第二章數(shù)控機(jī)床刀具的選擇

第二章數(shù)控機(jī)床刀具的選擇2.1刀具材料及其選用

在金屬切削加工中，刀具材料的性能直接影響著生產(chǎn)效率、工件的加工精度和已加工表面質(zhì)量，刀具消耗和加工成本。2.1.1刀具材料應(yīng)具備的基本性能刀具材料應(yīng)具備的基本性能（3）較強(qiáng)的耐磨性和耐熱性（2）高強(qiáng)度與韌性刀具材料耐熱性是衡量刀具切削性能的主要標(biāo)志，通常用高溫下保持高硬度的性能來衡量，也稱熱硬性（1）高硬度（5）良好的工藝性與經(jīng)濟(jì)性（4）優(yōu)良的導(dǎo)熱性（1）高硬度刀具是從工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度應(yīng)在60HRC以上。對(duì)于碳素工具鋼材料，在室溫條件下硬度應(yīng)在62HRC以上；高速鋼硬度為63HRC～70HRC；硬質(zhì)合金刀具硬度為89HRC～93HRC。（2）足夠的強(qiáng)度與韌性刀具材料在切削時(shí)受到很大的切削力與沖擊力。如車削45鋼，在背吃刀量ap＝4㎜，進(jìn)給量f＝0.5㎜/r的條件下，刀片所承受的切削力達(dá)到4000N，可見，刀具材料必須具有較高的強(qiáng)度和較強(qiáng)的韌性。一般刀具材料的韌性用沖擊韌度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。（3）高耐磨性和耐熱性A、刀具耐磨性是刀具抵抗磨損能力。一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相組織中硬質(zhì)點(diǎn)（如碳化物、氮化物等）越多，顆粒越小，分布越均勻，則刀具耐磨性越好。B、刀具材料耐熱性是衡量刀具切削性能的主要標(biāo)志，通常用高溫下保持高硬度的性能來衡量，也稱熱硬性。刀具材料高溫硬度越高，則耐熱性越好，在高溫抗塑性變形能力、抗磨損能力越強(qiáng)。（4）良好的導(dǎo)熱性刀具導(dǎo)熱性好，表示切削產(chǎn)生的熱量容易傳導(dǎo)出去，降低了刀具切削部分溫度，減少刀具磨損。刀具材料導(dǎo)熱性好，其抗耐熱沖擊和抗熱裂紋性能也強(qiáng)。（5）良好的工藝性與經(jīng)濟(jì)性刀具不但要有良好的切削性能，本身還應(yīng)該易于制造，這要求刀具材料有較好的工藝性，如鍛造、熱處理、焊接、磨削、高溫塑性變形等功能。經(jīng)濟(jì)性也是刀具材料的重要指標(biāo)之一，選擇刀具時(shí)，要考慮經(jīng)濟(jì)效果，以降低生產(chǎn)成本（6）抗粘接性防止工件與刀具材料分子間在高溫高壓作用下互相吸附產(chǎn)生粘接。（7）化學(xué)穩(wěn)定性指刀具材料在高溫下，不易與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。數(shù)控刀具的材料高速鋼

鎢鈷類鎢鈦鈷類Mo系高速鋼W系高速鋼鎢鈦鉭（鈮）鈷類陶瓷

純氧化鋁類（白色陶瓷）

TiC添加類（黑色陶瓷）

立方碳化硼

聚晶金剛石

硬質(zhì)合金2.1.2刀具材料的種類及其選用1．高速鋼（HighSpeedSteel，HSS）（1）概念：高速鋼是一種含有鎢、鉬、鉻、釩等合金元素較多的工具鋼（2）性質(zhì)：①、高速鋼具有良好的熱穩(wěn)定性②、高速鋼具有較高強(qiáng)度和韌性③、高速鋼具有一定的硬度(63～70HRC)和耐磨性3）高速鋼的分類

①普通高速鋼

A、鎢系高速鋼（簡(jiǎn)稱

W18）優(yōu)點(diǎn)：鋼磨削性能和綜合性能好，通用性強(qiáng)。缺點(diǎn)：碳化物分布常不均勻，強(qiáng)度與韌性不夠強(qiáng)，熱塑性差，不宜制造成大截面刀具。

