成的刀尖角度较小,刀具能够轻易切入工件,而且切屑流出排除顺畅,可减少切削压力,所以切削效率较大。但太大的正斜角形成尖锐的刀尖,故刀口较脆弱易于磨耗或崩裂。负斜角则反之具有较强之切刃,刀口强度较大适合切削高强度的材料。

间隙角Relief Angle

又称之为离隙角,均为正值。其作用为刀具切入工件时,避免刀腹与工件表面产生么擦或物理现象之干扰现象,如下图。小的间隙角给予切刃有较大的支撑,一般用于有高强度机械性质的工件材料。大的间隙角可使刀刃尖锐,但刀口强度减低,易于磨耗或崩裂,适合较软或低强度的工件材料。

螺旋角Helix Angle

此为铣刀之刀槽成螺旋状,可分为左螺旋及右螺旋两种,如下。在切削时当刃刃进入工件时,如右下图切削力 F 会瞬间增至最大,当刀刃离开工件时,切削力急速降低,此为造成切削时发生震动的原因。螺旋角此时的作用可避免切削力过于集中某个方向,让切削力分散于其他两个方向-水平分力FH以及垂直分力FV。当螺旋角γ越小时,,水平分力FH会变大,造成切削时刀具摆动;螺旋角γ越大时,垂直分力FV会变大,在切削时要是挟持刀具的力量不够时,刀具可能会从刀把中脱离,当刀具在高速旋转时这是非常危险的。常见的螺旋角有30、38、45、60。

排屑槽

切削加工中切屑之排出,理想的切屑处理状况是切屑流出时不致干扰或刮伤工件表面或撞击刀具和伤害到工作者,所以切屑要能够自然断裂成小碎段并且排出至其他地方。故切屑之控制不仅要考虑切屑的流向,而且须使切屑自动断裂。为达到此要求,一般会在刀顶面上作一种设计,能够自动限制切屑长度的机构称之为排屑槽或断屑槽〈Chip Breaker〉。其目的为使切屑能够急速卷曲,藉卷曲的应力迫使切屑断裂。一般的排屑槽设计如右下:

槽宽W:使产生切屑时形成卷曲,若槽宽太大,则卷曲半径较大,产生的卷曲应力不足以 折断切屑;若太小,则反之,产生之应力过大时,易使切刃崩裂。

槽深H:影响切屑流出的稳定性,若太深则切屑流向槽肩时之卷曲所需的力量较大,易引起刀刃破裂;若太浅则切屑可能未流至槽肩时即自行离去,使切屑流向不易控制。

槽肩R:为切屑由断屑槽卷起作用之部位,关系卷起时之顺畅与否,直接影响卷曲力之大小,若半径太大则切屑易滑上,卷曲应力可能不足以将切屑折断;若半径太小,切屑易被堵塞滑上不易,将产生极大的挤压应力。


刀刃数目

铣刀的刀刃数目与切削效果的关系会受工件材料,铣刀形状以及加工面光度等等之影响而异,刃数较多之铣刀,因有较多之切刃产生切削作用,故可获得更光洁平滑之加工面,不过因为无充分之切屑空间以容纳切屑,易受切屑之干扰,且刀刃之强度会较弱。所以一般粗切削,高进给,尤其是较软之材料时,需有较大的切屑空间,而提供切屑空间的最佳方法,即是减少刃数、增大刀刃,不仅能加大切屑空间,亦可增大刀刃之强度,而且铣刀之再研磨次数与寿命也可增加。因此考虑加工方法时,重及粗切削宜选用刃数少、粗齿之铣刀;细及精加工宜选择刃数多、较细齿之铣刀。

铣刀种类

、依几何形状区分

a、端铣刀

b、球刀

c、圆鼻刀

、依刀具结构区分

a、舍弃式刀具

b、整体式刀具

A、端刀

端铣刀之外形如右图所示,铣刀之外缘及底面均有铣齿以构成切刃,所以可以用来铣削工件之垂直面以及垂直面。端铣刀之刀形变化非常复杂,适用于各类加工,如:铣平面、沟槽或轮廓面…等等,可说是被运用最为广泛的一种铣刀。一般来说端铣刀非常适用于2D形状的工件,但是应用于3D形状的模具加工时,就不是那么的适用。我们就以下原因说明端铣刀应用于模具加工时所发生的问题:

一、如图框框所指出的区域,你可以看到此处为一尖点。所 以甚为脆弱,一但此处尖点崩坏,那么铣刀寿命也就随之完结。所以端铣刀的寿命不甚稳定。

二、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。反之如果用于铣削3D形状的模具时,你可以发现与工件接触的区域几乎都是靠近尖点的部位,所以你必须要减少刀间距或是切削深度,因此加工效率降低。


所以在模具加工中,端铣刀一般会被用来加工模具中的2D区域,如:垂直面以及水平面或是模具中尖角的区域会用端铣刀将之加工出来。而在传统方式的模具加工中,端铣刀也会被用来作粗加工。


B 球形刀

如图所示,底部刀刃为一球形状的铣刀为球刀。球刀在目前的模具加工使用上相当的频繁,尤其是在铣削3D的模具时,球刀更是不可缺少的工具。与前者-端铣刀比起来,因为球刀没有像端铣刀底部为尖点的刀刃,而是带有R角的刀刃,所以球刀的刀刃更为强壮,不易崩坏;换句话说,球刀的寿命会比端铣刀更为稳定。除此之外,球刀与工件接触的区域为R角的刀刃,因此在精加工时刀间距可用更大的数值,加工面也有极佳的效果。

