正确使用刀具和鉴别刀具雕刻机.docx

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正确使用刀具和鉴别刀具雕刻机

如何正确使用刀具和鉴别刀具

一刀具的基本知识

目前雕刻机所使用的刀具，在刀具的分类中基本上都可以归结为铣刀中的立铣刀，直径较小，一般在φ8以下；使用转速较高，一般16000-24000rpm；下面主要从刀具的材料，刀具的几何参数、刀具的加工方式、雕刻加工对刀具的特殊要求等方面为大家做一下介绍：

1.1刀具材料

刀具的材料是生产和使用刀具至关重要的一环，一般刀具材料所具备的性能如下：

a高的硬度和耐磨性；

硬度是刀具材料应具备的基本特性，刀具要从工件上切下材料，其硬度必须比工件材料的硬度大。

刀具材料硬度一般在60HRC以上。

耐磨性是材料抵抗磨损的能力，一般情况下，刀具材料的硬度越高，耐磨性越好，材料晶粒越细、分布越均匀，则耐磨性越高。

b足够的强度和韧性；

要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程中出现冲击和振动的条件下工作而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须有足够的强度和韧性。

c高耐热性；

指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。

刀具材料的高温硬度越高，则刀具的切削性能越好，允许的切削速度也越高；除高温硬度外，刀具材料还应具有在高温下抗氧化的能力以及良好的抗粘结和抗扩散的能力。

d良好的工艺性能；

为便于制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能。

e经济性；

经济性是刀具材料的重要指标之一。

有的刀具材料虽然很贵，但因其寿命长，分摊到每个零件的成本不一定很高。

f切削性能的可预测性。

随着加工自动化的发展，要求刀具磨损及刀具耐用度等切削性能具有良好的可预测性。

1.1.1常用的刀具材料

工具厂家生产中所用的刀具材料以高速钢（如W18Cr4V）和硬质合金（如YG6X）居多。

碳素工具钢（如T10A、T12A），工具钢（如9SiCr、CrWMn）因其硬耐热性差，仅用于手工刀具。

硬质合金涂层刀具，陶瓷，金刚石，立方氮化硼材料以其优异的性能已在许多领域开始得到应用。

（1）硬质合金切削性能优良，早期的硬质合金比高速钢的抗弯强度低许多，随着技术的发展，其抗弯强度已接近甚至超过一般的高速钢。

目前我公司采用的刀具（包括外购刀具）都是整体硬质合金圆棒全磨制而成的。

我公司自产刀具选用的硬质合金材料为山特维克（SANDVIK）提供的H6FF，其主要成份为6%的Co和94%的WC，其性能参数如表1所示：

表1SANDVIK—H6FF性能参数

维氏硬度

洛氏硬度

洛氏硬度

抗弯强度

抗压强度

密度

相当ISO

晶粒度

HV30

HRA

HRC

N/mm2

N/mm2

g/cm3

1850

93.6

80.6　

4400

7400

14.85

K05/K10

0.6µm

这种材料的特点硬度高，抗弯强度高。

在加工钢料、有色金属材料时，因其脆性大，建议使用过程中要注意先低于正常走刀速度磨合一段时间（大约5分钟）后，再上正常速度，以利于刀具的稳定性，从而提高刀具的耐用度。

顺便介绍一下关于硬度的知识：

所谓硬度，通常可以理解为金属表面局部体积内抵抗外物压入而引起塑性变形的抗力。

常用的试验方法有三种：

布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA\HRB\HRC）、维氏硬度（HV）。

布氏硬度（HB）的含意：

用一定直径的淬硬钢球，在一定的载荷（p）作用下，压入试件表面，停留一段时间，然后除去载荷，测量压痕的面积，压痕越小表示抵抗塑性变形能力（即硬度）越大，压痕越大硬度越小。