B、鎢鉬鋼（將一部分鎢用鉬代替所制成的鋼）優(yōu)點(diǎn)：減小了碳化物數(shù)量及分布的不均勻性。缺點(diǎn)：高溫切削性能和W18相比稍差。②高性能高速鋼優(yōu)點(diǎn)：具有較強(qiáng)的耐熱性，刀具耐用度是普通高速鋼的1.5～3倍。

缺點(diǎn)：強(qiáng)度與韌性較普通高速鋼低，高釩高速鋼磨削加工性差。適合加工的零件：奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工材料。

③粉末冶金高速鋼優(yōu)點(diǎn)：無碳化物偏析，提高鋼的強(qiáng)度、韌性和硬度，硬度值達(dá)69～70HRC；保證材料各向同性，減小熱處理內(nèi)應(yīng)力和變形；磨削加工性好，磨削效率比熔煉高速鋼提高2～3倍；耐磨性好。適于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滾刀和插齒刀），精密刀具和磨加工量大的復(fù)雜刀具。2．硬質(zhì)合金（CementedCarbide）（1）硬質(zhì)合金組成硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物和金屬粘結(jié)劑經(jīng)粉末冶金方法制成。（2）硬質(zhì)合金的性能特點(diǎn)硬質(zhì)合金優(yōu)點(diǎn)：硬質(zhì)合金中高熔點(diǎn)、高硬度碳化物含量高，熱熔性好,熱硬性好，切削速度高。硬質(zhì)合金缺點(diǎn)：脆性大，抗彎強(qiáng)度和抗沖擊韌性不強(qiáng)。抗彎強(qiáng)度只有高速鋼的1/3～1/2，沖擊韌性只有高速鋼的1/4～1/35。硬質(zhì)合金力學(xué)性能：主要由組成硬質(zhì)合金碳化物的種類、數(shù)量、粉末顆粒的粗細(xì)和粘化劑的含量決定（2）普通硬質(zhì)合金的種類、牌號(hào)及適用范圍按其化學(xué)成分的不同可分為：①、鎢鈷類（WC+Co）（合金代號(hào)為YG，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)K類）合金鈷含量越高，韌性越好，適于粗加工；鈷含量低，適于精加工。②、鎢鈦鈷類鎢鈦鈷類（WC+TiC+Co）（合金代號(hào)為YT，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)P類）此類合金有較高的硬度和耐熱性，主要用于加工切屑成呈片狀的鋼件等塑性材料。合金中TiC含量高，則耐磨性和耐熱性提高，但強(qiáng)度降低→粗加工一般選擇TiC含量少的牌號(hào)，精加工選擇TiC含量多的牌號(hào)。③、鎢鈦鉭（鈮）鈷類鎢鈦鉭（鈮）鈷類（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（合金代號(hào)為YW，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)M類）適用于加工冷硬鑄鐵、有色金屬及合金半精加工，也能用于高錳鋼、淬火鋼、合金鋼及耐熱合金鋼的半精加工和精加工。④、碳化鈦基類（WC+TiC+Ni+Mo）合金代號(hào)YN，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)P01類。用于精加工和半精加工，對(duì)于大長(zhǎng)零件且加工精度較高的零件尤其適合，但不適于有沖擊載荷的粗加工和低速切削。（2）新型硬質(zhì)合金超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金多用于YG類合金，它的硬度和耐磨性得到較大提高，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度也得到提高，已接近高速鋼。適合做小尺寸銑刀、鉆頭等，并可用于加工高硬度難加工材料。

