计算机数控技术及理论研究生数控技术第５次课ppt
- 1. 第3章 数控加工刀具与机加工工艺过程3.4 铣削切削刀具 3.5 车刀 3.6 加工孔工具 3.7 工件装夹工具
- 2. 3.4 铣削切削刀具——端铣刀端铣刀是设计用来切削端面和侧面的。端铣刀最常用的材料是高速钢HSS，但是端铣刀也由硬质合金的实心坯制成。高速钢端铣刀不贵，应用广泛加工黑色金属、有色金属材料。相反，整体硬质合金端铣刀价格是高速钢的四、五倍，有色金属和非金属材料有更多限制。硬质合金易脆，因此，整体硬质合金端铣刀中发现的锐边不易黑色金属加工应用。然而，一些更新的硬质合金级别设计为黑色金属加工应用。
- 3. 3.4 铣削切削刀具——端铣刀用几何特征描述端铣刀，包括齿/槽数量、端铣类型、边缘轮廓（如图3-10所示）。标准端铣刀最显著的特征是外部切削边缘或齿。个别切削边缘间称为槽的空间用来去除切屑。图3-10 不同端铣刀（从左到右）：四槽、高螺旋角的两槽、粗磨、球状端铣刀
- 4. 3.4 铣削切削刀具——端铣刀从技术上看，你可以把端铣刀描述成两个齿，当是更常说成“两个槽”。小端铣刀最常制成两个、三个或四个槽，每个都有自己的优点。表3-5说明不同端铣刀设计的两面性。
- 5. 3.4 铣削切削刀具——端铣刀端铣刀也根据实现横向切削的能力分类。横向切削是一种与端铣刀直向下推入工件的钻削相似的操作。不是所有端铣刀有这个能力，一些是中心切削，而其它是非中心切削，如图3-11所示。标准两槽端铣刀通常是中心切削。相反，标准四槽端铣刀不是。很难将四槽端铣刀的一端磨成中心切削几何形状，因此，更贵。中心切削，四槽端铣刀从供应库获得，常用于计算机数控加工，但是当绝对需要时，因为更高的成本，机械师必须认真选择型号。图3-11 中心切削与非中心切削端铣刀设计。中心切削端铣刀需要横向切削
- 6. 3.4 铣削切削刀具——端铣刀如果需要横向进给操作，唯一获得的刀具是四槽端铣刀，那么就使用其它加工技术。最简单的方法是使用钻削生成导向孔。只要确定在端铣刀上钻孔比危险区更大。更好的解决方法是用斜的或螺旋口。
- 7. 3.4 铣削切削刀具——端铣刀端铣刀也有许多不同轮廓。标准端铣刀有方形轮廓。因此，端铣刀能加工平面，同时加工直侧面。在角内会留尖角。侧面磨成轮廓而非方形。例如，为了在工件倒角内切削，通常在角内生成半径。轮廓半径端铣刀称为球头端铣刀。可选择地，更小半径在拐角内磨削生成球头端铣刀。球头端铣刀容易从工业供应商获取，但是球头端铣刀常是特定指令。
- 8. 3.4 铣削切削刀具——端铣刀角半径端铣刀在计算机数控加工中很重要，因为半径用来生成在正常条件下不可能的表面。例如，球头端铣刀用来生成曲线或切削工件有角度的表面，估计是预期表面的真实形状，如图3-12所示。将这种技术用于磨具和模型制造中非常普遍。最终表面有点圆齿外形，但是可通过编制更细步骤的程序来提高。图3-12 球头端铣刀预算表面
- 9. 3.4 铣削切削刀具——镶齿刀具整体硬质合金非常贵，硬质合金的脆性使他们不能取代许多加工应用。更具鲁棒性的解决方案是用硬质合金切削边缘制成韧性钢体。这样的刀具称为镶齿刀具（如图3-13所示）这些刀具非常经济，因为设计的硬质合金刀片可扔掉。被夹持在夹具或螺丝钉中的刀片当变钝时，它们就被除去或由锋利刀片所取代。刀片类型不同，但是都制成可转位的——每个刀片都有几个角。当刀片变钝时，可转位到新角位置。 图3-13 镶齿平面端铣刀
