数控刀具及选用

2.1 数控机床刀具的特点

数控机床刀具的特点是标准化、系列化、规格化、模块化和通用化。

为了达到高效、多能、快换、经济的目的，对数控机床使用的刀具有如下要求： （1）具有较高的强度、较好的刚度和抗振性能； （2）高精度、高可靠性和较强的适应性； （3）能够满足高切削速度和大进给量的要求；

（4）刀具耐磨性及刀具的使用寿命长，刀具材料和切削参数与被加工件材料之间要适宜； （5）刀片与刀柄要通用化、规格化、系列化、标准化，相对主轴要有较高位置精度，转位、拆装时要求重复定位精度高，安装调整方便。

2.2 金属切削刀具的主要角度

从属切削刀具的种类繁多，但它们的切削部分都可以近似地用外圆车刀的切削部分来描述。 确定刀具角度的正交平面参考系和车削刀具几何角度如图所示。

图 正交平面参考系

图 车削刀具几何角度

车刀的五个基本角度：

（1）前角γo：是前刀面切削平面之间的夹角，表示前刀面的倾斜程度。

（2）后角αo：是主后刀面与切削平面之间的夹角，表示主后刀面倾斜的程度。 （3）主偏角κτ：是主切削刃在基面上的投影与进给方向之间的夹角；

ˊ（4）副偏角κτ：是副切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角； （5）刃倾角λ0：是主切削刃与基面之间的夹角。 刀具主要角度的选择原则：

前角。增大前角，切屑易流出，可使切削力减少，切削很轻快。但前角过大，刀刃强度降低。 后角。增大后角可减少刀具后刀面与工件之间的摩擦。但后角过大，刀刃强度降低。

主偏角。在切削深度和进给量不变的情况下，增大主偏角，可使切削力沿工件轴向力加大，径向力减小，有利于加工细长轴并减小振动。

刃倾角。增大刃倾角有利于承受冲击。刃倾角为正值时，切屑向待加工方向流动；刃倾角为负值时，切屑向已加工面方向流动。通常，精车时取0~4°；粗加工时取－10°～－5°。

2.3 刀具常用材料

刀具切削部分的材料应具备如下性能：高的硬度，足够的强度和韧性，高的耐磨性，高的耐热性，良好的加工工艺性。

刀具材料：高速钢(俗称白钢刀条)，硬质合金，陶瓷，立方氮化硼(CBN)，聚晶金刚石(PCD)。 数控机床上常用高速钢刀具和硬质合金刀具。

材料越硬就越脆，越耐磨，在使用时需要高速平稳，防止冲击和振动。

碳素工具钢和合金工具钢的红硬性较差，已很少使用。 一、高速钢

高合金工具钢，具有良好的工艺性，能制成复杂的刀具。

高速钢刀具使用前需要使用者自行刃磨，因此，适合于特殊需要的非标准刀具。 二、硬质合金

比高速钢硬得多。允许的切削速度比高速钢高4~10倍，切削速度可达100m/min以上。

国际标准化组织规定，切削加工用硬质合金按其排屑类型和被加工材料分为三大类：K类、P类、和M类，类似于国家标准中的YG类、YT类、和YW类。根据被加工材料及适用的加工条件，每大类中又分为若干组，用两位阿拉伯数字表示，每类中组号数字越大，其耐磨性越低、韧性越高，因此，组号数字越大，可选用越大的进给量和切削深度，而切削速度则应越小。从另一个方面讲，组号数字越小，硬度越高，韧性越差，适用于精加工；反之，组号数字越大，适用于粗加工。

硬质合金的常见类型： 1.钨钴类

钨钴类（WC+Co）硬质合金由碳化钨和钴组成。

ISO标准代号是K类，常用牌号有国内代号为YG。常用牌号有YG3、YG6、YG8等。 适合加工短切屑黑色金属（铸铁），有色金属以及非金属。 2.钨钛钴类

钨钛钴类（WC+TiC+Co）硬质合金由碳化钨、碳化钛和钴组成。

ISO标准代号是P类，国内代号为YT。常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等。 适合加工长切屑黑色金属（塑性好的材料低碳钢），常用于加工钢材。我们经常使用YT15。 3.钨钛钴钽（铌）类

钨钛钴钽（铌）类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）硬质合金由碳化钨、碳化钛、碳化钽（碳化铌）和钴组成。

ISO标准代号是M类，国内代号为YW。常用牌号有YW1、YW2等。 综合性能好，既可加工铸铁又可加工钢材及有色金属，常用于不锈钢。

K、P、M类合金切削用量的选择规律 K类 P类 M类 进给量 背吃刀量 切削速度 K01 K10 K20 K30 K40 M10 M20 M30 M40 P01 P05 P10 P15 P20 P25 P30 P40 P50 三、陶瓷 陶瓷特耐高温，在2000度条件下，仍具有高的硬度，非常耐磨，耐磨性是硬质合金的5倍，但是，韧性很低，不能承受冲击，适用于精加工和高速切削。 四、立方氮化硼

