数控机床的刀具选择

近年来快速发展的金属陶瓷材料，也称为钛 基硬质合金，因此也属于硬质合金材料的范畴。 它是指以TiC或TiC、TiN为主要硬质相，以Ni－ Mo或Ni-Co－Mo等为粘结相的硬质合金。这类 材料开发较早，50年代已出初型，但由于脆性太 大，长期未能稳定应用于生产，直至80年代中期 在组成、烧结工艺等方面取得了技术新进展，在 保留其高硬度特性基础上，大幅度提高了强度。 相对于钨基硬质合金，除抗冲击韧度略低于部分 新牌号钨基硬质合金外，在高温硬度、耐磨损性、 与被加工材料的亲和力等方面均有其优势，因而 成为现代小余量、精密车削的主要刀具材料品种 之一。
图3-2 数控刀具分类
3.1.2 数控刀具的要求与特点
1。数控刀具的要求 （1）要有很高的切削效率。提高切削速度致关重要，硬质合金刀具切 削速度可达500～600m/min,陶瓷刀具可达800～1000m/min。 （2）要有很高的精度和重复定位精度，一般3～5个微米或者更高。 （3）要有很高的可靠性和耐用度，是选择刀具的关键指标, （4）实现刀具尺寸的预调和快速换刀，缩短辅助时间提高加工效率 （5）具有完善的模块式工具系统，储存必要的刀具以适应多品种零件 的生产 （6）建立完备的刀具管理系统，以便可靠、高效、有序的管理刀具系 统 （7）要有在线监控及尺寸补偿系统，监控加工过程中刀具的状态，提 高加工可靠度。
第二篇 模具数控操作详解
第3章 数控机床的刀具选择 加工中心的常用操作 第5章 数控铣床的常用操作 第6章 数控车床的常用操作 第7章 数控线切割机床的常用操作 第8章 数控电火花机床的常用操作
第3章 数控机床的刀具选择
随着制造业的高速发展，模具行业、汽车工业以及航 空航天工业等重点行业对数控切削加工不断提出更高的要 求，同时也推动着金属切削刀具的持续发展。模具工业的 特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高、加工 难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短，因此要 求模具数控加工刀具必须具备高效率、高精度、高可靠性 和专用化的特点。本章重点对数控机床的刀具选择做一些 介绍。
2。数控加工刀具的特点 随着高刚度整体铸造床身、高速运算数控系统和主轴动平衡等新技术的采用以 及刀具材料的不断发展，现代切削加工朝着高速、高精度和强力切削方向 发展，因此现代切削刀具有悖于传统的刀具，被中国工具业命名的“数控 刀具”，特指与加工中心、数控车床、数控镗铣床、数控钻等先进高效的 数控机床相配套使用的整体合金刀具、超硬刀具，可转位刀片、工具系统、 可转位刀具等，以其高效精密和良好的综合切削性能取代了传统的刀具。 为了达到高效、多能、快换、经济的目的，数控加工刀具与普通金属切削 刀具相比应具有以下特点： （1）刀片及刀柄高度的通用化、规格化、系列化。 （2）刀片或刀具的耐用度及经济寿命指标的合理性。 （3）刀具或刀片几何参数和切削参数的规范化、典型化。 （4）刀片或刀具材料及切削参数与被加工材料之间应相匹配。 （5）刀具应具有较高的精度，包括刀具的形状精度、刀片及刀柄对机床主轴 的相对位臵精度、刀片及刀柄的转位及拆装的重复精度。 （6）刀柄的强度要高、刚性及耐磨性要好。 （7）刀柄或工具系统的装机重量有限度。 （8）刀片及刀柄切入的位臵和方向有要求。 （9）刀片、刀柄的定位基准及自动换刀系统要优化。 另外，数控机床上用的刀具应满足安装调整方便、刚性好、精度高、耐用度好 等要求。
（3）超硬材料 立方氮化硼CBN。 氮化硼的化学组成和石墨非常相似，颜色为白色，晶格为 密排六方晶格，象石墨一样的低硬度。 立方氮化硼刀片是由立Leabharlann Baidu氮化硼细小颗粒在氮化钛等基体 材料上通过压力烧结方式制造出来的。石墨经高温高压 处理变成人造金刚石，用类似的手段处理氮化硼（六方） 就能得到立方氮化硼。立方氮化硼是六方氮化硼的同素 异形体，是人类已知的硬度仅次于金刚石的物质。 立方氮化硼的热稳定性大大高于金刚石。在空气中，人造 金刚石在800℃时即碳化，而立方氮化硼可耐 1300~1500℃的高温，甚至在1500℃时也不发生相变。聚 晶立方氮化硼在 1400℃仍然保持其硬度，与铁族元素的 化学惰性比金刚石大，能以加工普通钢和铸铁的切削速 度切削淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等，从而大大提高 生产率。
