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刀把刀具知识讲解 、hsk系列 、bt系列 刀把种类 hsk刀把 在hsk刀把出现以前，最被广泛运用的就是以cat规范（v型接合系统）的 接合形式，通常都是以7：24比例的锥度设计来制作刀把。当时在制定cat 规范时只需要几个正式的标准就可使用。 在1980年中期，使用者、工具机制造商以及刀具制造商发现不仅在传统上 甚至私人专利的研究发展上，cat规范都已经达到了顶点。使用者想要一 种更新的标准及规范以更方便取得、不受私人专利的限制而且可以克服在 高速加工上的限制。大约在五年后在德国，由学者、工具机制造商、使用 者、刀具制造商等所组成的一个组织便制定出一个新的规范，也就是hsk 规范（hsk就是德国字hollow taper shank的缩写）。在德国hsk的规范被 定为din69893，它的锥度比例是1：10，而对应hsk规范的主轴，其规范则 被定为din69093。 这个新的规范包含了六种形式的刀把并且有35种尺寸，hsk的主轴在制造 上也会对应每一种形式的刀把。到了1990年初期，之前定立hsk规范的组 织将这些规范授权给制造商并且在最后讨论出a、b、c、d这几种形式的 hsk刀把，此外还有e、f两种形式，其规范仍在初步制定中。 目前欧美国家已逐渐将hsk系统刀把列为标准规格。hsk刀把共有六种型态，如左下 ，a形式为最常见之刀把，键槽在斜锥底部，b形式的直径较大且在外径上有键槽， c、d形式应用于手动换刀，e、f形式针对高速切削用，刀把外径无键槽或辨识孔。 刀把的大小常见的有hsk-40、50、63、80、100。 hsk刀把能适用于高速及重切削是因为可以与主轴保持双面接触，所以刀把的端面 与心轴锥孔都必须维持相当高的精度公差以确保双面接触，因此在制作时必须提高 加工精度，此为目前hsk刀把推广不易的原因之一，而且目前市场上大多为bt刀把 ，要转换为hsk刀把势必要有一番投资，但是由欧美的发展趋势及高速加工的需要 ，hsk刀把必将是未来发展趋势。 錐度比例- 1:10 接觸面 bt&sk刀把 从加工中心机开发以来，工作机械与刀具的结合方式就一直以7:24锥度的方式做结合。 此种形式称之为cat规范（v型接合系统）的接合形式，这种形式的刀把在日本称为bt刀 把；在欧洲称为sk刀把，虽然这两种刀把其锥度设计都是7:24 ，但是实际上是无法互换 使用的。cat规范（v型接合系统）当初在制定时，只规范锥度并不规范大小。所以造成 各家刀具及加工机制造商所制造之产品只有锥度的设计是一样的，因此刀把与主轴只有 锥度面作接触结合。这会导致在长期加工后刀把与主轴的接合面产生锈蚀现象，使刀把 与主轴磨损，产生误差，甚至在加工时有轻微的晃动发生。此外，bt&sk之主轴在转速超 过8000rpm时，其与刀把之接触面会产生扩孔现象，因而影响加工之精度及刚性，此为高 转速之主轴采用hsk系统而不采用bt&sk系统之原因。 錐度比例-7:24 接觸面 拉栓 f&t刀把 由于目前市场上大多为bt /sk刀把，要转换为hsk刀把势必要有一番投资 ，而前述bt/sk刀把又有其不可避免的缺点，所以近年来有人将此刀把改 良，采用分解式结合设计，称为f&t刀把(face and taper location)，确 保bt /sk系列主轴与刀把可达三面紧密接触结合的功效，于重切削时可将 应力分散，避免应力集中于主轴及刀把的锥度面，造成长期磨损而失去精 度，使主轴及刀把得到最佳的保护，并延长主轴寿命。适合于高深度切削 及重切削使用，具高抗震性，如下。 bt&sk與hsk刀把的比較 逕向和軸向的穩定 当对hsk或是cat/sk/bt接合方式施以某个挟持力量时，hsk在径向的稳定性是cat/sk/bt的五倍甚 至更高，如下。所以比起cat/sk/bt的接合方式，hsk的高径向稳定性使它更适用于重切削还有较 高进给的铣削和搪孔加工。除此之外，径向的稳定性也有助于提高整体的刚性，而整个切削系统 的刚性越高，其内部自然频率也会跟着提高，因此在高速旋转下有助于减少自然共振的现象发生 ，所以使hsk刀把适用于更高的转速。