涂層刀具（1）概念：涂層刀具是在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上或高速鋼刀具基體上，涂覆一層耐磨性較高的難熔金屬化合物而制成。（2）常用的涂層材料有：TiC、TiN、Al2O3等（3）涂層形式：可以采用單涂層和復(fù)合涂層（4）優(yōu)點(diǎn)：涂層刀具具有高的抗氧化性能和抗粘結(jié)性能，因此具有較高的耐磨性（5）適用范圍：主要用于車削、銑削等加工，由于成本較高，還不能完全取代未涂層刀具的使用。不適合受力大和沖擊大的粗加工，高硬材料的加工以及進(jìn)給量很小的精密切削。（3）新型刀具材料陶瓷刀具（Ceramics）（1）材料組成：主要由硬度和熔點(diǎn)都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物組成，另外還有少量的金屬碳化物、氧化物等添加劑，通過粉末冶金工藝方法制粉，再壓制燒結(jié)而成。（2）常用種類：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷（3）優(yōu)點(diǎn)：有很高的硬度和耐磨性，刀具壽命比硬質(zhì)合金高；具有很好的熱硬性，摩擦系數(shù)低，切削力比硬質(zhì)合金小，用該類刀具加工時(shí)能提高表面光潔度。（4）缺點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性差，熱導(dǎo)率低。陶瓷最大缺點(diǎn)是脆性大，抗沖擊性能很差。（5）適用范圍：高速精細(xì)加工硬材料。a.聚晶金剛石（PolyCrystallineDiamondPCD）（1）分類：天然金剛石刀具；人造聚晶金剛石刀具；復(fù)合聚晶金剛石刀具。（2）優(yōu)點(diǎn)：極高的硬度和耐磨性，人造金剛石硬度達(dá)10000HV，耐磨性是硬質(zhì)合金的60～80倍；切削刃鋒利，能實(shí)現(xiàn)超精密微量加工和鏡面加工；很高的導(dǎo)熱性。（3）缺點(diǎn)：耐熱性差，強(qiáng)度低，脆性大，對(duì)振動(dòng)很敏感。（4）適用范圍：用于高速條件下精細(xì)加工有色金屬及其合金和非金屬材料。超硬刀具材料b.立方氮化硼(CubicBoronNitride,CBN)（1）概念：立方氮化硼（簡(jiǎn)稱CBN）是由六方氮化硼為原料在高溫高壓下合成。（2）優(yōu)點(diǎn)：硬度高，硬度僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性好，較高的導(dǎo)熱性和較小的摩擦系數(shù)。（3）缺點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性較差，抗彎強(qiáng)度僅為陶瓷刀具的1/5～1/2。（4）適用范圍：適用于加工高硬度淬火鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金材料。它不宜加工塑性大的鋼件和鎳基合金，也不適合加工鋁合金和銅合金，通常采用負(fù)前角的高速切削。2.2數(shù)控機(jī)床刀具的種類及特點(diǎn)常見的刀具庫可裝20把刀的無臂式ATC刀具庫常見的刀具庫BT40盤式斗笠氣動(dòng)刀庫常見的刀具庫門笠式刀庫常見的刀具庫可裝60把刀的鏈條式刀具庫（1）刀柄刀柄是機(jī)床主軸和刀具之間的連接工具，是加工中心必備的輔具（2）工具系統(tǒng)

1.由于在數(shù)控機(jī)床上要加工多種工件，并完成工件上多道工序的加工，因此需要使用的刀具品種、規(guī)格和數(shù)量較多。2.為減少刀具的品種規(guī)格，有必要發(fā)展柔性制造系統(tǒng)和加工中心使用的工具系統(tǒng)車削類工具系統(tǒng)（整體式）目前我國(guó)的加工中心采用TSG整體式工具系統(tǒng)，其柄部有直柄（三種規(guī)格）和錐柄（四種規(guī)格）兩種，共包括16種不同用途的刀柄。車削類工具系統(tǒng)（整體式）整體式工具系統(tǒng)組成銑鏜類工具系統(tǒng)（模塊式）模塊式工具系統(tǒng)組成銑鏜類工具系統(tǒng)（模塊式）TMG21工具系統(tǒng)刀具，尤其是刀片的選擇是保證加工質(zhì)量提高加工效率的重要環(huán)節(jié)。

2.2.2數(shù)控機(jī)床刀具的特點(diǎn)要有高的切削效率要有高的精度和重復(fù)定位精度

要有高的可靠性和耐用度

實(shí)現(xiàn)刀具尺寸的預(yù)調(diào)和快速換刀具有完善的模塊式工具系統(tǒng)建立完備的刀具管理系統(tǒng)

要有在線監(jiān)控及尺寸補(bǔ)償系統(tǒng)