- 10. 3.4 铣削切削刀具——镶齿刀具镶齿概念的流行使用是平面铣刀。平面铣刀也由高速钢制成，但是高性能硬质合金使镶齿多样化，更经济。平面铣刀用来生成平面和宽平面。平面铣刀常设计来浅铣削。多数不愿横向切削或像端铣刀一样铣凹处。刀片要么有大半径，要么有大导角生成光滑表面。结果它们不常用于加工肩。可加工方肩的市场中有许多平面铣刀，但是要损耗大量刀片可用的角。图3-13 镶齿平面端铣刀
- 11. 3.4 铣削切削刀具——镶齿刀具镶齿端铣刀不常用，但在过去几年很受欢迎。主要应用于模具造型和韧性航空合金加工的硬质钢的加工中。它们沿着槽有多个刀片，有时侧面拐角处有不同刀片。正确的应用中，镶齿端铣刀是一个非常高效的解决方法。图3-13 镶齿平面端铣刀
- 12. 3.4 铣削切削刀具——主轴类型主轴是夹持刀具（例如，铣床）且通过电机驱动旋转的机床的一部分。主轴通常是空的，至少有两个支撑——一个在顶部，另一个接近底部。主轴轴承是安装在有一组轴承座圈和球或滚珠的圆桶上的抗摩擦的轴承。可得到一些最高精度轴承，它们有对应匹配的价格。
- 13. 3.4 铣削切削刀具——主轴类型主轴是夹持刀具（例如，铣床）且通过电机驱动旋转的机床的一部分。主轴通常是空的，至少有两个支撑——一个在顶部，另一个接近底部。主轴轴承是安装在有一组轴承座圈和球或滚珠的圆桶上的抗摩擦的轴承。可得到一些最高精度轴承，它们有对应匹配的价格。
- 14. 3.4 铣削切削刀具——主轴类型主轴末端精确地磨成工业标准形状以适应刀具夹件类型。你也许熟悉经常用R8套爪系统或NMTB大锥体的传统机床。刀具安装在套爪上或有螺纹拉杆夹在主轴的接头上。计算机数控机床也用锥体和主轴接头来安装刀具，但是类型有点区别。准备自动夹持或释放接头。图3-14表明两种不同主轴端铣刀接头。图3-14 最常用主轴的刀具接头
- 15. 3.4 铣削切削刀具——主轴类型两种最流行的主轴鼻翼型是环状轨道（CAT）或V型凸缘和BT。这些陡锥小心地位于主轴的刀具中心，提供侧面对侧面的抗偏离性。锥体不太浅，当释放加紧力时，想要接头很容易从主轴上落下来。CAT和BT街头看上去几乎一样，只是构造上有点区别，安装在自动刀具更换器上。接头夹持在固定于末端的牵引螺栓主轴上，由主轴内机械装置抓紧。
- 16. 3.4 铣削切削刀具——主轴类型锥刀可获得几种尺寸，包括#30、#40、#50。#40锥刀可能是最常用的。在许多小型立式加工中心都能找到。#50锥刀用于更大型用电源驱动更大的刀具的立式、卧式加工中心。
- 17. 3.4 铣削切削刀具——主轴类型进来增加的主轴锥刀族是HSK。HSK使用相对短的锥刀，一个平面定位。HSK主要优点是特别设计成空的，因此允许冷却液直接导入刀具中心。HSK在美国不常见，但是随着它的优点广为人知，更多机床厂家开始提供HKS作为可选产品，我们希望它更加流行。