洛氏硬度（HRA）：

代表在试验载荷为60kg下，使用顶角为120度的金刚石圆锥压头；

洛氏硬度（HRB）：

代表在试验载荷为100kg下，使用直径1/16”淬硬钢球；

洛氏硬度（HRC）：

代表在试验载荷为150kg下，使用顶角为120度的金刚石圆锥压头；

维氏硬度（HV）：

是利用顶角为136度的金刚石四方角锥体作压头，在一定的载荷下压入试件表面，留下方形压痕，根据对角线的长度，即可查出硬度值

HVS-50型数显维氏硬度计HBRV-187.5型布洛维硬度计

高速钢材料与硬质合金材料性能对比如表2所示：

表2硬质合金、高速钢材料性能对比

维氏硬度

洛氏硬度

洛氏硬度

抗弯强度

密度

相当ISO牌号

硬质合金

HV30

HRA

HRC

N/mm2

g/cm3

sandvikH6FF

1850

93.6

相当于80.6

4400

14.85

K05/K10

南昌

1515

91.5

相当于76.7

2950

14.75

K10

YG6

1315

89.5

相当于73.9

1430

14.75

K10

YG6X

1460

91

相当于76.2

1400

14.75

K05

高速钢

W18Cr4V

820

83.7

63~66

3200

8.7

W6Mo5Cr4V2Al

940

85.6

67~69

3500

9.12

高速钢刀具的质量还要取决于刀具生产厂家的热处理工艺，淬火后刀具的性能；而且在高温下高速钢硬度会下降许多，如W18Cr4V在500℃时56HRC；600℃时48.5HRC。

（2）金刚石刀具

在有机材料切割和高光型面板行业开始使用金刚石刀具。

金刚石具有极高的硬度和耐磨性，有资料显示其耐用度比硬质合金可提高及几倍到几百倍。

金刚石刀具不适合加工黑色金属。

公司已开始联系生产厂家生产，聚晶金刚石样刀（PCD）已开始在分公司和客户试用，不久将能供应市场。

1.2刀具的几何形状

目前公司供应的刀具主要有单刃螺纹刀具（图1），双刃螺纹刀具（图2），双刃螺纹球头刀具（图3），双刃直槽（平底、锥度）刀具（图4、4A），双刃直槽组合刀具（图5），双刃直槽锥度球头刀具（图6），棱形刀具（图7），开半刀具（图8）八个大系列，几百种规格。

还有多刃直槽螺纹刀具。

根据不同的用途，衍生出更多刀型和尺寸，来满足市场需求。

图1

图2

图3

图4

图4A

图5

图6

图7

图8

1.3刀具的几何参数

刀具的几何参数包括刀具的切削角度（前角、后角），刀面的形式以及切削刃的形状（直线形、折线形），下面以双刃直槽，开半，单刃螺纹，双刃螺纹刀具为例来介绍刀具的几何参数。

1.3.1双刃直槽（2B）刀具（图9）：

图9

刀具的前角：

前角----前刀面（切屑沿其流出的表面）与中心线（两对称刃尖连线）的夹角。

前角的大小决定刀刃的锋利程度和强固程度，它对切削过程有着重要影响。

前角越大，刀刃则越锋利，切削越轻快，刀刃强度较弱；反之则正好相反。

一般切削非金属选用较大前角，切削金属选用较小的前角。

刀具的后角：

后角----后刀面（与已加工表面相对的面）与切削平面间（刃尖外圆切平面）的夹角。

后角的主要功用是减少切削过程中后刀面与加工表面之间的摩擦，后角的大小还影响作用在后刀面上的力、后刀面与工件接触长以及后刀面的磨损强度，因而对刀具耐用度和加工表面质量有很大影响。

1.3.2开半刀具（单刃直槽1B）（图10）

图10

锥刀为了提高刀具整体强度，一般开半尺寸要大于刀杆半径尺寸，因此，锥刀前角在各部位因直径尺寸不同而不同的，开半径尺寸相同的情况下，直径越小，其负前角度数越大（相当于前角小）；直径越大，其负前角度数越小（相当于前角大）。