（1）按刀具切削部分的材料，可分为高速钢、 硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等刀 具。 （2）按刀具的结构形式，可分为整体式、焊 接式、机夹可转位式和涂层刀具(数控机床广泛 使用机夹可转位式刀具)、减振式、内冷式和一 些特殊形式刀具； （3）从切削工艺的划分，包括下面几个方面。 车削刀具分外圆、内孔、外螺纹、内螺纹，切 槽、切端面、切端面环槽、切断等。数控车床一 般使用标准的机夹可转位刀具。机夹可转位刀具 的刀片和刀体都有标准，刀片材料采用硬质合金、 涂层硬质合金以及高速钢。
钻削刀具 钻削刀具分小孔、短孔、深孔、 攻螺纹、铰孔等。钻削刀具可用 于数控车床、车削中心，又可用 于数控镗铣床和加工中心。因此 它的结构和联接形式有多种。有 直柄、直柄螺钉紧定、锥柄、螺 纹联接、模块式联接（圆锥或圆 柱联接）等多种。 镗削刀具 镗削刀具分粗镗、精镗等刀具。 镗刀从结构上可分为整体式镗刀 柄、模块式镗刀柄和镗头类。从 加工工艺要求上可分为粗镗刀和 精镗刀。 铣削刀具 数控铣削刀具分面铣、立铣、三 面刃铣等刀具，如图3-1所示为各 种数控铣削刀具。
3.1 数控刀具概述 3.1.1 数控刀具的种类
数控刀具通常是指数控机床和加工中心用刀具，在国外 发展很快，品种很多，已形成系列。在我国，由于对数控 刀具的研究开发起步较晚，数控刀具成了工具行业中最薄 弱的一个环节。数控刀具的落后已经成为影响我国国产和 进口数控机床充分发挥作用的主要障碍。数控机床 ( 包括 加工中心 ) 除数控磨床和数控电加工机床之外，其他的数 控机床都必须采用数控刀具。
3.1.3 数控刀具的材料
刀具的发展伴随切削加工技术高速发展，尤 其是到了数控高速切削等技术得到发展应用后， 新材料的加工对刀具的切削性能要求也越来越高， 为了不断满足切削加工的需要，刀具的材料也进 行了一系列的革命性的创新。从初期的工具钢到 现在生产中广泛使用的硬质合金钢，再到能够切 削高硬度工件材料的陶瓷、超硬刀具材料等。近 年来广泛使用的刀具表面涂层技术，极大提高了 刀具的表面硬度和耐磨性，延长了刀具的使用寿 命。
鼓形铣刀。鼓形铣刀的切削刃分布在半径的圆弧面上，端 面无切削刃。加工时控制刀具上下位臵，相应改变刀 刃的切削部位，可以在工件上切出从负到正的不同斜 角。一般用在与安装面倾斜的表面进行三坐标加工。 成形铣刀。根据加工零件的形状特制与之相适应的刀具， 仿形加工。 （4）特殊型刀具 特殊型刀具有带柄自紧夹头、强力弹簧夹头刀柄、可逆式 （自动反向）攻螺纹夹头刀柄、增速夹头刀柄、复合 刀具和接杆类等。 具体分类如图3-2所示。
数控车床机夹可转位刀具类型有外圆刀具、外 螺纹刀具、内圆刀具、内螺纹刀具、切断刀具、 孔加工刀具（包括中心孔钻头、镗刀、丝锥等）。 机夹可转位刀具夹固不重磨刀片时通常采用螺钉、 螺钉压板、杠销或楔块等结构。常规车削刀具为 长条形方刀体或圆柱刀杆。 方形刀体一般用 槽形刀架螺钉紧固方式固定。圆柱刀杆是用套筒 螺钉紧固方式固定。它们与机床刀盘之间的联接 是通过槽形刀架和套筒接杆来联接的。在模块化 车削工具系统中，刀盘的联接以齿条式柄体联接 为多，而刀头与刀体的联接是“插入快换式系 统”。它既可以用于外圆车削又可用于内孔镗削， 也适用于车削中心的自动换刀系统。 数控车床使用的刀具从切削方式上分为三类：圆 表面切削刀具、端面切削刀具和中心孔类刀具。
图3-1 数控铣削刀具
