超硬材料刀具在机械加工中的应用分析[5篇范文]

第一篇：超硬材料刀具在机械加工中的应用分析

超硬材料刀具在机械加工中的应用分析

（湖北航特科技有限责任公司 湖北 荆门？448000）

摘 要： 随着机械加工行业的不断发展，其使用刀具材料的性能和强度也受到了相关行业者的关注，机械加工工作中刀具应该具备较强的硬度和韧性，因此超硬材料刀具逐渐被普及，文章将会从超硬材料刀具在机械加工中的应用进行分析，为我国机械加工行业的发展提供理论基础。

关键词： 超硬材料；刀具；机械加工；应用分析

超硬材料的刀具在机械加工中的应用和普及，为我国机械加工行业的发展做出了有效的推进，因此开展超硬材料刀具的实践研究可以为机械加工工作的质量和效率做出基本的保障。超硬材料刀具的理想成分是金刚石系列的材料，包括人造金刚石、天然金刚石以及立方氮化硼等，由于天然金刚石价格上的劣势，很多机械加工厂家为降低刀具生产成本会使用其他材料与金刚石相结合的方式制成复合型超硬材料的机械加工刀具。该技术源自美国，最初的研究是将氮化硼的微粒和金刚石的微粒相结合，经过高温高压处理合成了硬度较大的复合型刀具材料。经过十几年的发展，超硬材料刀具也有了更加广泛的材料来源，因此硬度和韧性也有了明显的提升，文章会从多种应用环境分析超硬材料刀具在现代化科技中的发展情况，同时对其在实际机械加工中产生的效果做出探讨。

1金刚石材质超硬材料刀具在机械加工中的应用

金刚石因其硬度的优势在我国机械加工中常常被应用在非铁族金属以及其它难以被加工材料的制造过程中，例如玻璃、石材、水泥、陶瓷、合金、水泥制品或者是硬质合金等等。据调查显示，金刚石材质的磨料以及超硬材料刀具在机械加工中的应用数量仅为整体的十分之一，主要用于磨削和车削加工，其种类有铣刀、车刀、镗刀等，大部分都是用在汽车和非机动车领域，还有一部分使用在家电、燃气以及其他机械加工行业中。

金刚石刀具在汽车和非机动车行业中主要作用与加工发动机活塞中的销孔、变速箱、气缸、裙部以及化油器等位置，这些位置普遍的特征就是硅含量较高，而且生产的方式属于流水线作业，因此会对加工其产品的刀具有着较高的要求，普通的硬质刀具很难达到该生产线的标准，而金刚石特有的韧性是其他硬质材料的十倍到五十倍以上，因此可以有效的提高机械加工的速度和质量，让机械零件加工的质量和效率得到显著的提高，同时还能让工件表面处理的工序得到有效的保障。

天然金??石的价格昂贵，因此很多厂家都根据金刚石的结构特点研制出了一系列的仿制材料代替天然金刚石，其中一种叫做金刚石烧结体，又称为人造聚晶金刚石，是通过高温高压的环境将不同种类金属结合剂与金刚石的单晶粉混合处理，形成了硬度较高的多晶体类金刚石材料。虽然比不上天然金刚石的硬度和耐磨性质，但是寿命和强度也高出其他硬质材料数十倍，因此已经成为了天然金刚石的主要替代品。

2立方氮化硼材质超硬材料刀具在机械加工中的应用

立方氮化硼自从二十世纪八十年代以来，就已经在全世界的汽车、机床、军事、航天、轴承等领域普及并应用，而且近几年还有继续扩大渗透领域的趋势。立方氮化硼具有生产效率高和自动化便捷等特点，因此被誉为是半永久性的机械加工工具材料。我国针对立方氮化硼的研究开始于二十世纪七十年代，通过使用转子槽、凸轮轴、油泵油嘴、滚珠丝杠、机床导轨等其他难以加工和处理的工序开展大量的实验和研究工作，并取得了较好的成果和应用经验。目前我国的立方氮化硼的规格和市场已经渐渐成熟，甚至某些加工成品的质量已经超过了国际先进技术。一部分先进企业开始使用陶瓷结合剂处理后的立方氮化硼在机械加工中应用和实践，对工件产品的质量和效果做出了优化。

立方氮化硼材质超硬刀具最大的特色是可以处理车削硬度大于45HRC的零件，立方氮化硼和铁族材质不会产生亲和性，因此可以将立方氮化硼作用在轴承钢、高速钢以及工具钢的加工和切削过程中，用车切的方式代替磨具，最大程度的提高机械加工的质量和效率。除此之外，立方氮化硼还具有很强的耐高温性质，在一千摄氏度的环境下也能保持好较为优质的硬度优势，性能上也比其他硬质材料稳定。例如在立方氮化硼材质的刀具加工炼钢炉进料外壳的封闭部位时，该工件的直径为1000mm左右，硬度大于55HRC，采用较为普通的硬质材料加工往往需要一个小时以上，使用立方氮化硼就仅仅需要七分钟左右，极大的提高了机械加工中的效率，同时还能保障工件表面处理粗糙率的减低，加强了工件的使用性能。使用立方氮化硼加工水泵辐板时，辐板的硬度一般为60HRC以上，使用一般材质的硬质材料刀具处理一块辐板需要三把合金刀具，而使用立方氮化硼处理时三块辐板只用一把立方氮化硼材质的刀具，不仅能为工件的生产速率做出保障，还能有效的延长刀具的使用寿命，稳定机械加工企业的经济效益。