例如：

1.63的开半尺寸，0.2直径处，前角为-11度；3.175直径处时前角为-1.4度。

前角计算公式

TANγ=（B-R）/r

〈γ为前角B为开半尺寸R为刀具柄部半径r为垂直轴线截面切削刃半径〉

表3锥刀推荐开半尺寸、角度

材料（锥刀带号）

B

后角

广告（G）

1.60

45

59Cu（T）

1.63

30

钢材（M）

1.65

20

纯铝

1.61

60

纯铜

1.62

45

开半刀具（锥刀）相对于轴线存在偏转，在高速旋转加工过程中，会产生离心力，对电机会产生震动，因此建议客户开半长度在满足需要的情况下尽可能短。

目前公司刀具部所生产的刀具开半长度都控制在5mm以下。

1.3.3单刃螺纹铣刀（1W）（图11）

图11

螺纹铣刀按照螺旋方向的不同分为正螺纹铣刀（右旋符合右手定则）和反螺纹（左旋符合左手定则）上图所显示的单刃螺纹刀具为正螺纹。

螺纹刀具的前角是在法剖面的γn，后角是在端剖面测量的α。

tanγn=tanγcosββ为刀具的螺旋角

单刃螺纹刀具前角可以做的较大，最大可以达到50度，刀刃比较锋利；刀刃的截面积一般是刀杆截面积的40%。

比较适合切割加工非金属材料（压克力、PVC、ABS、代木等）。

通过调整刀具的角度，增大刀刃截面积，减小前角，也可适用于有色金属加工。

1.3.4双刃螺纹铣刀（牛鼻）（2W）（图12）

图12

双刃螺纹刀具的刀刃相对轴线对称，属于平衡刀具，在高速旋转加工过程中，不会产生径向离心力，不会对电机会产生震动。

双刃螺纹刀具的强度较其他要好，刀刃截面积可达到刀杆的60%。

二对刀具的鉴别（讨论）

刀具的正确使用首先要会鉴别刀具，总结以下几条为下面的刀具选用做一下参考。

任何刀具都有其适用范围，都不会是万能的。

好的刀具应该具有如下特点：

1良好的外观（刀具表面光亮，刃口锋利，如有涂层涂层应均匀）；

2良好的制造工艺性能（在40倍放大镜下观察刀刃无崩口、微观裂纹）；

3良好的切削性能（包括对某种特定材料粗加工效率高、精加工已加工表面质量高，切削轻快声音小等）；

4良好的性价比（包括刀具寿命长，单支去除量大等）；

5良好的稳定性（每只刀之间一致性好）。

三刀具的使用

3.1刀具的加工方式

加工方式因刀具旋转切入工件的方向与刀具进给方向的不同而分为顺铣和逆铣。

如图：

图15

逆铣加工时，刀齿的切削厚度从0到最大，刀齿在工件表面上挤压和摩擦，刀齿较易磨损；顺铣则正好相反，刀齿的切削厚度从最大到0，容易切下切削层，刀齿磨损较少，资料表明，顺铣可提高刀具耐用度2~3倍。

