數控加工刀具是伴隨著數控加工技術的應用與發展而形成的一類現代金屬切削加工刀具的群體,其泛指所有應用于數控金屬切削加工機床的加工萬具。其源于傳統切削刀具但又有適用于數控切削加工的特性,隨著數控加工技術的普及與推廣,數控刀具已逐漸形成了研制、制造、銷售、應用直至售后服務的完整產業鏈,數控加工刀具的概念已廣泛的出現并逐漸被業內所接受。
由于數控刀具和數控加工技術與數控機床密切相關,當今的數控加工刀具主要集中于數控車削刀具、數控銑削刀具以及數控加工中心應用廣泛的各類孔加工刀具領域。同時,其基礎性的工作如刀具材料、刀具表面的涂層技術、刀片與刀桿的結構、刀具與數控機床的連接刀柄及其延伸的工具系統是不容忽視的重要組成部分。
1.數控加工刀具的要求與特點
作為數控加工刀具,必須滿足數控加工的特點與需求,其要求與特點如下:
1)高的切削效率。高切削效率對提高生產效率,降低制造成本起著重要的決定性作用,新型的刀具材料與涂層技術,專業化的刀具材料制造等是高切削效率的保證。
2)高的制造精度以及重復定位精度。高精度的刀具是高精度數控加工的基本需求,重復定位精度是有效減少對刀操作,減少刀具補償調整,提高加工效率的保證,專業化制造數控刀具是提高刀具制造精度的有效途徑,機夾可轉位不重磨刀具結構是刀具重復定位精度的保證,現代數控加工必須據棄傳統刀具自己刃磨刀具以及重復刃磨刀具的習慣,要明確不重磨刀具所「增加」的直接成本相對于昂貴高效的數控機床加工是微不足道的,連續切削使用時間的增加使其綜合成本仍然是更低的。
3)高可靠性與較長的刀具壽命。延長刀具切削時間,縮短刀具調整時間與換刀時間,是自動化程度較高的數控加工的需求。
4)適應復雜曲面加工要求。數控加工技術已從傳統的夾具裝夾工件適合相對固定的機床刀具轉向刀具各種位置與方位的靈活變化適應簡單裝夾相對固定的工件。這就要求數控刀具適合多方向進給加工,其刀具結構相對復雜。
5)刀具尺寸參數的預調與快速換刀技術。數控刀具的尺寸參數必須調整方便,必要時配備刀具預調儀,提高刀具預調精度與效率,縮短機床上的調整時間。換刀是數控加工不可回避的輔助時間,數控刀具的刀桿與刀柄結構必須在具有較高裝刀精度的前提下與數控機床的裝刀與換刀裝置相匹配良好的工具系統是實現刀具預調與快速換刀的保證。
6)刀具涂層技術的廣泛采用。刀具涂層是數控刀具重要的結構特征已廣泛應用于數控加工刀具中,當今的刀具涂層技術已由單層涂層逐漸發展為多層多材質涂層。
7)專業化的刀具制造體系。現代數控刀具生產基本由專業化的刀具制造商完成,專業刀具制造商不僅可在新型刀具的研發、制造上投入大量的人、財、物,同時具備良好的刀具銷售與售后服務,并對新刀具推廣起到積極的作用。
綜合所述,對數控刀具的要求與特點可表述為「三高一專」(即高效率、高精度、高可靠性和專業化)。隨著數控加工機床的不斷發展與普及數控刀具的市場占有率將不斷提高,并將成為金屬切削刀具的主流產品,數控刀具的使用中心將由傳統的自己設計、制造與刃磨逐漸過渡到市場選用采購、使用與維護為主。
2.數控加工刀具的結構特點
數控加工刀具的主要特征是滿足數控機床加工的要求,其在刀具結構上必須同時滿足數控加工高效率自動化的要求,并具有專業化生產的特點。同時,專業化生產又根據專業性較強的不同機械加工工藝特征分類組織。歸納起來,數控刀具的結構具有以下特點:
1)機夾可轉位不重磨以及整體式刀具結構為主流。機夾可轉位刀具結構是數控刀具的主選結構方案,幾乎所有加工工藝用刀具均可見到機夾式刀具的身影,如機夾式車刀、機夾式銑刀、機夾式孔加工刀具(如鉆、鏜、鉸削刀具等),甚至螺紋加工刀具如機夾式螺紋銑刀等,可以說機夾式刀具結構是數控刀具結構的重中之重。