结束语：

综上所述，超硬材料刀具在机械加工行业中的发展前景十分广阔，而且科研和生产的普及范围也愈来愈广，可以看出不同结构的超硬材料可以在不同的机械加工领域应用，因此技术人员需要根据工件的特点选择最适合进行切削的刀具材质，同时加强对超硬材料刀具的研发速度，提高我国在机械加工领域的自主知识产权，缩短和国际加工材料之间的距离。

第二篇：整理的关于各种机械加工领域刀具及材料

品质：加工精度、效率、使用寿命、稳定性

物（原材料、设备、检测、工艺技术等）人（熟练程度、营销等）———管理

贴近市场的快速反应能力，全套的解决方案，永远给客户更多的选择，提供更多的附加价值。以行业应用为重点，努力提高客户的满意度和忠诚度。

金刚石的优异性能与对应的效果

普通材料尤其是硬纸合金材料与超硬材料的对比，超硬中材料的对比

刀具的加工应用术语及含义

供方依赖

瑞典山特维克：可乐满（Coromant）万耐特(Valenite)山高（Seco）蒂泰克斯(Titex)瓦尔特(Walter)斗马(DORMER)等

美国肯纳：Widia、Hetrel（德国）、Hannita(以色列)

德国蓝帜（Leitz）、KOMET、MAPAL、钴领（Guehring）、雄克、海默等

以色列伊斯卡（ISCAR）瓦格丝（Vargus）

日本住友，三菱、OSG、黛杰工业（DIJET）、京瓷、不二越NACHI、日立、东芝等

韩国特固克（被以色列收了）韩国冶金（KORLOY）、韩国多仁精工（DINE）(住友控股)、韩国养志园（YG—1）

航空航天：不锈钢、高温合金（Fe基、Ni基和Co基三种）以及铝镁合金钛合金是主要材料 加工精度高，材料难加工 切削性能很差：变形抗力大 加工硬化大 加工温度高肯纳 汽车工业：铸铁是交通行业用于发动机箱体及其他主要零件的材料，灰口铸铁--球铸铁（非常耐磨受珠光体含量的影响）山高行业加工特点一是大批量。流水线生产，二是加工条件相对比较固定，通常强制统一换刀，对刀具的加工效率和使用寿命稳定性提出非常苛刻的要求

在航空航天和汽车行业中，使用CBN和金刚石烧结体（PCD）等超硬材料刀具是解决问题的根本，也是未来金属切削朝着高速高效高耐用和干切削发展的大方向，在这方面，住友电工处于领先地位。其单晶金刚石是世界上最先成功地用于工业化的大颗粒、高纯度的金刚石单晶体。

模具制造主要是汽车加工模具、家电模具、建材模具、电子通讯产品模具等

电子工业等

刀具材料：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢），硬质合金，超硬刀具材料（包括陶瓷，金刚石及立方氮化硼等）

代理：上海联创、北京金万众、上海兴合等

国内：株洲、成量、哈一工、哈尔滨工量数控刀具有限公司、成都英格、成都量具刃具厂、上海机床附件一厂、东风汽车公司工具厂等

刀具管理：就是将某个工厂的刀具外包到一个公司整体管理，以适应各种各样的刀具需要，全面提供包括刀具采购、库存管理、修磨、清洁调整、配送等成套的服务。以减少初期投入，减少管理成本，使企业将精力放在自己的核心竞争力上。

在超精密加工中，保证加工表面质量的主要因素除了高精度的机床、超稳定的加工环境外，高质量的刀具也是很重要的一个方面。天然金刚石具有硬度高、耐磨性好、强度高、导热性

好、与有色金属摩擦系数低、抗黏结性好以及优良的抗腐蚀性和化学稳定性，可以磨出极其锋利的刀刃，被认为是最理想的超精密切削用刀具材料，在机械加工领域尤其是超精密加工

领域有着重要地位并得到广泛应用。

加工方法

二十世纪七十年代后期，在激光核融合技术的研究中，需要大量加工高精度软质金属反工方法，不仅加工时间长、费用高、操作难度大，而且不易达到要求的精度。因此，亟需开发新的加工方法。在现实需求的推动下，单晶金刚石超精密切削技术得以迅速发展。

优势

由于单晶金刚石本身的物理特性，切削时不易黏刀及产生积屑瘤，加工表面质量好，加工有色金属时，表面粗糙度可达Rz0.1～0.05μm。金刚石还能有效地加工非铁金属材料和非复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨木材(尤其是实心木和胶合板、MDF等复合材料)。

金刚石晶体属于平面立方晶系，由于每个晶面上原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之间距离的不同，造成天然金刚石晶体的各向异性，因此金刚石不仅各晶面表现的物理机械性能不同、其制造难易程度和使用寿命都不相同，各晶面的微观破损强度也有明显差别。通常应根据刀具的要求来进行单晶金刚石刀具的晶面选择。一般来说，如果要求金刚石刀具获得最高的强度，应选用(100)晶面作为刀具的前、后刀面；如果要求金刚石刀具抗机械磨损，则选用(110)晶面作为刀具的前、后刀面；如果要求金刚石刀具抗化学磨损，则宜采用(110)晶面作刀具的前刀面，(100)晶面作后刀面，或者前、后刀面都采用(100)晶面。这些要求都需要借助晶体定向技术来实现。

目前，晶体定向主要有三种方法：人工目测晶体定向、激光晶体定向和X射线晶体定向。

金刚石刀具的晶向选择

金刚石各向异性，因此不但各晶面的硬度、耐磨性不同，就是同一晶面不同方向的耐磨性也不同。如果晶向选择不当，即使晶面选择正确，刃磨效率也会大大降低。同时由于金刚石晶体的抗压强度比抗拉强度大5～7倍，所以在刃磨过程中要选择晶面的易磨方向，同时刃口要迎着刃磨砂轮线速度的正方向(即采取逆磨)，以保证刃磨效率并减小刃口的微观解理程度。

