加工中心刀具知识

R=0
D
所以在模具加工中，端铣刀一般会被用来加工模具中的2D区域，如：垂直 面以及水平面或是模具中尖角的区域会用端铣刀将之加工出来。而在传统 方式的模具加工中，端铣刀也会被用来作粗加工。下面图示为端铣刀的实 际加工范例。 铣 削 袋 形 工 件 轮 廓 加 工
铣 削 沟 槽
铣 削 垂 直 壁
球
形
uncoated 未镀层、TiN 氮化钛、TiCN 氮碳化钛 TiAlN 氮铝钛、Al2O3 氧化铝
刀具材料、镀层与加工时间
左边的图表显示出自1900年后至今，由于刀具技 术的发展使得切削时间缩短了100倍。而在1960 年之后，因为镀层刀具的出现，缩短了4倍的加 工时间。
100
碳钢 Carbon Steel
b、球刀〈Ball-nose Cutter〉
c、圆鼻刀〈Toroidal Cutter〉
端
铣
刀
端铣刀之外形如右图所示，铣刀之外缘及底面均有铣齿以构 成切刃，所以可以用来铣削工件之垂直面以及垂直面。端铣 刀之刀形变化非常复杂，适用于各类加工，如：铣平面、沟 槽或轮廓面…等等，可说是被运用最为广泛的一种铣刀。一 般来说端铣刀非常适用于2D形状的工件，但是应用于3D形状 的模具加工时，就不是那么的适用。我们就以下原因说明端 铣刀应用于模具加工时所发生的问题：
R
D D=2R
一、切削速度Vc
切削最基本的概念就是赋予切削刀刃以及被切削材相对速度，当刀刃材质 比被切削材硬而且切削速度达到时，被切削材与刀刃接触的区域就会被移 除。因此切削速度对于刀具的切削效果非常重要，如果切削速度不够或太 低，那么刀刃就不是在切削工件，而是在磨工件。为了产生切削速度，所 以在车削中就是旋转工件产生切削速度；在铣削中就是旋转刀具产生切削 速度。左下图中所显示的球刀，当在旋转时，1、2、3点的位臵其对应的 切削速度均不相同，甚至2这一点的切削速度几乎等于0。因此球刀的缺点 就是切削速度不稳定。以右下图范例来说，你可以看到球刀在铣削3D的工 件时刀刃与工件接触的位臵会不断的改变，因此切削速度一直在改变。在 a、c两点时其切削速度稳定，所 以此区域为刀刃在切削工件，可 a 以得到良好之加工面。而在b、d 两点时会因切削速度太低甚至没有 切削速度导致刀刃在磨擦工件，加工 b 面质量当然会大受影响。 c
Ⅰ、按几何形状区分
在模具铣削加工中，由于模具本身即是有复杂造型之工件，在考虑切 削效率、刀具寿命以及工件形状…等的因素下，因此要只使用单一种 形状之铣刀便可将模具加工完成是不可能的。所以在模具加工中常会 需要用到不同形状的铣刀来加工模具，一般模具加工最普遍使用的铣 刀有以下三种：
a、端铣刀〈End Mill〉
碳化物超硬合金（Carbides） 瓷金工具（Cermet Tools） 陶瓷工具（Ceramic Tools）
多晶钻石刀具（ CBN ）
碳化物超硬合金 Sintered Hard Carbides
以碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC 等粉末以适当比例之钴Co金属粉末，压成适 当形状之压块，经过半烧结后以增加其强度，然后修整成正确之形状之尺寸，然后 以钴粉为粘结剂再于1500 ℃烧结完成。烧结后硬度大增，约为HRa 90~92。碳化物 超硬合金比高速钢具有更高的高温硬度，温度即使于1200 ℃也不会损害其刀刃之 性质，而且抗压强度大、耐磨耗性佳，其切削效率约为高速钢之三倍。故此合金被 广泛使用于钢的切削用途上，一般碳化物材料之使用上可分为下类几种：
高速钢、烧结式碳化物 Carbides 、瓷金工具Cermet 陶瓷刀具Ceramics、CBN刀具 Ⅱ、镀层由于工程材料不断持续的发展，在1960年之后，陆续开发出新一代的合金材料。这些新材料 不仅有高强度，而且具有高磨损性甚至有极高的化学性质，在切削时会与切削刀具产生化学 作用造成侵蚀现象。除此之外，在时间及成本降低的要求下，高速切削正逐渐被人们广泛的 接受。因此以往的刀具材料已不敷人们的需求。在因应如此严格的需求下，发展出刀具材料 再加上镀层保护。具有镀层保护的刀具其寿命将近是一般没有镀层刀具的10倍，常见的刀具 镀层有下列几种：
圆
鼻
