刀具知识_刀具基本知识
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数控加工刀具的选择
2006年3月6日 08:07 中国刀具在线
刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：安装调整方便，刚性好，耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。
选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。
在进行自由曲面加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此，为保证加工精度，切削行距一般取得很能密，故球头常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀，因此，只要在保证不过切的前提下，无论是曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀。另外，刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意的是，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，则可以使整个加工成本大大降低。
在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀动作。因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具，迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围，以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。目前我国的加工中心采用TSG工具系统，其刀柄有直柄（三种规格）和锥柄（四种规格）两种，共包括16种不同用途的刀柄。
在经济型数控加工中，由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行，占用辅助时间较长，因此，必须合理安排刀具的排列顺序。一般应遵循以下原则：
尽量减少刀具数量；
一把刀具装夹后，应完成其所能进行的所有加工部位；
粗精加工的刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格的刀具；
先铣后钻；
先进行曲面精加工，后进行二维轮廓精加工；
在可能的情况下，应尽可能利用数控机床的自动换刀功能，以提高生产效率等。
一、模具新钢种——超硬型高速钢
研究和发展模具新钢种，是改善和提高模具钢的强韧性，延长模具的使用寿命的重要途径。我国模具工业在迅速发展，我国的材料工作者在借鉴国外先进技术的基础上结合本国资源情况和特点，引进和研制了不少新型模具钢。经过生产上的考核筛选，一些性能优异、工艺性能也比较好的钢种受到模具制造和使用单位的欢迎，使模具的使用寿命达到甚至超过国内外同类模具的水平，如北京钢铁学院与大冶钢厂研制的无Co超硬高速钢W12Cr4Mo3V3N(简称V3N)的各项性能优良，获中华人民共和国国家发明奖，中华人民共和国专利(91102252)，V3N模具性能比现用普通高速钢提高2～10倍，相当于国际市场现用含 10%Co的高速钢，已成功地推广应用在工模具生产中，可使寿命成倍增加。
二、V3N成分及性能特点
W12Cr4Mo3V3N(简称V3N)是钨-钼系含氮无钴超硬型高速钢，V3N的化学成分c:1.21%； W: 11.88%； Mo: 2.95%； Cr4.00%； V:2.87%； N: 0.075%.新型超硬高速钢V3N成分设计特点是：
高C： C对冷作模具钢的强韧性、耐磨性有决定性的影响。含碳量增加，则抗压强度及耐磨性增加。因此，抗冲击及高强韧冷作模具钢含碳量较高。