金刚石刀具的磨、破损

金刚石刀具的磨损机理比较复杂，可分为宏观磨损和微观磨损，前者以机械磨损为主，后者以热化学磨损为主。常见的金刚石刀具磨破损形态为前刀面磨损、后刀面磨损和刃口崩裂。在单晶金刚石刀具刃磨过程中，需要其磨损以刃磨出满足要求的刀具，但若产生了不需要的磨损就可能损伤已经刃磨好的前、后刀面。而刃口崩裂(即崩刃)是在刃口上的应力超过金刚石刀具的局部承受能力时发生的，一般是由金刚石晶体沿(111)晶面的微观解理破损造成的。在超精密加工中，金刚石刀具的切削刃钝圆半径比较小，其本身又属于硬脆材料，同时由于其各向异性且(111)面易发生解理，随着振动和砂轮砂粒对刀具刃口的冲击作用，故常常会伴随产生崩刃现象。

第三篇：数控车床加工中刀具补偿的应用

刀具半径补偿在数控车削中的应用 摘要：

全面介绍了数控车床加工过程中的刀具补偿，并且对数控车床不具备刀具半径补偿功能时的刀具补偿计算方法进行了阐述。数控车削刀具半径补偿是数控系统中的重要功能, 正确地使用该功能, 在数控车削加工实践中能起到保证产品质量和提高生产效率的作用。通过刀具半径补偿的矢量分析和应用, 介绍刀具半径补偿在数控车削编程加工中的正确使用方法。关键词：数控车床；加工；刀具补偿 Abstract:

A comprehensive introduction of CNC lathe machining process, and the blade compensating for CNC lathe tool radius compensation function does not have the blade compensating calculation method is discussed in this paper.The numerical control turning tool radius compensation is the important function of CNC system, correctly use the function, in the numerical control turning processing practice can play to ensure the product quality and improve production efficiency.Through the compensation for the tool radius vector analysis and application is introduced, and the tool radius compensation in the numerical control turning processing the correct use of programming method.Keywords: CNC lathe, Processing;Blade compensating

前言

数控车床通常连续实行各种切削加工，刀架在换刀时前一刀具刀尖位置和新换的刀具位置之间会产生差异，刀具安装也存在误差、刀具磨损和刀尖圆弧半径等误差，若不利用刀具补偿功能予以补偿，就切削不出符合图样要求形状的零件。此外，合理利用刀具补偿还可以简化编程。数控车床的刀具补偿可分为两类，即刀具位置补偿和刀具半径补偿。在车削过程中，刀尖圆弧半径中心与编程轨迹会偏移一个刀尖圆弧半径值r,用指令补偿因刀尖半径引起的偏差的这种偏置功能，称为刀具半径补偿。

具有补偿功能的数控车，编程时，不用计算刀尖半径中心轨迹，只要按工件轮廓编程即可(按照加工图上的尺寸编写程序)；在执行刀具半径补偿时，刀具会自动偏移一个刀具半径值；当刀具磨损，刀尖半径变小；刀具更换，刀尖半径变大时，只需更改输入刀具半径的补偿值，不需修改程序。补偿值可通过手动输入方式，从控制面板输入，数控系统自动计算出刀具半径中心运动轨迹。

第一章 刀具半径补偿的简介

一.刀具半径补偿

1.刀具半径补偿的概念

正像使用了刀具长度补偿在编程时基本上不用考虑刀具的长度一样，因为有了刀具半径补偿，我们在编程时可以不要考虑太多刀具的直径大小了。刀长补偿对所有的刀具都适用，而刀具半径补偿则一般只用于铣刀类刀具。当铣刀加工工件的外或内轮廓时，就用得上刀具半径补偿，当用端面铣刀加工工件的端面时则只需刀具长度补偿。因为刀具半径补偿是一个比较难以理解和使用的一个指令，所以在编程中很多人不愿使用它。但是我们一旦理解和掌握了它，使用起来对我们的编程和加工将带来很大的方便。当编程者准备编一个用铣刀加工一个工件的外形的程序时，首先要根据工件的外形尺寸和刀具的半径进行细致的计算坐标值来明确刀具中心所走的路线。此时所用的刀具半径只是这把铣刀的半径值，当辛辛苦苦编完程序后发现这把铣刀不太适合要换用其他直径的刀具，编程员就要不辞辛劳地重新计算刀具中心所走的路线的坐标值。这对于一个简单的工件问题不太大，对于外形复杂的模具来说重新计算简直是太困难了。一个工件的外形加工分粗加工和精加工，这样粗加工程序编好后也就是完成了粗加工。因为经过粗加工，工件外形尺寸发生了变化，接下来又要计算精加工的刀具中心坐标值，工作量就更大了。此时，如果用了刀具半径补偿，这些麻烦都迎刃而解了。我们可以忽略刀具半径，而根据工件尺寸进行编程，然后把刀具半径作为半径补偿放在半径补偿寄存器里。临时更换铣刀也好、进行粗精加工也好，我们只需更改刀具半径补偿值，就可以控制工件外形尺寸的大小了，对程序基本不用作一点修改。2.刀具半径补偿的使用