刀
球
刀
端
铣
刀
刀具材质、镀层
Ⅰ、刀具材质近代机制生产能力不断的大幅提高，尤其在大量生产的工作要求下，从事于大量且高速的切 削工作。为发挥高性能工作母机应有之生产工作效能，则切削刀具尤须密切的配合。为了发 挥刀具之切削能力，故刀具材料需有显著之进展与改良，目前使用之各种刀具材料均有其特 性以适应各种不同加工的要求。一般刀具材料必须具备的性能为生产制造费用须最低、具有 高温之抵抗软化的能力、低的摩擦系数、较高的抵抗磨耗性质，导热性良好、充分的韧性以 及耐冲击性等等，一般使用的刀具材料有下列几种：
铣 刀 种 类
铣削为各种切削方式中变化最大，用途最广的切削方式。所以无论是槽孔 铣削、凹切、平面以至于各种造型之面皆可加工，而且经由铣削加工可获 得表面光度极佳与精准之尺寸。铣刀是一种多刃口的圆形刀具，铣削的原 理为应用铣刀之多刃旋转产生切削作用，所以虽然刀具切入工件甚深，但 每一切刃之切削量并不大，因此每一切刃之切削厚度仍可维持很薄，所得 之加工面亦佳，且刀具寿命能维持甚久。切削效率佳，用途广泛，所以铣 刀在目前金属加工中占有极高之份量。
由于铣刀在目前的切削加工中，几乎可取代大部分之传统切削刀具，故无 论在铣刀之材料、造型、结构…等等之设计制造上，不但种类极为繁多而 且复杂。现在仅就下列一般模具铣削加工中常用之铣刀种类作说明介绍。
Ⅰ、依几何形状区分- a、端铣刀 b、球刀 c、圆鼻 刀 Ⅱ、依刀具结构区分- a、组合式刀具 b、整体式刀 具
min
1900 ,10 ,20 ,30 ,40 ,50 ,60 ,70 ,80
年代
高速钢 High-Speed Steel
1900年发展成功之切削刀具材料为切削工具钢之一种，含有 钨、铬、钼、钒、钴等合金元素。因含有较多的合金元素故 有相当高的硬度，经热处理后其硬度可高达HRc 68。做为切 削工具在高速切削时其刀锋即使被加热至500~600℃也不会产 生回火软化，仍能保持其硬度之性质，而且在高温时硬度降 低极微，是刀具材料所具备的重要性质之一，故能耐高温及 重切削。一般常用者有钨W系高速钢以及钼Mo系高速钢： 1、钨W系高速钢系为钢基中含有18%钨、4 %铬以及 1%钒，为一般之多用途刀 具材料。 2、钼Mo系高速钢此为W系高速钢中W之含量降至6 %后，再加入4.5~7 %钼的合 金钢，具有良好之韧性及耐冲击性。适合于制造强力之切削、 耐磨刀具，如铣刀、螺丝攻等。
组
合
式
圆
鼻
刀
组合式球刀
整
体
式
刀
具
整体式刀具为刀刃与刀体为一体的设计，铣刀上之刀刃与铣刀身皆由同一 材料所制成，所以在精度以及刀刃的强度上整体式刀具会比舍弃式刀具来 的高，但是相对的制作刀具的材料成本就会提高，而且刀刃在磨耗后需再 重新研磨才可再使用。另外因为考虑刀刃的强度以及制作上的难度，在制 作10mm以下的舍弃式刀具极为不易，所以一般10mm以下的铣刀都为整体式 刀具。下列图示为整体式刀具。
一、组合式刀具
二、整体式刀具
组 合 式 刀 具
此种形式刀具，顾名思义，即铣刀之刀刃部分为可更换的设计。通常在设 计上分为刀座以及刀片两部分，刀片即为铣刀中的刀刃用来切削工件，而 刀座则做为固定或支撑刀片。刀座的直径即决定铣刀的大小，此外，刀座 也可作成多刃的设计。刀片部分则有许多形状，材质…等变化。使用者可 以视不同的加工情况更换适合的刀片，刀片上所有切刃都使用磨耗后，刀 片即抛弃而不重磨，只需更换新的刀片。所以刀具成本、使用弹性为其优 点。下列图示为舍弃式刀具。
铣
刀
如左图所示，底部刀刃为一球形状的铣刀为球刀。球刀在目前的 模具加工使用上相当的频繁，尤其是在铣削3D的模具时，球刀更 是不可缺少的工具。与前者－端铣刀比起来，因为球刀没有像端 铣刀底部为尖点的刀刃，而是带有R角的刀刃，所以球刀的刀刃 更为强壮，不易崩坏；换句话说，球刀的寿命会比端铣刀更为稳 定。除此之外，球刀与工件接触的区域为R角的刀刃，因此在精 加工时刀间距可用更大的数值，加工面也有极佳的效果。 因此不论是刀具寿命或是加工效率，球刀在模具加工上是不错的 选择！不过同样的，球刀在模具加工时也会遭遇一些问题。在铣 削3D模具时球刀虽然与工件接触的区域为R角的刀刃，但是实际 的接触位臵却会随着工件的形状而改变，这样的差异会带来以下 的影响：