- 18. 3.4 铣削切削刀具——主轴刀具最常见的主轴接头是端铣刀接头（如图3-15所示）。端铣刀接头可获得标准大小，形成多长度。选择最短的、允许刀具无干涉地到达切削区的接头是很重要的。更大接头能更好的到达，但是它们会引起主轴上施加的扭矩更高。硬度的缺乏可能引起破坏性震颤。图3-15 主轴刀具（从左至右依次是）：钻刀卡盘、托盘卡盘、托盘、端铣刀调试器、钻头（Coursety刀具命令系统）
- 19. 3.4 铣削切削刀具——主轴刀具与端铣刀接头密切相关的是筒形铣刀接头。一些更大的铣刀——尤其是平面铣刀——没有轮轴。它们被加工成筒形，打算安装在硬质接头上。接头有圆柱定位表面维持中心，两个驱动柄脚保持刀具防止切削时滑落。铣刀通常用内六角头螺丝接头紧固。筒式构造的主要优点是刀具非常牢固地夹持。刀具不可能在重载切削条件下滑落（一个圆轮轴的实在问题）。
- 20. 3.4 铣削切削刀具——主轴刀具钻刀常夹持在钻削卡盘接头中。这些接头钻削良好，无需高精度要去。钻削卡盘可适应广泛直径，通常每个卡盘直径从0.093″到0.500″。这个特征使钻削卡盘本身成为非常经济的刀具。常用于定心钻、钻孔、锪孔、大埋头孔，有时用钻削卡盘内夹持的刀具铰孔。然而，钻削卡盘容易有不可接受的精度操作的径向跳动。因此，铰刀和锥刀常夹持在弹簧夹头中。
- 21. 3.4 铣削切削刀具——主轴刀具夹头卡盘是另一个用来夹持钻刀、铰刀、锥刀、端铣刀的流行的接头——实际上任何刀具都用于加工。它们提供大量与可以夹持的刀具类型和可以适应的直径范围相关的柔性。夹头卡盘使用可以变形来适应整体直径范围的锥度弹簧夹头。锥度设计确保了刀具轮轴会紧紧地、平稳地抓紧，高度同轴。夹头卡盘系统与端铣刀和钻削卡盘接头相比，相对贵些，因此它们只在无法得到便宜接头时使用。
- 22. 3.4 铣削切削刀具——主轴刀具丝锥可夹持在硬螺丝夹头中，但是有一些提供更好解决方案的专门攻丝加工的专用接头。快速转换丝锥夹件允许快速刀具更换，这会维持螺纹孔的正确深度。车螺纹路线为了满足技术要求经常需要操作员定量调整，因此维持深度的刀具更换会节省时间和金钱。
- 23. 3.5 车刀车削操作使用同时只用一个切削边缘的单点刀具。图3-16列举了不同车外圆、车内圆的刀具。放在单边缘上的好的金刚石使硬质合金成为日常计算机数控车削应用中最具优势的选择——高速钢很少用，除了成型刀具和复杂几何形状。镗刀 内圆螺纹车刀 内圆切槽刀 外圆轮廓车刀 外圆车刀 外圆螺纹车刀
- 24. 3.5 车刀——外圆车刀最流行的构造是将刀片放置在5°侧面端角，反向前角的夹件中。这种构造的流行既能实现车外圆又能用同样刀具车平面——减少换刀要求。外圆车刀也用不同其它刀片类型，包括60°三角形、55°金刚石、35°金刚石。夹件可获得许多不同侧面与端面切削角、前倾角来满足几乎每个车削要求。
- 25. 3.5 车刀——镗杆可转位刀片镗杆也可在许多不同构造中获得。外圆车刀与镗杆间的主要区别是通常设计镗杆使用正向前倾刀片。正向前倾通常比反向前倾产生更低的切削力。镗杆本身存在硬度问题，所以正向前倾角有助于降低偏离量。解决硬度问题的另一个方法是用整体硬质合金制造镗杆轮轴。整体硬质合金比钢还硬，它的密度约为钢的2.5倍。这两种属性的组合允许更小的偏离和重要的振动阻尼。