刀具半径补偿的使用是通过指令G41、G42来执行的。补偿有两个方向，即沿刀具切削进给方向垂直方向的左面和右面进行补偿，符合左右手定则;G41是左补偿，符合左手定则;G42是右补偿，符合右手定则，如图3所示。图3刀具半径补偿使用的左右手定则在使用G41、G42进行半径补偿时，应特别注意使补偿有效的刀具移动方向与坐标。刀具半径补偿的起刀位置很重要，如果使用不当刀具所加工的路径容易出错，如图4所示。图4刀具半径补偿的起刀位置如果使G42补偿有效的过程为刀具从位置1到2，则铣刀将切出一个斜面如图4中所示的A-B斜面。正确的走刀应该是在刀具没有切削工件之前让半径补偿有效，然后进行正常的切削。如图4所示，先让铣刀在从位置1移动到位置3的过程中使补偿有效，然后从位置3切削到位置2继续以下的切削，则不会出现A-B斜面。因此，在使用G41、G42进行半径补偿时应采取以下步骤：☆设置刀具半径补偿值;☆让刀具移动来使补偿有效(此时不能切削工件);☆正确地取消半径补偿(此时也不能切削工件)。记住，在切削完成而刀具补偿结束时，一定要用G40使补偿无效。G40的使用同样遇到和使补偿有效相同的问题，一定要等刀具完全切削完毕并安全地推出工件以后才能执行G40命令来取消补偿。

二．刀具半径补偿的方法

把实际的刀具半径存放在一个可编程刀具半径偏置寄存器中D ##；(可编程刀具半径偏置寄存器号。)假设刀具的半径为零，直接根据零件的轮廓形状进行编程;CNC系统将该编号(寄存器号)对应的刀具半径偏置寄存器中存放的刀具半径取出，对刀具中心轨迹进行补偿计算，生成实际的刀具中心运动轨迹。2.刀具半径补偿指令

a)刀具半径左补偿 b)刀具半径右补偿

刀具半径补偿分为：

(1)刀具半径左补偿：用G41定义，刀具位于工件左侧；(2)刀具半径右补偿：用G42定义，刀具位于工件右侧；(3)取消刀具半径补偿：G40。

(4)刀具半径偏置寄存器号：用非零的D## 代码选择；

对于车削数控加工，由于车刀的刀尖通常是一段半径很小的圆弧，车床而假设的刀尖点(一般是通过对刀仪测量出来的)并不是刀刃圆弧上的一点。因此，加工中心在车削锥面、倒角或圆弧时，可能会造成切削加工不足(不到位)或切削过量(过切)的现象。切削锥面时因切削加工不足而产生的加工误差。

因此，当使用车刀来切削加工锥面时，必须将假设的刀尖点的路径作适当的修正，使之切削加工出来的工件能获得正确的尺寸，这种修正方法称为刀尖半径补偿(ToolNoseRadiusCompensation，简称TNRC)。

(1)车刀形状和位置 车刀形状和位置是多种多样的，车床形状还决定刀尖圆弧在什么位置。此车刀形状和位置亦必须输入计算机中。

车刀形状和位置共有九种。车刀的形状和位置分别用参数T1—W输入到刀具数据库中。典型的车刀形状、位置与参数的关系。(2)刀尖半径和位置的输入 刀具数据库(TOOL DATA)数据项目。加工中心X、Z为刀具位置补偿值(mm)(车床r值不用)；R为刀尖半径(mm)：T为刀尖位置代码。如果在程序中输入下面指令GOO G42 X100．0 Z3．0 TOl01；那么数控装置按照01刀具补偿栏内X、Z、及、了的数值自动修正刀具的安装误差(执行刀位补偿)，车床还自动计算刀尖圆弧半径补偿量，把刀尖移动到正确的位置上。(3)刀具半径的左右补偿

1)C,41刀具左补偿。顺着刀具运动方向看，刀具在工件的左边，称为刀具左补偿，用C,41代码编程。

2)C,42刀具右补偿。顺着刀具运动方向看，刀具在工件的右边，称为刀具右补偿，用C．42代码编程。

3)C．40取消刀具左、右补偿。车床如需要取消刀具左、右补偿，可编人C-40代码。这时，车刀轨迹按理论刀尖轨迹运动。(4)刀具补偿的编程方法及其作用 加工中心如果根据机床初始状态编程(即无刀尖半径补偿)，车刀按理论刀尖轨迹移动，产生表面形状误差6。

如程序段中编人G42指令，车刀按车刀圆弧中心轨迹移动，无表面形状误差。可看出当编人G42指令，到达户：点时，车刀多走一个刀尖半径距离。

(5)刀具半径补偿的编程规则 加工中心车床刀具补偿必须遵循以下规则：

1)G40、G41、G42只能用GOO、G01结合编程。车床不允许与G02、G03等其他指令结合编程，否则报警。

2)在编人G40、G41、G42的GOO与G01前后的两个程序段中，X、Z值至少有一个值变化。否则产生报警。

3)在调用新的刀具前，必须取消刀具补偿，否则产生报警。

二、刀具刀尖圆弧半径补偿 G40、G41、G42指令

数控程序是针对刀具上的某一点即刀位点进行编制的，车刀的刀位点为理想尖锐状态卜的假想刀尖A点或刀尖圆弧圆心O点（见图1 43）但实际加工中的车刀，由于工艺或其他要求，刀尖往往不是一理想尖锐点，而是一段圆弧。当切削加土时刀具切削点在刀尖圆弧上变动（见图1-44），造成实师切削点与刀位点之问的位置有偏差，故造成过切或少切（见图 1一44）。这种由于刀尖不是一理想尖锐点而是一段圆弧，造成的加工误差，可用刀尖半径补偿功能来消除。系统执行到含有T代码的程序段时，是否对刀共进行刀尖半径补偿，以及以何种力式补偿，由G代码中的G40、G41、G42决定。G40：取消刀尖半径补偿，刀尖运动轨迹与编程轨迹一致； G41：刀尖半径左补偿，洽进给方向，刀尖位置在编程轨迹左边时 G42：刀尖半径右补偿，错进给方向．刀尖位置在编程轨迹右边时。刀尖半径补偿G41/G42是在加工平面内，沿进给方向看，根据刀尖位置在编程轨迹左边／右侧判断来区分的。加工平而的判断，与观察方向即第而轴方向有关。图1一45（b）为CJK6032数控机床的刀尖半径补偿方向。