3 2 d
1
二、刀具损耗
球刀在铣削较平坦的区域时，如下：此时与工件接触的位臵大部分都为 a、b、c这几个位臵。所以其实是用球刀的底部在铣削工件。当整个工 件这类的区域范围很大时，球刀底部除了切削速度低外，底部的刀刃也 会很快的磨损，两侧的刀刃其实并没有用到，所以加工面不仅质量低落 而且因为刀具损耗的关系，加工面的精度也会受到影响。
b
Ⅰ
Ⅱ
c d
左下图为使用圆鼻刀进行粗加工，用圆鼻刀粗加工的好处为其水平刀间距 可以使用的很大，所以粗加工效率远比球刀来的好；而右下图则为用圆鼻 刀精加工，圆鼻刀的优点就是切削速度变化稳定，所以你可以看到在精加 工后工件的表面呈现出金属在被切削后的光亮。
Ⅱ、按刀具装臵区分
一般就铣刀的使用方式可将其区分为下列两种形式的铣刀：
一、如右图框框所指出的区域，你可以看到此处为一尖点。 所 以甚为脆弱，一但此处尖点崩坏，那么铣刀寿命也就随之 完结。所以端铣刀的寿命不甚稳定。
二、在铣削2D形状的工件时，由于与工件接触的区域为外缘 与底面，所以不论是刀间距或是切削深度都可以使用极有效 率的数值。反之如果用于铣削3D形状的模具时，你可以发现 与工件接触的区域几乎都是靠近尖点的部位，所以你必须要 减少刀间距或是切削深度，因此加工效率降低。
烧 结 式 硬 质 合 金
在钢的麻田散铁Martensite组织中如果分布着有特殊碳化 物的话，其比单是麻田散铁组织的钢更具有磨耗性，但是 麻田散铁在高温时会失去其硬度，要改良此缺点的方法为 使碳化物的量增加。可能的话，能做成全部都是碳化物的 工具最好。但是一般碳化物的熔点很高，无法以熔解法来 制造。所以必须利用烧结法(sintering)来固着碳化物， 利用烧结方式产生的工具材料中有：
加 工 时 间 〈 〉
26 15 6 3 1.5 1 0.7
高速钢 HSS 铸造合金 Cast cobalt-base alloys 超硬合金 Cemented Carbides 新超硬合金 Improved Carbide Grades 镀层 First coated Grades 双镀层 First double-coated Grades 复合镀层 First triple-coated Grades
a
b
c
a
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
b
c
球刀在模具加工中最常用来铣削3D的模具，尤其是在精加工以及清角加工 时，但不适合用于铣削较平坦之区域，因与工件接触面积小，无法加大刀 间距。下面图示为球刀的实际加工范例。
粗 加 工
精
加
工
圆
鼻
刀
如左下图所示，圆鼻刀的外型与端铣刀类似，均为平坦的底部设计，所不 同的是圆鼻刀的底部为带有R角的刀刃而不是尖点的刀刃，所以刀刃的强度 比端铣刀好，不易崩坏，因此刀具的寿命会比端铣刀要好。 除此之外，圆鼻刀比球刀、端铣刀有更佳的加工效率，尤其是 在粗加工时。因为圆鼻刀底部是平的，圆鼻刀的水平刀间距可 以用的比球刀更大。在精加工时，它同样拥有与球刀一样的优 点，所以刀间距也可以可用更大的数值。因此圆鼻刀不论是用 于粗加工以至于精加工，都是非常合适的选择。 在铣削3D模具时，圆鼻刀还有另外一项优点是使用球刀所比不 上的。球刀本身会随着与工件接触的位臵不同，切削速度而有 非常大的变化，所以加工面质量不稳定。圆鼻刀虽然也有这样 的情形，不过它的切削速度的变化并不像球刀那样有极大的变 R 化。因此使用圆鼻刀加工的工件，质量当然稳定。以下说明圆 鼻刀切削速度稳定的原因。
D D>2R
切削速度
右下图为模拟圆鼻刀在铣削3D工件时圆鼻刀与工件接触的情况，你可以看 到在a、b、c、d四点时，刀刃与工件接触的位臵。不管刀刃与工件怎么接 触，刀刃的接触区域都会落在左下图中所显示的Ⅰ、Ⅱ两个区域。从这图 中可以清楚的了解，即使圆鼻刀的接触点也会像球刀一样不断的改变，但 是所造成的切削速度变化不会像球刀那样剧烈，甚至在b、d两点的位臵时， 球刀的切削速度会几乎为0，但是圆鼻刀能保持一定的切削速度。所以使 用圆鼻刀加工时当然可以维持刀刃是在切削的状态，加工面的质量当然就 会稳定。 a