機夾可轉位刀具結構,其刀桿與刀片分開制造,且基本是由專業化刀具廠家生產,其不僅可降低刀具成本,更主要的是加工精度的提高和刀片切削性能的穩定,應用機夾可轉位刀具,當刀具磨損后,可通過刀片轉位迅速地轉為新的切削刃,即使全部切削刃磨損后,也可迅速更換新的刀片,轉位或更換刀片后的刀位點位置變化極小,基本不需重新對刀,僅需在數控機床上調整刀具補償即可,極大地縮短了對刀調整時間。數控加工基本不再自己刃磨刀具(刀片),即使重磨,也交由刀具制造商進行。
但是,對于結構尺寸較小以及切削部分相對復雜的刀具,整體式刀具結構仍然在數控刀具體系中占有一席之地,如整體式立銑刀、麻花鉆、機用鉸刀、絲錐等。
數控加工中傳統的焊接式結構的刀具應用較少,傳統的以普通高速鋼材料制造為主的整體式刀具,已逐漸朝著粉末冶金高速鋼整體式刀具和整體式硬質合金刀具方向發展。
2)完善的工藝分類數控刀具。專業化生產的數控刀具常常按加工工藝進行分類,如數控車削刀具、數控銑削刀具、數控鏜削類刀具、孔加工類刀具以及刀柄與工具系統等。
3)刀具的結構相對復雜。如數控車削刀具廣泛采用機夾可轉位結構,其刀片不僅外形結構多樣,且前面的變化較大,同時刀桿(刀體)的結構也較傳統車刀更為復雜,特別是適應快換以及車削工具系統的刀具。數控銑削類刀具也是類似,其復雜性也是顯而易見的,以立銑刀為例,即使是平端面的整體式圓柱立銑刀,也常見端面切削刃過中心的結構,以適應數控刀具經常軸向進給加工的特點;為適應復雜曲面的銑削加工,圓角銑刀(又稱為圓鼻銑刀)和球頭銑刀也是數控銑削加工主流的刀具結構型式。鏜孔加工刀特別是可調鏜刀的結構復雜性是不言而喻的。機夾式面銑刀、三面刃銑刀等各種機夾式銑刀,其刀片與刀體的結構都是較為復雜的。數控刀具作為專業化生產的產物,即使結構有一定的復雜程度,但對于批量的專業化生產,其性價比仍然是較高的。
4)數控刀具必須具有盡可能長的刀具壽命。刀具材料對刀具壽命的影響極大,數控加工普遍采用硬質合金刀具材料,并大量地應用表面涂層技術。整體式復雜刀具雖然還廣泛應用高速鋼刀具材料,但更多地開始采用粉末冶金高速鋼材料來提高刀具壽命。近年來,整體式硬質合金材料的圓柱立銑刀大量出現,大大提高了刀具的壽命。為適應高速加工的特點,各種新型刀具材料(如 PCD、PCBN、陶瓷刀具材料等)被采用。
5)通用性刀具成為主選刀具。數控加工過程中,加工表面的形狀與位置變化較大,加工夾具的通用性要求刀具適應工件的變化,因此,數控銑刀的切削部分盡可能選用通用的圓柱、球頭與圓角(又稱為圓鼻)形狀,數控車刀很少采用成形切削刃刀具,基本為單刀尖的刀頭,通過軌跡控制適應曲面車削加工。復合式刀具結構應用不多
6)刀柄及刀具工具系統。刀柄是刀具與機床主軸過渡的橋梁,它一頭聯接著各種刀具而另一頭與機床主軸匹配相聯接,學習數控刀具必須掌握種刀柄錐柄的結構與標準,并掌握各種不同刀具的聯接固定方式。工具系統作為完善的刀具與機床聯接體系,數控加工工作者必須多加關注與研究,找到適會自身的應用方式。數控車削加工中刀具與機,床的聯接部分多稱為刀體。
或刀桿,隨著國內高檔數控車床、車削中心甚至車銑復合機床的不斷普及數控車削類刀具的刀桿及其工具系統必將被廣泛的應用。學習與選用刀柄刀桿以及工具系統必須多關注專業化廠家的刀具樣本以及相應的國內外標準。
總而言之,數控刀具的結構相對傳統加工的刀具結構而言,其結構還是復雜與多樣的。多涉獵知名的刀具制造商樣本、多閱讀相關的刀具標準、多觀察高檔先進的數控機床刀具聯接方式、多實踐、多體會與思考是學習數控刀具的好方法。