2.3可轉(zhuǎn)位刀片及其代碼2.3.1可轉(zhuǎn)位刀具的優(yōu)點(diǎn)刀具壽命長(zhǎng)原因：刀片避免了由焊接和刃磨高溫引起的缺陷。生產(chǎn)效率高原因：減少了換刀時(shí)間有利于推廣新技術(shù)、新工藝2.3.2可轉(zhuǎn)位刀片的代碼及其標(biāo)記方法國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1832—1985的可轉(zhuǎn)位刀片的代碼方法，是由十個(gè)字符串組成的，排列如下：刀片的幾何形狀及其夾角刀具的主切削刃后角刀片內(nèi)接圓D與厚度S的精度級(jí)別刀片形式、緊固方法或斷屑槽刀片邊長(zhǎng)、切削刃長(zhǎng)刀片厚度刀尖圓角半徑或主偏角或修光刃后角切削刃狀態(tài)，刀尖切削刃或倒棱切削刃進(jìn)刀方向或倒刃寬度廠商的補(bǔ)充符號(hào)或倒刃角度2.4數(shù)控刀具的選擇刀具的選擇是根據(jù)零件的材料種類、硬度、以及加工表面粗糙度要求和加工余量的已知條件來決定刀片的幾何結(jié)構(gòu)（如刀尖圓角）、進(jìn)合量、切削速度和刀片牌號(hào)。刀具的選擇是數(shù)控加工工藝中重要內(nèi)容之一。選擇刀具通常要考慮機(jī)床的加工能力、工序內(nèi)容、工件材料等因素。選取刀具時(shí)，要使刀具的尺寸和形狀相適應(yīng)。

刀具選擇應(yīng)考慮的主要因素有：

刀具選擇應(yīng)考慮的主要因素有：

如操作間斷時(shí)間、振動(dòng)、電力波動(dòng)或突然中斷等。

被加工工件的材料、性能如金屬、非金屬，其硬度、剛度、塑性、韌性及耐磨性等。加工工藝類別車削、鉆削、銑削、鏜削或粗加工、半精加工、精加工和超精加工等。加工工件信息工件的幾何形狀、加工余量、零件的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。刀具能承受的切削用量輔助因數(shù)切削用量三要素，包括主軸轉(zhuǎn)速、切削速度與切削深度。附錄資料：不需要的可以自行刪除2023/3/22甲醇合成工藝介紹一、課題的研究背景和意義甲醇是一種具有多種用途的基本有機(jī)化工產(chǎn)品，除了在化工方面的多種應(yīng)用外，它還可以作為清潔燃料在汽車中代替汽油或與汽油摻混使用，以甲醇為燃料的燃料電池也即將投入商業(yè)運(yùn)行。另外，甲醇在變壓吸附制氫中作為裂解原料也得到了初步利用。另一方面，用甲醇制取微生物蛋白(SCP)作為飼料乃至食品添加劑有著巨大的市場(chǎng)潛力。二、甲醇的合成方法及流程

（1）木材干餾法

在1924年以前，甲醇幾乎全部是用木材分解干餾來生產(chǎn)的。甲醇的世界產(chǎn)量當(dāng)時(shí)只有4500t。用60－100kg木材干餾只能獲得約1kg的甲醇，1m3白樺木只能制得5－6kg的甲醇，而1m3的針葉樹木只能得到2－3kg的甲醇。這種“森林化學(xué)”的甲醇含有丙酮和其他雜質(zhì)，要從甲醇中除去這些雜質(zhì)比較困難。由于甲醇的需要量與日俱增，木材干餾法不能滿足需要。因此人們開始采用化學(xué)合成的方法生產(chǎn)甲醇。（2）氣相合成甲醇法氣相合成甲醇的主要反應(yīng)式為：CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol①當(dāng)有CO2存在時(shí)，CO2按下列反應(yīng)生成甲醇：CO2+H2＝CO+H2O(g) △H=+41.3kJ/mol ②CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol ③上述②、③兩步的總反應(yīng)式為：CO2+3H2＝CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.5kJ/mol副反應(yīng)產(chǎn)物：成烴、高碳醇、醚、醛、酸、酯及單質(zhì)碳等；反應(yīng)特點(diǎn)：強(qiáng)放熱反應(yīng)；

以甲烷或者一氧化碳與氫氣的混合氣為原料氣合成甲醇的方法有高壓、中壓和低壓三種方法。高壓法：即用二氧化碳與氫在高溫（340－420℃）高壓（30.0－50.0MPa）下用鋅-鉻氧化物催化劑合成甲醇。用此法生產(chǎn)甲醇已有七十多年的歷史，這是八十年代以前世界各國(guó)生產(chǎn)甲醇的主要方法。高壓法合成甲醇由于操作壓力高，動(dòng)力消耗大，設(shè)備復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量差等缺點(diǎn)正在逐漸淘汰。2023/3/22高壓法(25MPa~32MPa）甲醇合成工藝流程低壓法：