- 26. 3.5 车刀——车削刀具夹持方法最常见的方法是仅在转塔上安装刀具。转塔是可转位轮，包括方轮刀具位置、中心位置（镗杆和钻刀）。安装用于外圆车刀和车平面刀的方轮刀没什么特别之处。刀具通常夹持在成组螺丝或楔中。有时提供调整中心高度性能。外圆车刀通常要么安装在右侧面上部，要么安装在左侧面下部。这种能力允许右手刀具仅通过逆转主轴方向就可切削左侧或右侧。中心刀具通常夹持在夹头卡盘中，然后在装有套杆和成组螺丝的转塔中得到保护。 高容刀具库车削中心不用转塔。相反，刀具安装在个别夹件中，可能夹持在刀具库中，随意愿调用。最常用的刀具安装系统称为VDI，它允许使用现场刀具，但也用锥形夹件。
- 27. 3.6 加工孔工具——钻刀和铰刀钻刀和铰刀是加工小径孔的流行刀具。从每英寸0.020″及以上，但是每英寸下钻刀最普遍。高速钢螺旋钻刀用于一般加工目的、短生产运行。小螺旋钻刀不贵，所以多数工厂通常库存会保持一般规模，而且当它们变钝时，要么用手工要么用专用钻到磨床很容易重新使其锋利。高速钢螺旋钻刀、铰刀、中心钻、定心钻头、单槽与零槽大埋头孔钻、埋头钻
- 28. 3.6 加工孔工具——钻刀和铰刀整体硬质合金或硬质合金刀片钻刀经常用于更硬材料，更大批量生产。重要的是它们更贵但却是许多应用的首选。整体硬质合金钻刀经常提供氮化钛（TiN）涂层和贯穿刀具的冷却孔来增加刀具寿命。刀具厂家现在也销售由废弃硬质合金刀片制成的小螺旋钻刀——非常经济的解决方案。
- 29. 3.6 加工孔工具——钻刀和铰刀螺旋钻通常不够硬到自己中心钻孔。钻削点有点钝，当钻孔时容易引起钻到偏离轴线。多数钻削操作必须用定心钻头或中心钻操作继续。定心钻与中心钻尖端和硬曲柄对于螺旋钻来说能生成小断片（点），无需走刀就能开始。设计中心钻生成60°车床中心轴承区，但它们定心也很好。设计有点不同的定心钻被特别制成中心孔钻头，它们没有中心钻常用，但它们是工作中优先的刀具。
- 30. 3.6 加工孔工具——钻刀和铰刀构造成更大钻头常用可转位硬质合金刀片，它们经常加工成通孔传送冷却液至切削区（如图3-19所示）。镶齿钻刀一般可用大小从3/4″至2″，它们是更常用的计算机数控加工更大径孔的刀具。混合设计甚至可作为刀具的钻头和镗杆。图3-19 贯穿刀具冷却液的硬质合金刀片钻刀（克拉克莫斯社区礼仪学院）
- 31. 3.6 加工孔工具——镗头经常用镗削工艺加工异常尺寸的精度孔。车床中最好用的是镗床，但是镗床有点难加工轴。当主轴保持固定在孔轴线时，铣削中心通过改变刀具半径实现镗削。称为镗头的刀具用精度调整螺钉移动镗杆偏离中心，这样加工出需要的半径的工件（如图3-20所示）。图3-20 电镗头。镗杆被移动偏离轴线以控制孔大小（Courtesy刀具指令系统）
- 32. 3.7 工件装夹刀具 工件装夹是加工时保护工件的措施。两个基本目的是当切削时保持工件位置和提供对齐工件的准确参考平面。用来实现工件装夹的刀具通常是简单刀具。 提供准确参考平面的第二个功能也很重要。希望工件装夹工具刀具表面与工件对齐。因此，它们必须是平的、方的或平行的，否则工件不会正确对齐。由于这些要求，刀具通常制定非常高质量标准和超常公差。归根结底，工件装夹刀具质量会直接影响完成尺寸的精度。
- 33. 3.7 工件装夹刀具 提供着两个功能，刀具分为两个主要类型：对齐工具和夹紧工具。对齐工具提供参考平面，夹紧工具提供需要抵制切削力的力。当然，这些功能有时在像铣削夹钳或车床卡盘这样单个工具中找到。
