数控刀具基础知识

数控刀具基础知识
本文介绍了数控刀具材料，数控刀具硬度，数控刀具材料特性等基础知识，数控刀具种类等基础知识，数控刀具切削速度基础知识，数控刀具振动知识等等。

数控机床对刀具材料的要求
较高的硬度和耐磨性
刀具切削部分的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具材料的硬度越高，其耐磨性越好。

刀具材料在常温下的硬度应在HRC62以上。

足够的强度和韧性
刀具在切削过度中承受很大的压力，有时在冲击和振动条件下工作，要使刀具不崩刃和折断，刀具材料必须具有足够的强度和韧性，一般用抗弯强度表示刀具材料的强度，用冲击值表示刀具材料的韧性。

较高的耐热性
耐热性指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度及韧性的性能，是衡量刀具材料切削性能的主要指标，这种性能也称刀具材料红硬性。

较好的导热性
刀具材料的导热系数越大，刀具传出的热量越多，有利于降低刀具的切削温度和提高刀具的耐用度。

良好的工艺性
为便于刀具的加工制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如刀具材料的锻造、轧制、焊接、切削加工和可磨削性、热处理特性及高温塑性变形性能，对于硬质合金和陶瓷刀具材料还要求有良好的烧结与压力成形的性能。

刀具材料种类
高速钢
高速钢是由W、Cr、Mo等合金元素组成的合金工具钢，具有较高的热稳定性，较高的强度和韧性，并有一定的硬度和耐磨性，因而适合于加工有色金属和各种金属材料，又由于高速钢有很好的加工工艺性，适合制造复杂的成形刀具，特别是粉沬冶金高速钢，具有各向异性的机械性能，减少了淬火变形，适合于制造精密与复杂的成形刀具。

硬质合金
硬质合金具有很高的硬度和耐磨性，切削性能比高速钢好，耐用度是高速钢的几倍至数十倍，但冲击韧性较差。

由于其切削性能优良，因此被广泛用作刀具材料。

切削刀具用硬质合金分类及标志
涂层刀片
1）CVD气相沉积法涂层涂层物质为TiC，使硬质合金刀具耐用度提高1-3倍。

涂层厚；刃口钝；利于提高速度寿命。

2）PVD物理气相沉积法涂层涂层物质为TiN、TiAlN和Ti(C,N)，使硬质合金刀具耐用度提高2-10倍。

涂层薄；刃口锋利；利于降低切削力。

★涂层最大厚度≤16um
CBN和PCD
立方氮化硼（CBN）立方氮化硼硬度和导热性能仅次于金刚石，有很高的热稳定性和良好的化学稳定性，因此适用于加工淬火钢、硬铸铁、高温合金和硬质合金。

聚晶金刚体（PCD）聚晶金刚体作为切削刀具使用时，烧结在硬质合金基体上，可对硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等耐磨、高硬度的非金属和非铁合金材料进行精加工。

★ISO机夹刀片材料分类法★
钢件：P05 P25 P40
不锈钢：M05 M25 M40
铸铁：K05 K25 K30
★数字越小表示刀片越硬，刀具的耐磨性越好，抗冲击性能较差。

★数字越大表示刀片越软，刀具的抗冲击性能越好，耐磨性较差。

可转为刀片型号与ISO表示规则
1 、表示为刀片形状的代码
2、表示为主切削刃后角的代码
3、表示为刀片尺寸公差的代码
4、表示为刀片断屑及夹固形式的代码
5、表示为切削刃长度表示方法
6、表示为刀片厚度的代码
7、表示为修光刃、R角的代码
其他数字的意义
8表示为表示特殊需要的代码；
9表示为进给方向的代码，如代码R表示右进刀，代码L表示左进刀，代码N表示中间进刀；
10表示为断屑槽型的代码；
11表示刀具公司材料代码；
切削速度
切削速度Vc计算公式：
式中：
d—工件或刀尖的回转直径，单位mm
n—工件或刀具的转速，单位r/min
普通车床加工螺纹的速度
车削螺纹主轴转速n，切削螺纹时，车床的主轴转速受加工工件的螺距（或导程）大小、驱动电动机升降特性及螺纹插补运算速度等多种因素影响，因此对于不同的数控系统，选择车削螺纹主轴转速n存在一定的差异。

下列为一般数控车床车螺纹时主轴转速计算公式：
式中：p—工件螺纹的螺距或导程, 单位mm。

k—保险系数，一般为80。

加工螺纹的每次进给深度计算
螺纹加工走刀次数
1）粗加工
粗加工走刀量经验计算公式：f 粗= 0.5 R
式中：R ------ 刀尖圆弧半径mm
f ------ 粗加工走刀量mm
2）精加工
式中：Rt ------ 轮廓深度µm
f ------ 进给量mm/r
rε------ 刀尖圆弧半径mm
按进给量、断屑槽区分粗精车
f≥0.36 粗加工
0.36＞f≥0.17 半精加工
f＜0.17 精加工
影响刀片粗、精加工不是刀片的材料而是断屑槽。