目前，我公司生产的雕刻机丝杠都有预紧，因此，不会出现大的反向间隙，建议去大料时使用顺铣方式。

顺铣加工时，要求工件侧边没有硬皮（一般锻造、磨削加工后的钢件表面会产生加工硬化），否则刀具很易磨损。

3.2刀具的切削形式

刀具的切削形式只要有以下三种：

如图

切割形式一刀切透，双边切削，主要用于非金属材料切割；

开槽形式双边切削，吃刀深度较浅，主要用于金属、非金属材料粗加工，刀具强度相对较弱的情况下；

单边切削单边切削有两种情况，吃刀深度较浅，切削宽度较大；吃刀深度较深，切削宽度较小。

主要用于金属、非金属材料粗加工，刀具强度相对较弱的情况下。

切割示意图开槽示意图单边切削示意图

图16

3.3刀具的安装

刀具安装的长短直接影响到工件的加工质量，建议刀具的悬出长度尽可能短。

刀具变形公式：

变形量ω刀具悬伸长度L刀具直径D刀具材料的弹性模量E

径向作用力F惯性矩I

有上述公式可以得出下面的结论：

刀具悬伸长度的三次方与变形量成正比，刀具悬伸长度越长变形量越大；

刀具直径的四次方与变形量成反比，刀具直径越细变形量越大。

刀具的装卡注意事项：

雕刻机采用的是弹簧卡头，由于弹簧卡头的槽内很容易积攒碎屑，加工有机材料时，应定期用有机溶剂（如氯仿）浸泡，加工金属用毛刷刷净。

刀具装卡不正会出现刀具磨损不均匀，刀具易折断。

3.4刀具角度的选取

刀具截形面积公式：

（r为刀具半径，α为刀具后角）

锥刀刃长与角度公式：

初始半径为0，刃长为0.1，后角不变，不同角度截面积如下表：

刃长

半径

锥度

后角

截面积

截面积比值

0.1

0.008748

10

30

0.0001

1

0.1

0.017631

20

30

0.0004

4

0.1

0.026793

30

30

0.0009

9

0.1

0.036394

40

30

0.0016

16

0.1

0.046627

50

30

0.0026

26

0.1

0.05773

60

30

0.0040

40

由上表可以得出这样的结论：

角度越大，其截面积的增加的速率越快，刀具的强度越高。

所以建议，在条件允许的情况下，尽可能选择大角度刀具。

3.5切削要素与切削层参数

3.5.1切削速度V

刀具旋转时的线速度：

V=πDN/1000　　　（m/min）

D刀具直径（mm）N（F1）刀具转速（rpm）

表4切削速度V推荐参数

（m/min）

碳素钢45

合金工具钢Cr12

调质钢45HRC

铝

铜

59铜

60~100

50~70

35~60

150~300

120~200

表5刀具切削速度一览表

m/min

转速

7000

10000

20000

24000

40000

刀尖直径

rpm

rpm

rpm

rpm

rpm

0.1mm

　2.198

　3.14

　6.28

　7.536

　12.56

0.2mm

4.39

6.28

12.56

15.07

25.12

0.3mm

6.59

9.42

18.84

22.60

37.68

0.4mm

8.79

12.56

25.12

30.14

50.24

0.5mm

10.9

15.7

31.4

37.68

62.8

0.6mm

13.18

18.84

37.68

45.21

75.36

0.8mm

17.58

25.12

50.24

60.28

100.48

1.0mm

21.98

31.4

62.8

75.36

125.6

1.2mm

26.37

37.68

75.36

62.8

150.72

1.5mm

32.97

47.1

94.2

90.43

188.4

1.8mm

39.58

56.55

113.10

135.72

226.20

2.0mm

43.96

62.8

125.6

150.72

251.2

3.0mm

65.94

94.2

188.4

226.08

376.8

4.0mm

87.96

125.66

251.33

