加工中心刀具知识

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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。
a
b
caBiblioteka bc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。
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。
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
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
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：
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：
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
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：
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：
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
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
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。
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
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。
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：
Ⅰ、按几何形状区分