高V： V强烈细化晶粒，强烈提高耐磨性、红硬性及二次硬化能力。但含量过多会明显恶化可锻性及磨削性。含N：N可细化晶粒，又有析出强化的作用，且机械性能及焊接性能都较好。
主要技术性能：V3N钢具有硬度高、耐磨性好、高的红硬性和一定的韧性，在冷作模具钢上应用效果十分显著。该钢与含钴高速钢相比，价格低廉且易加工，通过适当的热处理，可得到高硬度(HRC67～70)、高红硬性(625℃4小时，HRC63～65)和高耐磨性，韧性和抗弯强度均不低于普通型高速钢，可克服模具刃口塌陷和崩裂等早期损坏。
三、V3N钢模具的加工工艺
模具热处理方法和加工工艺的选择同样要根据模具的工作条件、失效方式和对性能的不同要求来确定。应不断改善热处理设备，改进热处理工艺，使材料的强度、韧性得到最佳配合，并严格遵循热处理工艺，控制加热温度、时间、冷却速度，从而保证模具的使用性能。
1，锻造
V3N钢含有大量的一次碳化物和二次碳化物，若保留在淬火组织中，将急剧降低模具所有寿命。只有通过对原材料改锻，击碎碳化物，才能使其呈细小、均匀的形貌分布于钢基体，提高整体力学性能。
V3N钢导热性差，锻坯加热时应充分预热，始锻温度1170℃，终锻温度950℃，设备可采用250kg(小件)和400kg空气锤，开始采用轻锤快打，中间用重锤打，最后慢打轻打，锻后于石棉粉箱中缓冷取出后即进行退火处理。
2，锻后退火
可采用等温退火或普通860 oC退火4小时.机械加工
锻后硬度较高，采用等温或普通退火后，机加可顺利进行，淬火后因工硬度较高，故工件成型磨削难度较大，可采用镨铌刚玉加铬制作的砂轮进行磨削。
热处理工艺
V3N钢在1220～1230℃淬火时，由于存在未熔碳化物，硬度偏低，系淬火温度不足；在1260～1270℃淬火时，晶粒明显过大，系过热现象。选择1230～1240℃淬火加热温度既能使碳化物和合金元素充分溶解到奥氏体中去，又能保持较细晶粒(10～10级)。
V3N超硬高速钢模具部件采用1220～1230℃经550℃四次回火，硬度可控制在HRC64～67，具体可根据零件尺寸的大小从热处理工艺上进行调整，达到硬度和强度较理想的配合，V3N超硬型高速钢淬火后有较多残余奥氏体，据测定约为25%～30%，必须尽量消除减少，为此进行多次高温回火使之发生马氏体转变。进行4次高温回火后，大部分残余奥氏体发生了马氏体转变，产生二次硬化效应。V3N钢二次硬化效应温度比普通高速钢高30～40℃，这一特性十分宝贵，表明V3N钢有更高红硬性。
精加工后的深冷处理
经深冷处理后，由于残留奥氏体向马氏体转变以及超细碳化物的析出，模具零件硬度和耐磨性将进一步改善，耐磨性可提高40%，既缩短回火时间节省了能量，又明显提高了模具使用寿命。
高速钢模具深冷处理工艺过程为：模具除油污→放入保温罐中→少量多次注入液氮(196℃)→保温浸泡2.5h→取出模具迅速放入60～70℃热水中。
四、V3N钢在冷作模具的应用与效果
V3N超硬冷作模具寿命均比 Cr12MoV、Cr12等常用模具寿命提高3～5倍，比现用普通高速钢提高2～10倍，经济效益更为显著，V3N钢制模具性能相当于国际市场现用含10%Co的高速钢。
某厂硅钢片冲模原来都是采用CrWMn、Cr12MoV等铬钢制作的，但由于硅钢等硬面脆，故模具耗损量大，采用V3N钢制作模具，经济效果明显
五、结语
V3N超硬高速钢各项性能优良，适合加工冲裁模等冷作模具，寿命显著提高。
V3N钢热加工工艺较严格，1220～1230℃淬火，550℃4次1小时回火，精加工后再经深冷处理可获得高硬度、高耐磨性和良好的韧性配合，使用过程中还可定期对凹模进行去应力回火以延长寿命。