即用一氧化碳與氫氣為原料在低壓（5.0MPa）和275℃左右的溫度下，采用銅基催化劑（Cu-Zn-Cr）合成甲醇。低壓法成功的關(guān)鍵是采用了銅基催化劑，它的活性和選擇性比鋅-鉻催化劑活性好得多，使甲醇合成反應(yīng)能在較低的壓力和溫度下進(jìn)行。因此，消耗在副反應(yīng)中原料氣和粗甲醇中的雜質(zhì)都比較少。低壓法合成工藝主要有英國(guó)帝國(guó)化學(xué)公司（ICI）和德國(guó)魯奇（Lurqi）的工藝

2023/3/22ICI法低壓甲醇合成工藝流程

工藝流程特點(diǎn)：相對(duì)低的溫度和壓力下操作，節(jié)省能耗，同時(shí)抑制甲烷化反應(yīng)及其他副反應(yīng)；采用多段冷激式合成塔，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，催化劑裝卸方便，使用壽命長(zhǎng)。

2023/3/22第二章液體燃料及其添加劑56ICI多段冷激型甲醇合成反應(yīng)器ICI多段冷激塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：反應(yīng)床層由若干絕熱段組成，兩段之間通入冷的原料氣，使反應(yīng)氣體冷卻，以使各段的溫度維持在一定值；塔體是空筒，塔內(nèi)無催化劑筐，催化劑不分層，由惰性材料支撐，冷激氣體噴管直接插入床層，并有特殊設(shè)計(jì)的菱形冷卻氣體分布器；優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)嗡僮髂芰Υ?，控溫方便，冷激采用菱形分布器專利技術(shù)，催化劑層上下貫通，裝卸方便，易于放大，目前普通塔的容量為2300t/d，高空隙率塔的容量達(dá)7600t/d；缺點(diǎn)：催化劑床層溫差較大（軸向：～70℃，徑向：～23℃）、有部分氣體與未反應(yīng)氣體之間的返混、催化劑時(shí)空產(chǎn)率不高，用量較大、單程轉(zhuǎn)化率較低（僅為15%～20%）。ICI多段冷激型甲醇合成反應(yīng)器

2023/3/22Lurgi法低壓甲醇合成工藝流程

2023/3/22第二章液體燃料及其添加劑58Lurgi管殼型甲醇合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：形似列管式換熱器，在塔內(nèi)，列管中裝填催化劑，管間為沸騰水；原料氣與出塔氣換熱至230℃左右進(jìn)入合成塔，反應(yīng)放出的熱經(jīng)管壁傳給管間的沸騰水，產(chǎn)生4MPa左右的飽和蒸汽，用來驅(qū)動(dòng)透平壓縮機(jī)。合成塔全系統(tǒng)的溫度條件用蒸汽壓來控制，從而保證催化劑床層大致為等溫。優(yōu)點(diǎn)：催化劑床層溫差較小、單程轉(zhuǎn)化率較高（可達(dá)50%）、催化劑使用壽命較長(zhǎng)（4年～5年）、熱能利用合理、設(shè)備緊湊，開停車方便，合成反應(yīng)過程中副反應(yīng)少，甲醇質(zhì)量高。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作較困難、材料要求高、放大較困難。經(jīng)典管殼塔的最大生產(chǎn)能力（經(jīng)濟(jì)型塔）為1500t/d。全世界現(xiàn)有Lurgi裝置37套，甲醇總生產(chǎn)能力達(dá)1600萬t/a以上。中壓法：

中壓法是在低壓法研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來的，由于低壓法操作壓力低，導(dǎo)致設(shè)備體積相當(dāng)龐大，不利于甲醇生產(chǎn)的大型化。因此發(fā)展了壓力為10MPa左右的甲醇中壓合成法。它能更有效的降低建廠費(fèi)用和甲醇生產(chǎn)成本。中壓法的操作壓力范圍為一般為10~27MPa，溫度為235~315℃。該法的關(guān)鍵在于使用了一種新型銅基催化劑（Cu-Zn-Al），綜合利用指標(biāo)要比低壓法更好。