刃口倒角小于40um为锋利。

刀具振动
刀具振动需要同时存在的三个条件
∙包括刀具在内的工艺系统刚性不足，导致固有频率低。

∙切削时产生一个足够大的外激力。

∙外激力的频率与工艺系统的固有频率相同随即产生共振。

解决刀具振动的思路
第一是减小切削力至最小；
第二是尽量增强刀具系统或者夹具与工件的静态刚性；
第三则是在刀杆内部再制造一个振动去打乱外激切削力的振频，从而消除刀具振动。

降低切削力的方法
∙用尽可能小的刀尖圆弧。

∙增大刀具的前角。

∙用磨制刀片替代压制刀片。

∙减小切深、转速和提高进给。

∙对于细长轴用90度的主偏角。

∙对于细长杆的铣刀用圆刀片最有利于消振。

∙
∙1数控加工常用刀具的特点
∙数控刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下特点：
∙ 1. 刚性好（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及热变形小；
∙ 2. 互换性好，同一品种规格的刀具耐用度、几何形状、尺寸精度基本一致，便于快速换刀；
∙ 3. 寿命高，切削性能稳定、可靠；
∙ 4. 刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间；刀具的调整、装夹应简单、方便。

∙ 5. 刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除；
∙ 6. 具有完善的模块式工具系统；
∙7. 系列化，标准化，以利于编程和刀具管理。

∙2数控加工常用刀具的种类
∙数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。

刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。

数控刀具的分类有多种方法。

∙一、根据刀具结构可分为：
∙ 1.整体式；
∙ 2.镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；
∙ 3.减震式刀具；
∙ 4.内冷式刀具；
∙ 5.特殊型式，如复合式刀具，可逆攻螺纹刀具等。

∙二、根据制造刀具所用的材料可分为：
∙ 1.高速钢刀具；
∙ 2.硬质合金刀具；
∙ 3.金刚石刀具；
∙ 4.立方氮化硼刀具；
∙ 5.陶瓷刀具等；
∙ 6.涂层刀具等。

∙三、按切削工艺可分为：
∙ 1.车削刀具
∙分外圆、内孔、螺纹、切断、切槽刀具等多种，如图2-17所示。

∙常用车削刀具有高速钢整体刃磨刀具，硬质合金焊接式刀具，机夹可转位刀具等。

目前，在数控加工中机夹可转位刀具应用已非常普遍，采用该种刀具，可大大缩短工艺辅助时间，提高切削效率。

机夹可转位车刀的夹紧结构有如图2-18所示三种。

∙车削刀具的选用步骤：
∙（1）确定工序类型——外圆/内孔；
∙（2）确定加工类型——外圆车削/端面车削/ 仿型车削/ 插入车削；
∙（3）确定刀具夹紧系统——M类夹紧/ S类夹紧/ P类夹紧；
∙（4）选定刀具类形；
∙（5）确定刀杆尺寸—— 16 / 20 / 25 / 32 / 40；
∙（6）选择刀片——形状/型号/槽型/刀尖半径/牌号
∙数控车削加工多使用机夹可转位刀具，刀具的选择主要是刀片的选择，即刀片材料的选择，刀片尺寸的选择，刀片形状的选择，刀片刀尖半径的选择。

∙（1）刀片材料主要依据被加工工件的材料、工件表面的精度要求、切削载荷的大小及切削加工过程中有无冲击和振动等条件决定。

∙（2）刀片尺寸主要是指有效切削刃的长度，根据背吃刀量ap和主偏角_kr确定，使用时可查阅相关手册。

∙（3）刀片形状根据被加工工件表面形状、切削方法、刀具寿命和刀片的可转位次数等因素来选择。

∙（4）刀尖圆弧半径的大小直接影响刀尖的强度和被加工零件的表面粗糙度。

通常在背吃刀量较小的精加工、细长轴加工或机床刚度较差的情况下，选取较小的刀尖圆弧半径；在需要刀刃强度高、零件直径大的粗加工中，选取较大的刀尖圆弧半径。

∙ 2.铣削刀具
∙（1）面铣刀如图2-19所示，面铣刀圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为副切削刃。