电火花加工机床自20世纪50年代在中国诞生以来，走过了漫长而快速的发展道路，技术日益先进，应用越来越广，目前已在中国模具工业中占有十分重要的地位，每年都有1万多台新的电火花加工机床进入模具制造领域。在模具型面加工中，电火花加工机床虽然受到高速铣削的严峻挑战，但由於其独特性能和技术的不断进步，电火花加工机床今后仍将在模具工业中发挥其独特的作用，并获得进一步的发展。20世纪50年代以前，中国模具制造基本是用手工工具配以一般通用机床进行。50年代后期，电加工工艺开始在模具制造中应用。从60年代初开始，两种电火花加工机床（电火花成形机床和电火花线切割机床）在模具制造中的应用不断发展，促进了模具制造技术的提高和模具工业的发展。随着电加工技术的不断发展，电加工在模具加工中所占比例逐步提高，电火花加工机床在模具工业的应用也越来越多。90年代开始，随着高速加工在模具制造中的应用逐步发展，电加工机床的地位受到了挑战。但直到目前，电加工在模具制造仍旧起着极其重要的作用
历史回顾
中国第一台电火花加工机床诞生於1954年。1958年研制成功的DM5540型电脉冲机床具有效率高、电极损耗小的优点，从而开始了电加工机床进入以模具加工为主的时期。“钢打钢”电加工工艺的研究成功解决了电极与冲头的配合问题，这使电加工机床在模具（特别是冲压模具）加工中得到进一步推广应用。1965年出现的晶体管脉冲电源的冲D6140电火花成形机床拓宽了电加工在型腔模具加工中的应用。可控硅电源和晶体管电源的电加工机床，在70年代得到较大的发展，它们与不断完善的平动头相结合，使型腔模电火花平动工艺日趋成熟，促进了型腔模电火花加工的新发展。
电火花线切割机床从60年代起得到迅速发展。1964年中国开发了光电跟踪电火花线切割机床和快速走丝电火花线切割机床。1969年出现快速走丝数控电火花线切割机床。
随着数控技术的发展，80年代电火花机床有了新的突破，陆续出现了一些高性能的数控电火花加工机床。80年代中国还自行开发了场效应管脉冲电源、数控平动装置及工艺技术和低速走丝线切割技术，使中国的数控电火花加工得到迅速发展。随着中外合资企业生产电火花加工机床和引进数控电火花加工技术及机床，电火花加工机床在中国模具工业中的应用越来越多，作用也越来越重要。中国90年代生产的HCX250、DK76、CC100、DK7632等数控低速走丝线切割机床对冲压模具加工来说，不论从工艺、技术、功能、加工精度、效率，表面质量及对超硬材料的加工性能等方面都有很大提高。S205TNC、HCD400K、GW7452、SC110、SF310、B50等一系列性能价格比极具竞争力的数控电火花成形机床的出现，使中国的电火花成形机床在模具工业的应用，更展示了它们的多功能、高精度、稳定可靠、价格适中等优点。
目前概况
目前，电火花线切割加工的精度已达到2微米，最佳加工表面粗糙度可低於Ra0.3微米，这对诸如IC引线框架模等精密模具的加工具有十分重要的意义。由於大锥度（已可达到±30度-40度有的甚至能作90度的切割)和大厚度（已有可切割1米厚度的机床）方面的技术进展，以及自动穿丝、自动定位等技术的进步，电火花切割加工在塑料和铝型材料挤出模及冲压模制造中充分发挥了它的优势。精密电火花线切割加工和研磨、抛光相结合的加工方式，在模具加工中正在不断发展。由於镜面电火花加工技术的发展，精密电火花成形机床在精密型腔模具加工方面，起着越来越重要的作用。有的电火花成形机的加工表面粗糙度可达Ra0.1微米。电加工虽然已受到高速铣削的严重挑战，但它仍旧有 广泛的前景。例如在模具的深窄小型腔、窄缝、沟糟、拐角、冒孔等加工方面，具有其他加工方法难以替代的作用。“电火花铣削加工”、“混粉加工”、“模糊控制”、“微细电火花加工”等技术的发展和直线电机及专家系统的应用，也使电火花加工机床继续保持良好的发展。数控高速电火花小孔加工机性能的不断提高使它的用途越来越广。
现在，电火花加工技术与模具制造已密不可分。一方面是电火花加工技术的发展，为模具工业的发展创造良好的条件，另一方面是模具工业的发展，向电火花加工提出了越来越高的要求，促使电火花加工技术的发展。两者相辅相成，相互促进，共同发展。近年来，中国模具行业每年新增加的电加工机床都在1万台以上，它们在模具工业中发挥着极其重要的作用。在现在的模具生产中，大约三分之一的加工工作是由电火花加工机床完成的。由此可见它们在模具工业中的重要作用。