由于数控程序是针对刀具上的刀位点即A点或O点（见图1一43）进行编制的，因此对刀时使该点与程序中的起点重合。在没有刀具圆弧半径补偿功能时，按哪点编程，则该点按编程轨迹运动，产生过切或少切的大小和方向因刀尖圆弧方向及刀尖位置方向而异。当有刀具圆弧半径补偿功能时须定义上述参数，其中刀尖位置方向号从0至9有10个方向号。当按假想刀尖A点编程时，刀尖位置方向因安装方向不同、从刀尖圆弧中心到假想刀尖的方向，有8种刀尖位置方向号可供选择，并依次设为1一8号：当按刀尖圆弧中心O点编程时，刀尖位置方向则设定为O或9 号。该方向的判断也与第三轴有关，图1一46（b）所示的方向为CJK6032数控车床的刀尖安装方向。刀尖半径补偿的加入是执行G41或G42指令时完成的，当前面没有G41或G42 指今时，可以不用G40指令，而且直接写入G41或G42指令即可；发现前面为G41或 G42指令时，则先应指定G40指令取消前面的刀尖半径补偿后，在写入G41或G42指令，刀尖半径补偿的取消是在G41或G42指令后面，加G41指令完成。

注：1）当前面有G41、G42指令时，如要转换为G42、G41或结束半径补偿时应先指定G40。指令取消前面的刀尖半径补偿。2）程序结束时，必须清除刀补。

3）G41、G42、G40指令应在GOO或G01程厅段中加入。4）在补偿状态下，没有移动的程序段（M 指令、延时指令等），不能在连续2 个以上的程序段中指定，否则会过切或欠切。

5）在补偿启动段或补偿状态下不得指定移动距离为0的G00、G01等指令。

6）在G40刀尖圆弧半径补偿取消段，必须同时有X、Z两个轴方向的位移。

刀具补偿量的设定，是由操作者在CRT/MDI面板上用“刀补值”功能键，置人刀具补偿寄存器，共中对应梅个刀其补偿号，都有一组刀补值：刀尖圆弧半径R 和刀尖位置号T %1047N1 G92 X60 Z40 N2 T0101N3 G90 G01 G42 X30 Z37 F300 M03 N4 Z25N5 G02 X46 Z17 18 N6 G01 X50 N7 Z0 N8 X54 N9 G00 G40 X60 Z40 T0100 N10 M05 N11 M30 第二章 刀具位置补偿和刀具半径补偿 刀具位置补偿

加工过程中，若使用多把刀具，通常取刀架中心位置作为编程原点，即以刀架中心!为程序的起始点，如图1所示，而刀具实际移动轨迹由刀具位置补偿值控制。由图1（a）可见，刀具位置补偿包含刀具几何补偿值和磨损补偿值。

图1 刀具位置补偿

由于存在两种形式的偏移量，所以刀具位置补偿使用两种方法，一种方法是将几何补偿值和磨损补偿值分别设定存储单元存放补偿值，其格式为：

另一种方法是将几何偏移量和磨损偏移量合起来补偿，如图（b）所示，其格式为：

总补偿值存储单元编号有两个作用，一个作用是选择刀具号对应的补偿值，并执行刀具位置补偿功能；另一个作用是当存储单元编号00时可以取消位置补偿，例如T0100，表示消去+号刀具当前的补偿值。图2表示位置补偿的作用，图2中的实线是刀架中心A 点的编程轨迹线，虚线是执行位置补偿时A 点的实际轨迹线，实际轨迹的方位和X、Z轴的补偿值有关，其程序为： N010 G00 X10 Z-10 T0202； N020 G01 Z-30； N030 X20 Z-40 T0200；

图2 刀具位置补偿作用 数控车床系统刀具结构如图3所示，图3中P为假想刀尖，S为刀头圆弧圆心，r为刀头半径，A为刀架参考点。

图3 车刀结构

车床的控制点是刀架中心，所以刀具位置补偿始终需要。刀具位置补偿是用来实现刀尖圆弧中心轨迹与刀架参考点之间的转换，对应图3中A与S之间的转换，但是实际上我们不能直接测得这两个中心点之间的距离矢量，而只能测得假想刀尖!与刀架参考点$ 之间的距离。为了简便起见，不妨假设刀头半径r=0，这时可采用刀具长度测量装置测出假想刀尖点P相对于刀架参考点的坐标参数表中。