因面铣刀尺寸一般较大，很少做成整体式，多制成套式镶齿结构，刀齿材料为高速钢或硬质合金，刀体为40Cr。

∙硬质合金面铣刀与高速钢面铣刀相比，铣削速度较高、加工效率高、加工表面质量好，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，所以得到广泛的应用，多用来加工零件上较大的平面结构。

∙
∙图2-19 各种类型面铣刀
∙（2）立铣刀立铣刀是数控加工中用的最多的一种铣刀，分整体式和机夹可转位刀片式，结构如图2-20所示。

立铣刀圆柱表面的切削刃为主切削刃，端面上的切削刃为副切削刃，主切削刃一般为螺旋齿，可增加切削过程中的平稳性，提高加工精度。

由于普通立铣刀端面中心处无切削刃，所以立铣刀不能作轴向进给。

∙通常，小规格（4—16mm）立铣刀制成整体式，而φ16mm以上的立铣刀制成焊接式或机夹可转位式。

整体立铣刀的结构如图2-21所示。

∙
∙图2-20 立铣刀
∙图2-21 整体式立铣刀结构
∙（3）模具铣刀模具铣刀是由立铣刀演变而来的，分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀等几种。

刀柄有直柄、削平型直柄和莫式锥柄三种。

如图2-22所示，该种刀具大多用来加工各种模具型腔及曲面，一般圆周及球面部分都有切削刃，可作径向和轴向进给。

∙
∙图2-22 模具铣刀
∙除整体式模具铣刀外，一些刀具厂商也推出了机夹可转位模具铣刀，如图2-23所示。

∙
∙图2-23 机夹可转位模具铣刀
∙（4）键槽铣刀键槽铣刀结构上类似于立铣刀，通常有两个刀齿，圆柱面和端面都有切削刃，端面切削刃延伸至中心，加工过程中既像立铣刀，又像钻头。

加工时先轴向进给至槽深，然后沿长度方向铣出键槽全长。

∙国家标准规定，直柄键槽铣刀的直径d=2～22mm，锥柄键槽铣刀的直径d=14～50mm。

∙ 3.钻、绞削刀具如图2-24所示，包括钻头、铰刀等。

其中直柄麻花钻的结构如图2-25所示。

∙
∙图2-24 钻、绞削类刀具
∙
∙图2-25 直柄麻花钻结构
∙ 4.螺纹刀具对于公称尺寸较大的内外螺纹，多采用螺纹车刀车削加工，而对于公称尺寸较小的螺纹，多采用板牙、丝锥进行加工。

常用丝锥如图2-26所示。

∙
∙图2-26 丝锥及其结构
∙图2-27 镗孔刀具
∙ 5. 镗削刀具数控铣床上用的镗孔刀具与数控车床上用的内孔刀具在结构上是相似的，只是刀柄结构有所差异，通常数控铣床上用的镗刀大部分为圆柱直柄镗刀，如图2-27所示。

∙数控加工过程中除用到以上刀具外，有时还用到一些成型刀具。

∙为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等的要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的30%～40%，金属切除量占总数的80%～90%。

∙铣削刀具的选择：
∙1）铣刀类型的选择
∙铣刀类型应与被加工工件的尺寸与表面形状相适应，加工较大的平面应选择面铣刀；
加工凸台、凹槽及平面轮廓应选择立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔可选择镶硬质合金的玉米铣刀；加工曲面可采用球头铣刀；加工曲面较平坦的部位可采用环形铣刀；加工空间曲面、模具型腔或凸模成形表面多采用模具铣刀；加工封闭的键槽选择键槽铣刀。

∙2）铣刀参数的确定
∙面铣刀粗铣时刀具直径应小些，精铣时，铣刀直径应大些，尽量包容整个加工宽度。

立铣刀应根据工件的材料、刀具的加工性质选择合适的刀具参数（直径、前角、后角、长度等）。

∙ 2.4数控钻、镗、铣加工刀具的装夹工具系统
∙ 2.4.1刀柄的分类
∙加工中心的主轴锥孔通常分为两大类，即锥度为7:24的通用系统和1:10的
∙HSK真空系统。

∙ 1.7:24锥度的通用刀柄
∙锥度为7:24的通用刀柄通常有五种标准和规格，即NT（传统型）、DIN 69871（德国标准）、IS0 7388/1 （国际标准）、MAS BT（日本标准）以及ANSI/ASME （美国标准）。

∙NT型刀柄对应德国标准为DIN 2080，是在传统型机床上通过拉杆将刀柄拉紧，国内也称为ST；其它四种刀柄均是在加工中心上通过刀柄尾部的拉钉将刀柄拉紧。

∙目前国内使用最多的是DIN 69871型（即JT）和MAS BT 型两种刀柄。

DIN 69871型的刀柄可以安装在DIN 69871型和ANSI/ASME主轴锥孔的机床上，IS0 7388/1型的刀柄可以安装在DIN 69871型、IS0 7388/1 和ANSI/ASME主轴锥孔的机床上，所以就通用性而言，IS0 7388/1型的刀柄是最好的。