- 34. 3.7 工件装夹刀具必须理解的重要概念是夹紧操作是基于摩擦原理的。摩擦是你试图将一个重箱子沿地面滑动，却感到的阻力，但你沿着曲线开车时，你的车在公路上却感到的阻力。摩擦由两个彼此接触平面间的微小粗糙度和粘附力引起的。一些表面粗糙，引起大量摩擦，然而其它表面光滑引起非常小的阻力。例如，沥青上的橡胶产生许多摩擦，但是硬质钢与钢之间产生非常小摩擦。
- 35. 3.7 工件装夹刀具加工中的摩擦用来避免工件被切削时产生移动（如图3-21所示）。然而光滑金属表面容易产生少量摩擦。结果，光滑。光滑表面需要大量夹紧力避免零件在被切削时移动。大夹紧力可能引起刀具或工件偏移。结果，刀具必须非常硬，避免无法接受的偏移。大夹紧力也可能使易脆的工件变形，足以引起尺寸误差。图3-21 夹紧力产生足够摩擦抵制切削力，保持工件位置
- 36. 3.7 工件装夹刀具有时工件夹紧时变形不会显示出可见的损伤标记。而且，一旦去除夹紧力，工件就容易弹回来，引起特征尺寸改变，如图3-22所示。图3-22 当夹紧易碎工件时必须小心。夹紧力可能引起易碎工件变形
- 37. 3.7 工件装夹刀具——铣削夹钳铣削夹钳当然是当今使用最普遍的工件装夹刀具（如图3-23所示）。铣削夹钳可得到多种不同尺寸、类型来适应多种加工工作。它们提供夹紧工件所需的夹紧力，它们提供我们用来定位工件的精确参考表面——所有都打成包。图3-23 铣削夹钳是多样化铣削操作的重负荷机件，夹钳可单独安装在铣削操作台上，成群的多个工件上或安装在卧式铣床基石上
- 38. 3.7 工件装夹刀具——铣削夹钳铣削夹钳成功的关键是它的柔性能夹紧任何小的工件。这通过添加许多夹持、定位附件来实现。基本附件是夹钳可移动卡爪（如图3-24所示）。卡爪由硬质钢构成，在适当的定位下精确磨成夹持工件。另一个流行的改变是阶梯形卡爪，可去除麻烦的平行对齐工件的需要。当需要夹持奇怪形状时，卡爪可由软钢或铝制成。唯一缺点是软材料没有能强化卡爪的抗磨性或硬度，所以它们必须周期性重加工成初始精度。图3-24 多种互换性夹钳卡爪：V形槽、铣成适应奇特形状的直的软卡爪、阶梯形卡爪
- 39. 3.7 工件装夹刀具——铣削夹钳工件业块是另一个重要夹钳附件。工件业块提供单点接触有助于对齐工件。它们有很多类型，从像蜘蛛臂到夹在夹钳卡爪上简单的夹件（如图3-25所示）。不管工件业块是哪种类型，当切削时工件业块从不用于保持工件避免移动，它们的作用仅是对齐。图3-25 用来将工件定位在单个参考点的不同工件业块构造
- 40. 3.7 工件装夹刀具——夹紧装置更大的工件不易夹在铣床夹钳中，因此它们经常夹在铣床工作台或其它带夹夹具上（如图3-26所示）。带夹是矩形钢块像杠杆一样静止，一端在工件上，另一端在调整垫板上。它们中间有个槽容纳螺纹螺栓，可以适应螺母或螺纹孔。这是一个非常灵活的夹紧系统，通常成套购买，包括许多不同大小的夹紧件、调整垫板、螺栓。图3-26 应用中的带夹。当夹紧夹钳时夹钳有点斜度使工件避免移动。夹钳中也使用弹簧，当零件更换时防止下落
- 41. 3.7 工件装夹刀具——夹紧装置 边缘夹是另一种夹钳，用于保护工件。边缘夹在小角度表面上推动使用，这能产生向前和向下的推力。这种构造使夹钳在工件表面下方，远离刀具。然而，夹紧力通常不会像带夹中获得的一样大。本原理的显著变化是小型边缘夹由电子机构激活。这是保护夹具盘内小工件的理想解决方案。