面铣刀（也叫端铣刀） 面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为副切削刃。面 铣刀多制成套式镶齿结构和刀片机夹可转位结构，刀齿材料为 高速钢或硬质合金，刀体为40Cr。 立铣刀 立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面 上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。结 构有整体式和机夹式等，高速钢和硬质合金是铣刀工作部分的 常用材料。 模具铣刀 模具铣刀由立铣刀发展而成，可分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣 刀和圆锥形球头立铣刀三种，其柄部有直柄、削平型直柄和莫 氏锥柄。它的结构特点是球头或端面上布满切削刃，圆周刃与 球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。铣刀工作部分用高 速钢或硬质合金制造。 键槽铣刀。用来加工键槽类工序，可以轴向进给。
1。刀具材料性能比较 （1）刀具材料硬度与韧性，如图3-3。
图3-3 刀具材料硬度与韧性对比图
（2）刀具材料的抗拉强度，如图3-4。
图3-4 刀具材料的抗拉强度
2。常用刀具材料 图3-5分类列出了刀具的常用材料。 （1）高速钢 高速钢具有较高强度、良好的韧性，切削加工时性能比较 稳定，加工工艺性好、便于制造各种形状复杂的刀具等 优点；但是高速钢硬度较低，特别是在高温的环境下保 持硬度的能力较弱，使其使用范围得到了较大的限制。 （2）硬质合金 硬质合金是一种主要由不同的碳化物和粘结相组成的粉末 冶金产品，在硬质合金工厂，硬质合金需经过混合、压 制和烧结。硬质合金的硬度很高，这主要由其中的碳化 物和粘结相造成的。其主要碳化物有：碳化钨（WC）、 碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）和碳化铌（NbC）等， 在大部分情况下，钴作为粘结相使用。
金刚石材料 碳元素被组成两种不同的晶格形式, 密排六方晶格的软石墨和众所周知 的最硬的刀具材料立方晶格的金刚石。 金刚石主要存在于沉积岩中。当被开采出来的时候，金刚石主要积聚 在金伯利岩石之中。此外金刚石也存在于河流沉积物中。金刚石有 天然的和人造的两种，都是碳的同素异形体。人造金刚石是在高压 高温条件下，借合金触媒的作用，由石墨转化而成的。金刚石硬度 极高，是目前已知的最硬物质，其硬度接近于10000HV，而硬质合 金的硬度仅为1,060～1,800 HV。 金刚石刀具既能胜任硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、耐磨材 料的加工，又可用以切削有色金属及其合金和不锈钢．但它不适合 加工铁族材料。这是由于铁和碳原子的亲和性产生的粘附作用而损 坏刀具。 大颗粒金刚石分单晶和聚晶两种。所谓聚晶就是由许多细小的金刚石 晶粒（直径约在1～100 m之间）聚合而成的大颗粒的多晶金刚石 块，而晶粒的无定向排列，使其具有优于天然金刚石的强度和韧性。
图3-5 刀具材料列表
不同的硬质合金材质有不同的用途，如车削、铣削、 孔加工、螺纹加工、切槽等。切削刀具用硬质合金根据 国际标准ISO分类，把所有牌号用颜色标识分成六大类， 分别以字母P、M、K、N、S 、H表示。分类的主要依据 是加工材料的化学元素含量、结构、硬度和导热性能。 其中，P类硬质合金材料用于加工长切屑的钢件；M类用 于加工不锈钢材料；K类用于加工短切屑的铸铁类材料； N类用于加工短切屑的非铁类材料，如有色金属等；S类 用于加工难切削材料，如镍基材料、钛合金等；H类用 于加工硬度高的材料，如淬硬钢等。 每一类中的各个牌号分别给以一个01～50之间的数字， 表示从最高硬度到最大韧性之间的一系列合金，以供各 种被加工材料的不同切削工序及加工条件时选用。根据 使用需要，在两个相邻的分类代号之间，可插入一个中 间代号，如在P10和P20之间插入P15，K20和K30之间插 入K25等，但不能多于一个。
3.1.1 数控刀具的种类
数控加工刀具可分为常规刀具和模块化刀具两大类。 模块化刀具是发展方向。发展模块化刀具的主要优点： 减少换刀停机时间，提高生产加工时间；加快换刀及 安装时间，提高小批量生产的经济性；提高刀具的标 准化和合理化的程度；提高刀具的管理及柔性加工的 水平；扩大刀具的利用率，充分发挥刀具的性能；有 效地消除刀具测量工作的中断现象，可采用线外预调。 事实上，由于模块刀具的发展，数控刀具已形成了三 大系统，即车削刀具系统、钻削刀具系统和镗铣刀具 系统。数控刀具的分类方法很多，下面具体叙述。