∙ 2.1:10的HSK真空刀柄
∙HSK真空刀柄的德国标准是DIN69873，有六种标准和规格，即HSK-A、HSK-B、HSK-C、HSK-D、HSK-E和HSK-F，常用的有三种：HSK-A (带内冷自动换刀) 、HSK-C (带内冷手动换刀) 和HSK-E(带内冷自动换刀，高速型)。

∙7:24的通用刀柄是靠刀柄的7:24锥面与机床主轴孔的7:24锥面接触定位
∙连接的，在高速加工、连接刚性和重合精度三方面有局限性。

HSK真空刀柄靠刀柄的弹性变形，不但刀柄的1:10锥面与机床主轴孔的1:10锥面接触，而且使刀柄的法兰盘面与主轴面也紧密接触，这种双面接触系统在高速加工、连接刚性和重合精度上均优于7:24的通用刀柄。

∙ 2.4.2刀柄结构组成
∙ 1.拉钉
∙如图2-28所示，拉钉有三个关键参数：θ角、长度l以及螺纹G。

根据三个关键参数的不同，每种刀柄配备的拉钉也不同。

当然，拉钉还有是否带内冷却孔之分。

∙刀柄拉钉的θ角有如下几种情况：
∙（1）MAS BT（日本标准）刀柄拉钉θ角有45°、60°和90°之分，常用的是45°和60° ；
∙（2）DIN 69871刀柄拉钉（通常称为DIN 69872－40/50）θ角只有75°一种；∙（3）IS0 7388/1刀柄拉钉（通常称为IS0 7388/2－40/50）θ角有45°和75°两种；
∙（4）ANSI/ASME（美国标准）刀柄拉钉θ角有45°、60°和90°之分。

∙关于刀柄拉钉的螺纹G，除ANSI/ASME（美国标准）刀柄拉钉存在有英制螺纹标准外，其它三种均使用公制螺纹，40#刀柄拉钉通常使用M16螺纹，50#刀柄拉钉通常使用M24螺纹。

∙
∙图2-28 刀柄拉钉结构
∙ 2.刀柄
∙一般刀柄分为整体式和模块式两类。

下面我们仅以7:24的通用刀柄来介绍常用的几种整体式刀柄。

∙（1）弹簧夹头刀柄
∙即通常所说的ER刀柄系统，其结构组成如图2-29所示，它是目前加工中心上最常用的刀柄，可以用来夹持直柄的钻头、立铣刀以及丝锥等。

其标示如下：
∙BT50 × ER32 – 150
∙| | ∟ 刀柄长度
∙刀柄型号弹性套筒型号（ER32弹性套筒）
∙
∙图2-29 弹簧夹头刀柄
∙（2）直结式钻夹头刀柄
∙又称为整体式精密钻夹头刀柄，如图2-30所示，该种刀柄不需要弹性套筒而可以在一个大的尺寸范围内锁紧刀具，具有钻孔、攻丝、立铣以及铰孔等功能。

其标示如下：
∙BT50 - ZZJT13 – 150
∙刀柄型号夹持范围(Ф1mm－Ф13mm)
∙
∙图2-30 直结式钻夹头刀柄
∙（3）侧固式刀柄
∙侧固式刀柄包括两种：削平面的侧固式铣刀柄（DIN 1835-B）和带2o斜削
∙平面的侧固式钻刀柄（DIN 1835-E），如图2-31所示。

其标示如下：
∙BT50 - XP20 –105 | | ∟ 刀柄长度
∙刀柄型号夹持直径(20mm)
∙
∙图2-31 侧固式刀柄
∙（4）面铣刀刀柄（如图2-32所示）
∙
∙图2-32 面铣刀刀柄
∙JT50 - XM27 – 60
∙刀柄型号面铣刀中心孔直径(27mm)
∙（5）强力铣刀柄
∙如图2-33所示，强力铣刀柄的刀体厚实，刚性高振动少；刀头内部带有螺旋槽和窄槽，夹持力强、跳动精度高（5μ以内）并防止刀具高速时脱落。

∙主要用于强力铣削、钻孔以及刚性攻丝，同时也用于夹持直杆镗刀、直杆∙弹簧夹头延长杆、直杆攻丝夹头。

其标示如下：
∙BT50 - ZC32 – 110
∙刀柄型号夹持直径(32mm)，也即套筒外径
∙
∙图2-33 强力铣刀柄
∙
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