301.60

502.65

3.5.2走刀速度f

走刀速度f（F2）单位时间内刀具的相对位移（m/min）

单刃吃刀量fa刀具每转过1刀刃与工件的相对位移（mm）

单刃吃刀量fa=f/（60Z）Z为刀具刃数

3.5.3切削深度

切削深度（吃刀深度）刀具轴线方向的切削层尺寸ap

3.5.4切削宽度

切削宽度（路径间距）刀具径向方向的切削层尺寸ac

表6单刃吃刀量一览表

单位mm

走刀速度

转速

0.112

m/min

0.2

m/min

0.45

m/min

0.75

m/min

1.2

m/min

1.8

m/min

2.4

m/min

3.0m/min

7000rpm

0.016

0.029

0.064

0.107

0.171

0.257

0.343

0.429

10000rpm

0.011

0.020

0.045

0.075

0.120

0.180

0.240

0.30

20000rpm

0.006

0.010

0.023

0.038

0.060

0.090

0.120

0.150

24000rpm

0.005

0.008

0.019

0.031

0.050

0.075

0.100

0.125

40000rpm

0.003

0.005

0.016

0.019

0.030

0.045

0.060

0.075

四刀具磨损和刀具耐用度

4.1刀具的磨损

铣削加工产生刀具磨损过程分为三个阶段：

a初期磨损阶段新刃磨的刀具刀面存在粗糙不平之处以及显微裂纹、氧化等缺陷，切削刃比较锋利，接触面较小，压应力较大。

因此，这一阶段磨损较快。

b正常磨损阶段经过初期磨损后，刀具毛糙表面已经磨平，进入正常磨损阶段，这个阶段磨损比较缓慢均匀，随时间延长而成近似的正比例增加。

因此，这一阶段时间较长。

c急剧磨损阶段当磨损带宽度增加到一定限度后，加工表面变得粗糙，切削力与切削温度迅速升高，磨损速度增加很快，以致刀具损坏而失去切削能力。

生产中为了合理使用刀具，保证加工质量，应当避免达到这个磨损阶段。

在这个阶段到来之前，就要及时换刀。

刀具的磨钝标准就是刀具磨损到一定限度不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。

4.2刀具的耐用度

刀具耐用度从开始切削一直到磨损量达到刀具磨钝标准所经过的总切削时间。

刀具的寿命不能片面的只提使用时间越长越好，而是达到一定的程度保证加工质量，及时更换刀具，刀具可以复磨几次来延长刀具的使用总体时间。

4.3刀具的磨损形式

刀具作为生产消耗品，切削过程中刀具的前刀面和后刀面经常要与切屑和工件接触，产生剧烈摩擦，同时接触区内有相当高的温度和压力。

因此前刀面和后刀面会发生磨损。

其磨损的形式有三种：

a前刀面磨损切削塑性材料时，切屑与前刀面相互接触，以形成月牙洼磨损为主。

c后刀面磨损切削脆性材料时，切屑与前刀面接触长度短，而相对刀刃钝圆使后刀面磨损较大

c边界磨损切削钢料时，常在主切削刃

刀具磨损的原因

由于工件、刀具材料和切削条件变化很大，刀具磨损形式也各不相同。

正常磨损主要是机械磨损和热、化学磨损。

4.4刀具的破损形式

硬质合金刀具主要的破损形式分为脆性破损和塑性破损

a崩刃在切削刃上产生小的缺口，尺寸与进给量相当或者稍大一些，刀刃还能继续切削。

b碎断在切削刃上发生小块碎裂或大块断裂，不能正常切削。

c剥落在前、后刀面上几乎平行于切削刃而剥下一层碎片，经常连切削刃一起剥落，尤其是当刀具有切屑粘连在前刀面上再切入的时候，更明显。

d裂纹破损在较长时间断续切削时，由于疲劳而引起裂纹的。

有因热冲击而引起热裂纹，或机械冲击引起的机械裂纹。

当这些裂纹不断扩展合并，就会引起切削刃的碎裂或断裂。

e塑性破损在高温和高压的作用下，在刀具的前、后刀面和工件的接触层上，刀具表层材料发生塑性流动而丧失切削能力。

刀具的破损形式是典型的随机现象，硬质合金材料为粉末冶金烧结而成，内部含有随机分布的微观缺陷和夹杂物，在不同的切削条件下，刀具可能因不断受到大小和位置不同的冲击载荷的作用而破坏。