和，并存入刀具

式中：——— 假想刀尖P点坐标；

（X，Z）——— 刀架参考点A的坐标。至此很容易写出刀具位置补偿的计算公式为

式中假想刀尖P的坐标

实际上即为加工零件轨迹点坐标，可从数控加工程序中获得。此时，零件轮廓轨迹经式（2）补偿后，即能通过控制刀架参考点A来实现。

对于图3中r≠0的情况，在进行刀具位置补偿时，不但需要考虑到刀头圆弧半径的补偿，而且还要考虑到刀具的安装方式（具体见2.2）。2 刀具半径补偿

编制加工程序时，一般是将刀尖看作是一个点，然而实际上刀尖是有圆弧的，在切削内孔、外圆及端面时，刀尖圆弧不影响加工尺寸和形状，但在切削锥面和圆弧时，则会导致刀具的行走轨迹与编程轨迹不相吻合，而有一差值。图4表示圆弧刀尖有半径补偿和无半径补偿时的轨迹。从图中可以看出，采用假想刀尖P编程时，刀具圆弧中心轨迹如图4中双点划线所示，刀具实际加工轨迹和工件要求的轮廓形状存在误差，误差大小和圆弧半径r有关。若采用刀具圆弧中心编程并使用半径补偿功能时刀具圆弧中心的轨迹是图4中的细实线，加工轨迹和工件要求的轮廓相等。

图4 圆弧刀尖有半径补偿和无半径补偿时的轨迹

因为车刀的安装和几何形状较复杂，下面通过几个方面作进一步阐述。2.1 假想刀尖P的方位确定

假想车刀刀尖P相对圆弧中心的方位与刀具移动方向有关，它直接影响圆弧车刀补偿计算结果。图5是圆弧车刀假想刀尖方位及代码。从图中可以看出，刀尖P的方位有八种，分别用1~8八个数字代码表示，同时规定，刀尖取圆弧中心位置时，代码为0或9，可以理解为没有圆弧补偿。

图5 圆弧车刀假想刀尖方位及代码

2.2 圆弧半径补偿和位置补偿的关系

如果按照刀架中心A点作为编程起始点，不考虑圆弧半径补偿，则车刀在X轴和Z轴补偿值按照图1（b）所示方法确定。既要考虑车刀位置补偿，又要考虑圆弧半径补偿，此时车刀在X轴和Z轴的位置补偿值可以按照图6所示方法确定，而将刀具的圆弧半径r值放入相应的存储单元中，在加工时数控装置自动进行圆弧半径补偿。在刀具代码T中的补偿号对应的存储单元中，存放一组数据：X轴Z轴的长度补偿值，圆弧半径补偿值和假想刀尖方位（0~9）。操作时，可以将每一把刀具的四个数据分别输入刀具补偿号对应的存储单元中，即可实现自动补偿（表1）。

图6 圆弧车刀位置补偿 表1 刀具补偿值

2.3 圆弧半径自动补偿轨迹

刀具半径是否补偿以及采用何种方式补偿，是由G指令中的G40、G41、G42决定的：

G40———刀具半径补偿取消，即使用该指令后，使G41、G42指令无效。

G41———刀具半径左补偿，即沿刀具运动方向看，刀具位于工件左侧时的刀具半径补偿。

G42———刀具半径右补偿，即沿刀具运动方向看，刀具位于工件右侧时的刀具半径补偿。

图7是使用圆弧半径补偿时刀具补偿过程。图7中刀具补偿的程序格式为： G40__； 消除补偿；

G41__； 半径补偿起始程序段； __；

图7 刀具补偿过程

从图7可以看出，在起始程序段中，刀具在移动过程中逐渐加上补偿值。当起始程序段结束之后，刀具圆弧中心停留在程序设定坐标点的垂线上，距离是半径补偿值。

第三章 数控车床不具备刀具半径补偿功能时的刀具补偿计算

当数控车床没有刀具半径补偿功能时，用圆头车刀加工工件时，就要用计算的方法来求解刀具半径补偿量。一．按假想刀尖编程加工锥面

如图8所示，若假想刀尖沿工件轮廓AB移动，即

与AB重合，并按AB尺寸编程，则必然产生图8（a）中ABCD残留误差。因此按图8（b）所示，使车刀的切削点移至AB，并沿AB移动，从而可避免残留误差，但这时假想刀尖轨迹

与轮廓在Z方向相差了△z。

式中：r为刀具圆弧半径；θ为锥面斜角。因此可直接按假想刀尖轨迹以补偿△z即可。的坐标值编程，在x方向和z方向予

图8 车锥面刀补偿示意图

二． 按假想刀尖编程加工圆弧

当车削圆弧表面时，会出现如图9所示的情况。图9（a）为车削半径为R的凸圆弧，由于P的存在，则刀尖# 点所走的圆弧轨迹并不是工件所要求的圆弧形状。其圆心为“”，半径为“R+r”，此时编程人员仍按假想刀尖P点进行编程，不考虑刀尖圆弧半径的影响，但要求加工前应在刀补值上给Z向和X向分别加一个补偿量r。同理，在切削凹圆弧，如图9（b）时，则在X向和Z向分别减一个补偿量r。

图9 车圆弧刀补示意图

三．按刀尖圆弧中心轨迹编程

图10所示零件是由三段凸圆弧和凹圆弧构成的，这时可用虚线所示的三段等距线进行编程，即圆半径为圆半径为

圆半径为，三段圆弧的终点坐标由等距的切点关系求得。这种方法编程比较直观，常被采用。

图10 按刀尖圆弧中心编程 第四章 数控车削中刀具半径补偿的矢量

分析和应用 刀具半径补偿的矢量

刀具半径补偿计算的主要工作是根据刀具的方向矢量和半径矢量计算各种转接类型转接点的坐标值,即根据相邻编程轮廓段的起止点坐标值判断转接类型, 调用相应的计算程序计算出转接点坐标值。了解计算机软件关于刀具补偿转接点的坐标值计算, 对生产实践具有指导作用。为了正确地理解数控车削刀具半径补偿的过程,下面引入矢量的概念(数控车床的编程为G18平面,以上手刀为例)。(1)直线方向矢量: 指与运动方向一致的单位矢量, 用L d 表示。(2)圆弧方向矢量: 是指圆弧上某一动点的切线方向上的单位矢量, 用L d 表示。