- 42. 3.7 工件装夹刀具——夹紧装置 对于更高产的环境来说，液压夹紧应用非常普遍。液压一些优势是它们能在非常小包装中提供高夹紧力，解放机床操作员重复所知的引起伤害的手工操作。许多计算机数控机床也能仅通过程序指令自动夹紧或松开液压设备。
- 43. 3.7 工件装夹刀具——夹具 从技术上看夹具是任何用于夹持并支持工件加工的设备。然而，术语夹具通常用来描述设计用来加工特殊工件或工件族的专用工具。夹具一般是夹紧与定位工具的集合，安装在钢座顶部。它们包括工件支架、定位钉、角支架、任意数量的夹紧机构。通常设计的夹具有时称为专用工具，因为它们是为特殊目的而设计的，不能为其它目的重构。要避免专用工具，除非数量认为开销是合理的。
- 44. 3.7 工件装夹刀具——夹具对于更小批量生产数量来说，刀具更好的解决方法是模块化夹具。模块化夹具是所有在许多不同结构中（如大标志设置）设计为可互换性、适合一起的刀具组成系统。系统始于夹具基座，以定位、安装孔的精确模式钻削而成。图3-27表明多种模块化夹具组件可为许多加工工作目的而构造。系统中所有其它组件由同样螺栓孔模式制成，这样任何组件都能安装在基座的任何位置。模块化工具两个领域最好的——可以设计常用夹具支持独特的工件，然后旋转重新利用执行另一个任务的组件，这可以去除专用工具充满空间的需要。图3-27 模块化夹具组件表明，表明多种定位工具和夹紧工具
- 45. 3.7 工件装夹刀具——计算机数控车床工件装夹卡盘是传统车床与计算机数控车床上常见的装夹工具。卡盘对于车床来说就像铣床夹钳对于铣床的关系（例如，完全多样性使它成为车床重负载荷）。此外，它有互换性卡爪，更像铣床夹钳。计算机数控车削中心典型车床卡盘是液压驱动的。不同于我们在传统车床上发现的机械卷轴和独立的卡盘。液压控制使之容易自动开、关卡盘，允许精调夹紧力。
- 46. 3.7 工件装夹刀具——计算机数控车床工件装夹计算机数控车床卡盘几乎广泛应用软卡爪（如图3-28所示）。对于每件新任务来说，要调整卡爪位置，然后镗削至与工件尺寸非常接近的直径。这看上去耗时，但是封闭镗削产生为了最大化机床和刀具功率必须的高度中心轴，应封闭配合定位表面。计算机数控车床能具备高速主轴转速和大进给速度。这样好的装夹非常重要，否则工件会滑落——或磨损——从卡盘中脱落。图3-28 镗削至适应工件带有软卡爪的液压驱动的车床卡盘
- 47. 3.7 工件装夹刀具——计算机数控车床工件装夹 大工件当在几千转每毫秒（RPMS）转速下夹持在卡盘中时，会产生巨大动能——尤其如果工件不平衡时。产生这样的动能，从卡盘中脱落的工件可能对操作员造成严重伤害。结果由于高中心轴力失效，多数液压夹盘会有最大RPM速率防止损坏或伤害。底线是你要确保工件得到适当保护，在加工前保护就位。 套爪夹是计算机数控车削中心另一个重要装夹。套爪用于必须装夹与中心轴靠近的更小径的工件。套爪系统的重要优点是它们卡盘卡爪一样不必镗削。而且，更小径卡盘在高速下可安全旋转，在小径上产生良好表面精度。
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