4.5如何减少刀具磨损

a刀具的安装应保证刀夹清洁无异物，确保刀具的安装精度；

b选择刀具时，尽可能选用刚性好（大直径或柄径）的刀具；

c刀具安装时，悬出长度应尽可能短；

d刀具在开始使用时，首先应进行低速磨合，速度一般掌握在正常速度的50%；

e粗加工时，应尽可能采用顺铣；

f加工过程中，遇振动加剧，应及时暂停，降低转速、走刀速度；

g使用切削液，充分冷却、润滑，不可中途加注或关闭；

h及时清理切削区域的切屑。

五制定合理的切削用量

合理的切削用量，就是在充分利用刀具的切削性能和机床性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。

单位切削量=切削（吃刀）深度aPX切削宽度（路径间距）acX走刀速度f

切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工。

粗加工时，尽可能切除全部余量。

余量大时，确定切削用量要考虑机床功率和刀具强度，避免引起大的震动，而使刀具受到大的冲击而折断。

精加工时，主要考虑加工精度和表面粗糙度的限制。

不能达到要求时，要考虑增加半精加工序。

使精加工的之前的余量均匀，从而达到满意的效果。

确定切削用量要考虑机床功率和刀具强度，以及工艺系统刚性。

提高切削用量的途径：

1采用切削性能更好的刀具材料；

2改善工件材料的加工性；

3改进刀具结构和选用合理的刀具几何角度；

4提高刀具的刃磨和制造质量；

5采用性能更优良的切削液和高效率的冷却方法。

六刀具的选用

6.1材料的切削加工性

切削加工性是指工件材料切削加工的难易程度。

如粗加工时，要求刀具的磨损慢和加工效率高；而在精加工时，则要求工件有高的精度和较小的表面粗糙度。

表7切削加工性等级

加工性等级

名称和种类

相对加工性

代表性材料

1

很容易切削材料

一般有色金属

>3.0

铜铅合金、铜铝合金、铝镁合金

2

容易切削材料

易切削钢

2.5~3.0

退火15#钢

3

较易切削钢

1.6~2.5

正火30#钢

4

普通材料

一般钢及铸铁

1.0~1.6

45#钢、灰铸铁、结构钢

5

稍难切削材料

0.65~1.0

2Cr13调质

6

难切削材料

较难切削材料

0.5~0.65

45Cr、60Mn调质

7

难切削材料

0.15~0.5

50CrV调质1Cr18Ni9Ti未淬火

8

很难切削材料

<0.15

镍基高温合金

6.2金属切削刀具的选用及其特点

6.2.1双刃螺纹牛鼻刀（2WR）

目前随着JDHMS，JDCaver等大型机床的推出，加工各类钢制模具的客户越来越多，模具钢的粗加工成了一个很头疼的问题，一般刀具装上没多长时间就磨损的无法继续使用了，有的甚至只有几分钟。

雕刻机粗开钢材刀具不耐磨，主要是刀尖烧蚀严重，机床的的震动、声音随着刀具的磨损开始加大，让人无法接受。

经过观察发现，主要是刀尖过于薄弱，刀尖在初期的加工中就很容易崩掉，使刀具缺乏原有的锋利。

因此在刀具刀尖处倒角或倒圆，牛鼻刀就是平底刀刃尖倒圆，使刀尖部分的得到了强化，从而延长了刀具的耐用度。

刀具使用时间过长，刀具磨损严重，出现大的崩刃，刀具就不易复磨。

因此刀具的强化很有必要。

加工钢材刀具开始阶段一定要低速磨合。

图17

6.2.2涂层刀具

涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。

常用的硬质合金涂层材料有TiC、TiN、AlTiNC、Al2O3等。

从而使涂层刀具具有比基体高的多得硬度。

涂层具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因而有高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。

涂层具有低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可大大提高刀具耐用度。

AlTiNC、Al2O3涂层刀具不适合加工铝及其铝合金制品，涂层中含有Al与工件材料中的Al存在亲和力，涂层很容易破坏掉。

各种涂层性能对比

涂层种类

颜色

硬度HV

涂层厚度

μm

摩擦系数

应用温度

℃

特性

TiAlN（单层）

紫—黑

3500

1~4

0.5

800

高抗热、高性能。

几乎适用于各种材料的高速切削及干切削。

TiAlN（多层）

紫—黑

2800

1~4

0.6

700

高抗热、高性能。

几乎适用于各种材料的高速切削及干切削