因此不论是刀具寿命或是加工效率,球刀在模具加工上是不错的选择!不过同样的,球刀在模具加工时也会遭遇一些问题。在铣削3D模具时球刀虽然与工件接触的区域为R角的刀刃,但是实际的接触位置却会随着工件的形状而改变,这样的差异会带来以下的影响:

球刀在模具加工中最常用来铣削3D的模具,尤其是在精加工以及清角加工时,但不适合用于铣削较平坦之区域,因与工件接触面积小,无法加大刀间距。


C 圆鼻刀

在铣削3D模具时,圆鼻刀还有另外一项优点是使用球刀所比不上的。球刀本身会随着与工件接触的位置不同,切削速度而有非常大的变化,所以加工面质量不稳定。圆鼻刀虽然也有这样的情形,不过它的切削速度的变化并不像球刀那样有极大的变化。因此使用圆鼻刀加工的工件,质量当然稳定。以下说明圆鼻刀切削速度稳定的原因。

除此之外,圆鼻刀比球刀、端铣刀有更佳的加工效率,尤其是在粗加工时。因为圆鼻刀底部是平的,圆鼻刀的水平刀间距可以用的比球刀更大。在精加工时,它同样拥有与球刀一样的优点,所以刀间距也可以可用更大的数值。因此圆鼻刀不论是用于粗加工以至于精加工,都是非常合适的选择。


用圆鼻刀粗加工的好处为其水平刀间距可以使用的很大,所以粗加工效率远比球刀来的好;而图则为用圆鼻刀精加工,圆鼻刀的优点就是切削速度变化稳定,所以你可以看到在精加工后工件的表面呈现出金属在被切削后的光亮。



舍弃式刀具

此种形式刀具,顾名思义,即铣刀之刀刃部分为可更换的设计。通常在设计上分为刀座以及刀片两部分,刀片即为铣刀中的刀刃用来切削工件,而刀座则做为固定或支撑刀片。刀座的直径即决定铣刀的大小,此外,刀座也可作成多刃的设计。刀片部分则有许多形状,材质…等变化。使用者可以视不同的加工情况更换适合的刀片,刀片上所有切刃都使用磨耗后,刀片即抛弃而不重磨,只需更换新的刀片。所以刀具成本、使用弹性为其优点。


整体式刀具

整体式刀具为刀刃与刀体为一体的设计,铣刀上之刀刃与铣刀身皆由同一材料所制成,所以在精度以及刀刃的强度上整体式刀具会比舍弃式刀具来的高,但是相对的制作刀具的材料成本就会提高,而且刀刃在磨耗后需再重新研磨才可再使用。另外因为考虑刀刃的强度以及制作上的难度,在制作10mm以下的舍弃式刀具极为不易,所以一般10mm以下的铣刀都为整体式刀具。
自制刀具设计标准

一.刀具分类:

1.标准刀具(通用刀具):

指市场易采购的刀具,如麻花钻头,铰刀 ,通用铣刀,丝攻,板牙,滚花等.

2.自制刀具(专用刀具):

指由本部门自行设计的专用刀具,如T形刀具,圆弧铣刀,外(内)倒角刀,内孔成形刀等.

二.刀具基本结构:

常用自制刀具的基本结构形式:

a.T形铣刀:

T形刀具可以分为以下四种形式

a-1:第一种

刀具外径为4,齿数为4, 前角γ=10°~15°,后角β=20°~25°

a-2:第二种


刀具外径为6,齿数为6, 前角γ=10°~15°,后角β=20°~25°

a-4:第四种

刀具外径为>8,齿数>8(具体齿数自定为偶数),在b的尺寸增大时,d也要相应增大,同时在刀具外径增大时, d也要相应增大,以保持刀具的强度,其余结构尺寸

b.圆弧铣刀:

在设计圆弧铣时,为了便于厂商加工,我们一般都设计成二刃的形式,具体结构如下图所示.刀具的圆半径与产品的相一致,为了不在产品上留下断差,刀具上的刃口长度要比产品上的圆弧要长,同时要在刃口上做与产品圆弧相切的直刃部分,这样其本上可以消除加工产品时有断差.

2.刀具几何角度的选择

刀具前后角度的合理选择,直接影响切削力的大小﹐工艺系统的刚性﹐以及刀具的耐用度﹐大前角刃口锋利﹐摩擦力小﹐切削力和切削温度低﹐大后角﹐可以减小刀个后刀面与工件之间的摩擦﹐但前后角过大都会使切削刃的强度降低﹐散热条件变差﹐从而降低刀具寿命。对MG来讲主要加工的都是轻金属镁合金﹐所以刀具几何角度选择如下﹕

a.具前角γ=10°~15°,后角β=20°~25°

b.刀为增加刃口强度﹐在后刀面增加一0.2的刃带﹐β0=5°~8°

c.刀具粗糙度﹕前后刀面的粗糙度一般为0.4

T型刀具规格确定方法﹕





T型刀具规格确定是根据卡勾深度﹐高度及卡勾周围干涉状况而决定.

一般 d值> d1值0.3以上﹐其它尺寸依具体情况而定。

切削部位的基本偏差及公差﹕

考虑到机床的精度﹐刀具切削部分悬伸越长﹐加工的实际尺寸变化越大﹐所已在设计各式专用刀具时﹐ 可根据产品的公差要求﹐通常选产品尺寸的中间值﹐公差值一般为产品公差的1/3~~1/5,例如﹕Φ12+0.10﹐则刀具的相应尺寸为Φ12.10-0.02,刀具的尺寸公差标注以入体原则为准

刀具材料﹕

自制机加刀具﹐在直径尺寸不超过Φ18的情况下﹐一般直接使用整体钨钢棒磨削出来。在直径尺寸超过Φ18的情况下﹐可以采用拼接式﹐刀片使用钨钢﹐刀体为S45C,调质处理HRC32-38 。

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