有极好的耐磨性，极高的热稳定性和优良的化学稳定性。

是在高温、高压条件下人工合成的新型刀具材料，其性能与金刚石相似，能高速切削淬火钢和耐热钢，是高速切削的首选刀具材料。

立方氮化硼刀具适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，通常采用负前角的高速切削。 五、聚晶金刚石

即人工合成的金刚石，是在高温、高压下合成的新型刀具材料。 硬度很高，耐磨性好(硬质合金的60～80倍)，有锋利的刀刃。 缺点是耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。

它与铁系材料有很强的亲和力，易使碳元素扩散而磨损，只适用于加工有色金属、非金属如陶瓷等极硬的材料。因此，金刚石刀具主要用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料，能实现超精密微量加工和镜面加工。

在以车代磨加工淬火钢时，可用陶瓷、立方氮化硼刀具；加工有色金属和非金属材料，砂轮修磨时，可用聚晶金刚石刀片。 六、表面涂层材料

涂层材料是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。

高速钢基体涂层刀具耐用度可提高2～10倍，硬质合金基体刀具提高1～3倍。加工材料硬度愈高，涂层效果愈好。在刀具寿命相同的前提下，可提高切削速度25%～30%。

涂层刀具经过钝化处理，切削刃锋利程度减小，不适合进给量很小的精密切削。

2.4 数控机床刀具分类

按照刀具材料可分为：高速钢刀具，硬质合金刀具，陶瓷刀具，立方氮化硼刀具和金刚石刀具。 按照刀具结构可分为：整体式，焊接式，机夹式(可转位和不转位)，内冷式和减振式。 按照切削工艺分为：车削刀具，孔加工刀具（如钻头，丝锥和镗刀等），铣削刀具等。

按照数控工具系统的发展可分为：由整体式工具系统向模块式工具系统发展。有利于提高劳动生产率，提高加工效率，提高产品质量。

标准化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。

2.5 常用数控刀具结构

一、整体式刀具结构

整体式刀具是指刀具切削部分和夹持部分为一体式结构的刀具。 制造工艺简单，刀具磨损后可以重新修磨。 二、机夹式刀具结构

机夹式刀具是指刀片在刀体上的定位形式。 机夹式刀具分为机夹可转位刀具和机夹不可转位刀具。数控机床一般使用标准的机夹可转位刀具。

机夹可转位刀具一般由刀片、刀垫、刀体和刀片定位夹紧元件组成。如图所示。

可转位刀片的夹紧方式：楔块上压式、杠杆式(如图)、螺钉上压式。

要求：夹紧可靠、定位准确、排屑流畅、结构简单、操作方便。

三、可转位刀片的代码

机夹式可转位刀片的代码由10位字符组成。 各字符的含义不要求。

常用W(不等角六边形)，S(正方形)，T(等边三角形)。 四、加工中心的工具系统

加工中心要实现自动换刀，数控机床和刀具的相应部分应有相适应的结构和装置。如图所示，刀具夹装部分一定具有相同的大小和形状。因此，“数控刀具”的含义应该理解为“数控工具系统”。刀具系统(+刀具)

刀库结构：链轮式和转盘式。 1.刀柄

刀柄是机床主轴和刀具之间的连接工具。能够安装各种刀具，已经标准化和系列化。 加工中心上一般采用7：24圆锥刀柄，这类刀柄不自锁，换刀方便。 高速加工时用直刀柄(HSK) 2.工具系统

工具系统一般由与机床主轴连接的锥柄、延伸部分的连杆和工作部分的刀具组成。 镗铣类工具系统分为整体式结构和模块式结构两类。 （1）整体式结构

将锥柄和连杆制造在一起。

我国TSG82属于这类，缺点是使用的锥柄型号较多。 （2）模块式结构

由主柄模块、中间模块和工作模块组成。 如瑞士的山特维克公司的模块式刀具系统。

2.6 数控机床刀具的选择

一、选择刀具时应考虑的因素

（1）被加工工件的材料类别（黑色金属，有色金属或合金）； （2）工件毛坯的成形方法（铸造，锻造，型材等）；

（3）切削加工工艺方法（车，铣，钻，扩，铰，镗，粗加工，半精加工，精加工等）； （4）工件的结构与几何形状，精度，加工余量以及刀具能承受的切削用量等因素； （5）其他因数包括生产条件和生产类型。 二、刀具的选择 1.刀具的选择原则

（1）尽可能选择大的刀杆横截面尺寸，较短的长度尺寸提高刀具的强度和刚度，减小刀具振动； （2）选择较大主偏角（大于75°，接近90°）；粗加工时选用负刃倾角刀具，精加工时选用正刃倾角刀具；