(3)刀尖圆弧半径矢量: 是指垂直于编程轨迹且大小等于刀尖圆弧半径、方向指向刀尖圆弧中心的矢量, 用rd 表示。

根据以上的矢量描述, 数控系统能够正确判断各种转接类型并计算各转接点的坐标值。2 刀具半径补偿过程

刀具半径补偿是数控车床的重要功能之一。通常采用的对刀方法都是将刀尖作为刀位点, 然而在实际应用中, 为了提高刀具寿命和降低加工表面的粗糙度,一般将车刀刀尖磨成半径0.2～2 的圆弧, 这样按零件轮廓编程运行后, 实际起切削作用的是圆弧的各切削点, 这样势必会造成加工误差。消除由刀尖圆弧引起的加工误差必须进行刀尖圆弧半径自动补偿, 补偿参数包括刀尖半径R 值和刀尖方位T 值。将刀补参数输入数控系统之后, 刀具半径补偿的

方向要在执行G41(或G42)之后方可生效。刀具半径补偿的执行过程分为以下3 个步骤:(1)起动偏置: 从取消偏置方式变为偏置方式的程序段称为起动偏置程序段。在起动偏置的程序段进行刀具偏置的过渡运动, 在起动程序段的终点, 刀尖R 中心位于下个程序段起点, 并在与下个程序段垂直的位置上, 同时满足刀具方向矢量和半径矢量的条件。起动偏置的程序段必须是G00 或G01, 如图1 所示。

图1 起动偏置

(2)执行偏置: 在执行了G41(或G42)的程序段中, 刀位点发生了变化, 由理论刀尖偏移至刀尖R 中心, 而刀尖R 中心轨迹始终垂直于方向矢量且偏离编程轨迹一个刀尖圆弧半径矢量, 依靠刀尖圆弧外缘来加工零件轮廓。(3)取消偏置: 在执行偏置的方式中如果指令了G40, 则这个程序段被称为取消偏置程序段。取消偏置如图2 所示, 从图2 中可以看出, 在取消偏置程序段的前一个程序段, 刀尖不在该程序段的终点, 这个变化是由刀位点造成的, 生产实践中应特别注意, 取消偏置的程序段必须是G00 或G01。3 刀具半径补偿的应用

在数控车削加工中, 如果被加工零件的轮廓是正交面(柱面和端面)组成的, 则建立刀具半径补偿与否, 所加工的零件轮廓都是完全一致的, 这样很容易造成部分操作人员忽视了刀具半径补偿的应用。但在加工非正交面(弧面和锥面)轮廓时, 不进行刀具半径补偿就会发生过切和余切现象, 这样势必造成零件的不合格或报废。在实际应用中要注意以下几个方面的 问题:(1)加工小于刀尖半径的内圆弧时, 由于偏置的刀尖圆弧中心找不到正确的圆心轨迹将导致过切, 如图3 所示。

图2 取消偏置

图3 轮廓半径小于刀尖半径时产生过切(2)加工小于刀尖半径的台阶时, 由于台阶小于刀具半径, 因此在新旧矢量交替时, 偏置的刀尖圆弧中心将向编程的反方向移动, 产生过切, 如图4 所示。

(3)在执行刀补的程序段中, 如果有加工端面的轨迹时应特别注意, 因为有刀尖方位号, 要特别小心切削方向, 右刀补时, 只能允许偏刀从旋转中心往外切削, 否则会多切掉一个刀尖圆弧直径的量, 如图5 所示。

图4 台阶尺寸小于刀尖半径时产生过切

图5 加工端面的切削方向(4)同样在执行刀补的程序段中, 由于刀位号已经确定, 所以用正偏刀加工倒锥的轮廓时, 系统会产生过切报警。

(5)在取消偏置的程序段(G40)中, 刀具刀尖圆弧中心位于前一个程序段终点垂直的位置上, 可能将造成过切, 此时应指令I、K, 即: G40X(U)_ Z(W)_ I_K_。其中, I、K 为增量值, 且I 为半径值。这样指定以后, 刀尖圆弧中心就会从I、K 方向线与前一个程序段轮廓线的角平分线位置运动至终点。

(6)在执行偏置的程序段中, 通过调整刀尖圆弧半径的大小来控制加工余量和加工精度要优于磨耗中的调整, 特别是在非正交平面的余量控制和调整中, 因为在磨耗中X 轴和Z 轴是分别控制的, 而改变刀尖圆弧半径的大小则可以同时控制两个轴的余量, 如图6所示。

图6 在执行偏置中的加工余量控制__ 4 结束语

刀具补偿功能的作用主要在于简化程序，即按零件的轮廓尺寸编程。在加工前，操作者测量实际的刀具长度、半径和确定补偿正负号，作为刀具补偿参数输入数控系统，使得由于换刀或刀具磨损带来刀具尺寸参数变化时，虽照用原程序，却仍能加工出合乎尺寸要求的零件。此外，刀具补偿功能还可以满足编程和加工工艺的一些特殊要求。

实际生产中, 数控车削刀具半径补偿功能基本上应用在非柱面的精加工程序段。在起动偏置和取消偏置的程序段中, 同时要伴有刀具移动的指令, 否则程序轨迹可能会发生变化, 从而造成零件报废。同理, 在起动偏置和取消偏置的程序段中, 也应尽量避免切削工件。一个零件的加工程序不是唯一的, 但是, 正确使用刀具半径补偿是每一个编程员必备的基础知识。