前景展望
日益加剧的市场竞争要求模具制造周期越来越短，工业产品零件大型化和精度的不断提高要求模具日趋大型化和精密化。电火花加工技术亦要跟上这些要求。因此，快速、大型、精密、大厚度切割等都是电火花加工机床今后的发展方向。当然，不断提高电火花加工机床的可靠性、继续降低电极损耗、进一步简化操作、提高自动化程度及降低机床成本，仍旧是电火花加工机床的发展方向。高速铣削技术的发展促使电加工机床能加工更复杂、更精密及微细的型面和关键零件。
高速走丝线切割机床是中国独创的机床。它自60年代以来经过30多年的不断发展和完善，现已成为模具加工不可缺少的装备，也是中国模具生产企业中装备数量最多的电火花加工机床。目前它的切割速度有的已超过250mm²/min，加工精度达到±0.01mm，工件表面粗糙度为Ra1.25微米，因而可以在较低的价位上满足一般模具加工的需要。但随着模具制造的要求越来越高和面对低速走丝线切割机床的高性能，它就面临相当严峻的形势。今后高速走丝切割机床的发展策略应该是扬长避短，以发展中低档机床为主，使机床向适当的加工精度、良好的加工稳定性和容易操作及优良的性能价格比的方向发展。为此，高速走丝线切割机床应在基於PC的开放式数控系统方面、数字自适应脉冲电源、加工参数的优化及自动选取、人工智能技术的运用、机床整体结构的改进、螺距误差与间隙补偿技术的运用、多次切割工艺的应用进行研究，以及计算机软件的不断改进来提高机床的整体加工性能。
目前低速走丝电火花线切割机床和电火花成形机床的进口量很大，特别是数控电火花加工机床，中国机床市场占有率较低。对比国内外产品，中国设备与国外先进设备之间确实存在较大差距。根据中国模具工业发展情况和国内外主要电加工机床生产企业状况，展望未来，首要将发展重点放在中低档普及型数控电加工机床上。这一方面是因为大量的个体经营及股份制模具生产企业正大量需要，另一方面，这是中国电加工机床生产企业力所能及并占有一定优势。为了保证机床的稳定可靠，一些关键部件和元器件可采用高质量的国外产品。为了提高数控电火花加工机床的工艺水平，今后在脉冲电源（例如节能型无电阻电源、毫微秒级高峰值电流电源、微细加工电源、新型等能量脉冲电源、超精加工电源、专用辅助电源等）及电源波形检测、处理、控制技术等方面，在包括稳定性技术、适应控制技术、能量控制技术、各类加工工艺技术、检测技术等综合技术的专家系统方面，在刚度、热平衡、主轴头等的设计、个性化、集成化及造型和外观设计方面，在工作液的改进及其环保处理方面，在走丝系统和穿丝技术的改进方面等，都应加强研究和开发，以求不断进步。
细微电火花加工和电火花高速精微小孔加工机床以其独特的优越性而呈现广阔的应用前景，在今后的模具加工中的作用将逐渐增大。微进给机构和电火花微细加工伺服系统及微型传感器的研制、细小电极的制作、微小型电火花加工状态检测等，都是发展细微电火花加工的关键。中国生产的D703型数控高速电火花小孔加工机床的工艺指标已达到国际先进水平，加工的小孔深径比已超过1000:1，可加工不锈钢、硬质合金、铜、铝等各种导电难加工材料，可从斜面和曲面穿入，直接使用自来水工作液等特点，最高加工速度可达60mm/min。DS703、SP200、SD1等高速电火花小孔加工机床也都具有良好的加工性能，很具发展前景。
模具技术的发展使型面更加复杂，微细型腔更多，而且随着对模具寿命要求的不断提高，模具材料随之更硬。对此，电火花加工机床有其独特的优越性。
随着环保要求的提高和绿色制造战略的提出，绿色电火花加工的概念已被提上议事日程，并且已被提到电火花加工的可持续战略的高度。绿色电火花加工主要包括高效节能脉冲电源、提高脉冲电源的电磁兼容性和“三废”处理及防火防爆等内容。展望未来，中国在绿色电火花加工方面必须有突破，才能使电火花加工机床获得可持续发展并适应加入WTO后的新形势。
综上所述，电火花加工机床不但在过去和现在在模具工业中的应用十分广泛，而且今后也必将发挥其重要作用。