（3）精加工时选用无涂层刀片及小的刀尖圆弧半径； （4）尽可能选择标准化、系统化刀具； （5）选择正确的、快速装夹的刀杆刀柄。 2.选择车削刀具的考虑要点

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、涂层硬质合金等。

数控车床机夹可转位刀具类型有外圆刀、端面车刀、外螺纹刀、切断刀具、内圆刀具、内螺纹刀具、孔加工刀具（包括中心孔钻头、镗刀、丝锥等）。

首先根据加工内容确定刀具类型，根据工件轮廓形状和走刀方向来选择刀片形状(如图所示)。主要考虑主偏角，副偏角(刀尖角)和刀尖半径值。

可转位刀片的选择：

(1)刀片材料选择：高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方碳化硼或金刚石。 (2)刀片尺寸选择：有效切削刃长度、主偏角等。

(3)刀片形状选择：依据表面形状、切削方式、刀具寿命等。 (4)刀片的刀尖半径选择

1)粗加工、工件直径大、要求刀刃强度高、机床刚度大时选大刀尖半径值。 2)精加工、切深小、细长轴加工、机床刚度小选小刀尖半径值。 3.选择铣削刀具的考虑要点

在数控铣床上使用的刀具主要立铣刀、面铣刀、球头刀、环形刀、鼓形刀和锥形刀等。如图所示。常用到面铣刀、立铣刀、球头铣刀和环形铣刀。除此以外还有各种孔加工刀具，如钻头（锪钻、铰刀、丝锥等）镗刀等。

面铣刀（也叫端铣刀）如图所示，面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃。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。

立铣刀如图所示，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。

模具铣刀如图所示，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。

首先根据加工内容和工件轮廓形状确定刀具类型，再根据加工部分大小选择刀具大小。

(1)铣刀类型的选择：

1)加工较大平面选择面铣刀，

2)加工凸台、凹槽、平面轮廓选择立铣刀，

3)加工曲面较平坦的部位常采用环形（牛鼻刀）铣刀， 4)曲面加工选择球头铣刀，

5)加工空间曲面模具型腔与凸模表面选择模具铣刀， 6)加工封闭键槽选键槽铣刀，等等 (2)铣刀参数的选择

 面铣刀主要参数选择

a)标准可转位面铣刀直径在Φ16－Φ630）：粗铣时直径选小的，精铣时铣刀直径选大些，最好能包容待加工表面的整个宽度（多20%）。

b)依据工件材料和刀具材料以及加工性质确定其几何参数： 铣削加工通常选前角小的铣刀，强度硬度高的材料选负前角，工件材料硬度不大选大后角、硬的选小后角，粗齿铣刀选小后角，细齿铣刀取大后角，铣刀的刃倾角通常在-５－-１５度，主偏角在４５－９０度

 立铣刀主要参数选择

a)、刀具半径r应小于零件内轮廓最小曲率半径ρ b)、零件的加工高度H≤（1/4－1/6）r c)、不通孔或深槽选取l=H+(5~10)mm

d)、加工外形及通槽时选取l=H+rε+(5~10)mm e)、加工肋时刀具直径为D=(5~10)b

f)、粗加工内轮廓面时，铣刀最大直径D D=d+2[δsin(φ/2)-δ1]/[1-sin(φ/2)]  球头刀主要参数选择

曲面精加工时采用球头铣刀。球头铣刀的球半径应尽可能选得大一些，以增加刀具刚度，提高散热性，降低表面粗糙度值。加工凹圆弧时的铣刀球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率半径。

(3)孔加工刀具类型的选择 钻孔前先钻中心孔。

加工盲孔时，刀刃长度比也深多5~10mm。

2.7 数控加工刀具选择的典型实例

数控铣床上加工如图所示零件。 零件材料：HT200

毛坯尺寸：170mm×110mm×50mm。

选择加工该零件的加工刀具。 零件上表面加工采用面铣刀，一次完成切削，刀径比面宽20%可选φ125；

加工零件的φ60外圆柱面及其台阶面采用立铣刀，一次完成切削，可选φ63；

铣削外轮廓时，立铣刀直径的大小不受加工表面形状的，通常不要选得太大或太小即可，可选φ25；

选择加工孔的刀具时，刀具的直径要与所加工孔的尺寸相适应。

如表所示。

序号 1 2 3 4 5 6 7

刀具编号 T01 T02 T03 T04 T05 T06 T07 刀具规格名称 Φ125硬质合金端面铣刀 Φ63硬质合金立铣刀 Φ38钻头 Φ40镗孔刀 Φ13钻头 22×14锪钻 Φ25硬质合金立铣刀 加工表面 铣削上、下表面 铣削Φ60外圆及其台阶面 钻Φ40孔 粗、精镗Φ40内孔表面 钻2×Φ13孔 2×Φ22锪钻 铣削外轮廓 主轴转速S r/min 50 100 200 650/1000 500 350 260 进给量f mm/min 20 30 40 40/30 30 25 40 背吃刀量ap mm 5 按余量 19 0.8/0.2 6.5 4.5 5 备注