致 谢

感谢我的老师，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

感谢我的老师，这片论文的每个实验细节和每个数据，都离不开你的细心指导。而你开开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快的融入我们这个新的环境.感谢这几年一起走过的同学和朋友，是你们的存在，我才不会那么孤单，多少个共同努力的日子，将会是一生中美好的回忆。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

参考文献

1许镇宇.机械零件.北京：高等教育出版社，1983；

2孔庆复.计算机辅助设计与制造.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994；

3雷宏.机械工程基础.哈尔滨：黑龙江出版社 2002； 4王中发.实用机械设计.北京：北京理工大学出版社 1998； 5 唐宗军.机械制造基础.大连：机械工业出版社 1997； 6吴祖育，秦鹏飞.数控机床.上海：上海科学技术出版社 2003； 7许翔泰，刘艳芳.数控加工编程实用技术.北京：机械工业出版社2000；

8吴明友.数控机床加工技术 东南大学出版社.江苏：2000； 9王宝成.现代数控机床.天津：天津科学技术出版社，2000；

第四篇：常用的超硬刀具材料有哪些有何主要特点

常用的超硬刀具材料有哪些?有何主要特点?

常用的超硬刀具材料有哪些

金刚石

金刚石是目前世界上已发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性等性能，在有色金属和非金属加工中得到广泛的应用，尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，如轿车发动机缸体、缸盖、变速箱和各种活塞等的加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。超硬刀具材料_近年来，由于数控机床的普及和数控加工技术的高速发展，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及。金刚石刀具现在和将来都是数控加工中不可缺少的重要刀具。

立方氮化硼(CBN)立方氮化硼是氮化硼的同素异构体，其结构与金刚石相似，硬度高达8000～9000HV，耐热度达1400℃，耐磨性好。近年来开发的多晶立方氮化硼(PCBN)是在高温高压下将微细的CBN颗粒通过结合相烧结在一起的多晶材料，既能胜任淬硬钢(45~65HRC)、轴承钢(60~64HRC)、高速钢(63~66HRC)、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工。

陶瓷刀具

陶瓷刀具是最有发展潜力的刀具之一，目前已引起世界工具界的重视。在工业发达的德国，约70%加工铸件的工序是由陶瓷刀具来完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%~10%。超硬刀具材料_由于数控机床、高效无污染切削、被加工材料硬等因素，迫使刀具材料必须更新换代，陶瓷刀具正是顺乎潮流，不断改革创新，在Al2O3陶瓷基体中添加20%~30%的SiC晶液制成晶须增韧陶瓷材料，SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹扩展方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展前途的刀具材料。为了提高纯氧化铝陶瓷的韧性，加入含量小于10%的金属，构成所谓金属陶瓷，这类刀具材料具有强大的生命力，正以强劲势头向前发展，也许将来会自成一系，成为刀具材料家族新成员。超硬刀具材料_陶瓷刀具的主要原料是Al2O3、SiO2、碳化物等，它们是地壳中最富足的资源，发展此类刀具不存在原料来源问题。因此，开发应用陶瓷刀具有重要的战略意义和深远的历史意义。由于切削加工机床和切削技术的突飞猛进，迫使刀具被动式同步。刀具材料的发展趋势，是向着高效率、高速度、高寿命方向发展。在各种刀具材料的发展中，硬质合金(包括涂层硬质合金)一枝独秀；HSS将进一步萎缩；HSS-E增幅缓慢；HSS-PM将有长足的进步；DH还会继续膨胀扰乱市场，不过好景不长；超硬刀具材料有广阔的发展空间，将继续扩大应用比例。形成了以硬质合金为主线，各种材料既有独特的优点和应用范围，又互相发展、互相竞争，又相互有所取代补充的整体格局。

常用的超硬刀具材料的主要特点

金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好。超硬刀具材料_能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材（尤其是实心木和胶合板等复合材料）。

金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低。700℃～800℃时容易碳化，故不适于加工钢铁材料。超硬刀具材料_因为在高温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构。此外，用它切削镍基合金时，同样也会迅速磨损。

CBN的硬度仅次于金刚石（可达8000HV～9000HV），并且热稳定性高（达1250℃～1350℃），对铁族元素化学惰性大，抗粘结能力强，而且用金刚石砂轮即可磨削开刃，故适于加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和35HRC以上的钴基和镍基等难切削材料。

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第五篇：介绍一种超硬材料的简单加工方法

工作原因，笔者经常遇到客户反映，加工硬度较高的材料（HRC55以上）时一不小心丝锥就会折断。针对这种情况，笔者也研究了不少对策，比如减少切削速度、增换高压切削油、选用高质量丝锥、用数控机床代替摇臂钻加工以减少人为操作因素等等。虽取得了不错的效果，但多数情况下会有增加加工成本。

最近与客户交流中，发现一个不错的方法。在不更换设备的情况下，最大限度的提高性价比。客户使用情况良好，特来分享一下。介绍一种超硬材料的简单加工方法

客户攻牙材料SKD11（硬度HRC60以上），刚开始不小心就断丝锥。经过反复试验，终于一把丝锥可以攻丝45个！效果确实不凡。

方法其实也很简单，就是分50次多段攻丝。攻一小段退出丝锥，让切削油进入充分润滑，然后再进刀攻丝。如此反复，直到丝锥崩裂。一共攻丝45孔。极大节省了成本。只是效率一般。平均要3分钟一个孔。对于普通加工，成本和效率，权衡比较，还是节约成本为第一考虑要素。介绍一种超硬材料的简单加工方法，希望对同样有类似加工困难的朋友有所帮助。