另外，高稳定性还有刚性可减少震动的发生，所以更适用 于高精度的加工以及精加工。 此外hsk有一个凸出来的边缘可与主轴作轴向的接触，所以在主轴方向其轴向的刚性可确保在搪 孔或是钻孔时都是保持在一个固定的点上。另外hsk的轴向挟持力是cat/sk/bt的两倍，而且因为 hsk本身的1：10锥度以及高摩擦力的关系所以会导致一个自我锁住的效应。因此hsk的挟持力明 显的比cat/sk/bt还要来得高。 扭力 hsk在设计上有两个区域以产生摩擦力，所以它的扭力传输会比bt/sk更高 ，第一个区域是主轴以及刀把间的接触面；第二个区域是刀把的挟持面与 主轴挟持机构的可变形部件。在使用hsk系统时有三种选择以对应扭力的 需要： a型及c型的刀把适合一般的扭力，一般的高转速 b型及d型的刀把适合高扭力，一般的高转速 e 型及f型的刀把适合低扭力，超高转速 由圖表中得知hsk刀把的扭力傳輸會比bt&sk刀把更高 精度 因为hsk的锥度壁可做弹性变形，所以hsk的刀杆与主轴可沿着锥度做径向的接触以及在其凸 出来的边缘并可同时作轴向的接触，因此hsk在轴向以及径向的的精度都可保持在0.003mm之 内。但是cat/sk/bt的话，因为只有锥度的接触面所以在径向可保持与hsk一样的精度，可是 在轴向的精度却有0.1mm的变化量。另外在铣削时轴向的力量又会再影响cat/sk/bt轴向的精 度，因而无法提升加工的精度。相反地，hsk因为主轴与刀杆有凸出来的边缘可做接触，所 以可减少在精加工时因为轴向力量在精度上的影响。 左边之图表为hsk与 sk刀把在切削时切削 力对于其轴向及径向 的精度影响。 碰撞、维修、主轴 cat/sk/bt的刀杆会造成主轴前缘的磨损并且使得主轴的前缘扩大，而且当主轴转速在8000rpm以上 时，主轴接触壁扩张的速度会比刀杆的接触面来得更大，结果造成拉住刀杆的力量会将刀杆往主轴 的更里面拉进去，使得刀尖z方向的位置改变并且因为刀杆被往主轴更里面的方向固定住反而造成 换刀时的困扰。对于hsk来说并不会发生这些问题，因为hsk有锥度以及凸出来的边缘做接触，所以 刀尖的位置不会改变，因此转速的影响可不予以考虑。而且主轴的扩张速度比刀把来得小，因此不 论是在低速或是高速加工时，刀把都能紧密的固定在一个位置上。另一方面当发生撞刀时， cat/sk/bt的主轴所受到的损害必定比hsk的主轴来得严重。这是因为当cat/sk/bt的刀把越强壮时 ，发生撞刀时经由刀把传递给主轴的力量就越大，而hsk的刀把因为里面是中空的再加上又是薄壁 的设计、重量又轻，因此当发生撞刀时，它就好像保险丝一样会断掉或破碎来保护昂贵的主轴不致 于发生严重的损坏。 各种不同切削条件下的适用性： 依照加工的需要hsk共有六种不同型式的刀把及主轴可供选择-a与c的型式可用于一般的加工（a型 式用来自动换刀，c型式用来手动换刀）；b与d形式可用于转速变化不大但高扭力传输方面的加工 ，同样地b型式用来自动换刀，d型式用来手动换刀；最后e与f的型式建议用做低扭力、超高转速而 且自动换刀方面的加工。由于考虑balance的问题，所以hsk在几何上完全都是对称的设计。 铣刀种类 、依几何形状区分 、依刀具装置区分 、依几何形状区分 在模具銑削加工中，由於模具本身即是有複雜造型之工件，在考慮切削效率、刀 具壽命以及工件形狀等的因素下，因此要只使用單一種形狀之銑刀便可將模具 加工完成是不可能的。所以在模具加工中常會需要用到不同形狀的銑刀來加工模 具，一般模具加工最普遍使用的銑刀有以下三種： a、端銑刀end mill b、球刀ball-nose cutter c、圓鼻刀toroidal cutter 端銑刀 端銑刀之外形如右圖所示，銑刀之外緣及底面均有銑齒以構 成切刃，所以可以用來銑削工件之垂直面以及垂直面。端銑 刀之刀形變化非常複雜，適用於各類加工，如：銑平面、溝 槽或輪廓面等等，可說是被運用最為廣泛的一種銑刀。一 般來說端銑刀非常適用於2d形狀的工件，但是應用於3d形狀 的模具加工時，就不是那麼的適用。我們就以下原因說明端 銑刀應用於模具加工時所發生的問題： 一、如右圖框框所指出的區域，你可以看到此處為一尖點。 所 以甚為脆弱，一但此處尖點崩壞，那麼銑刀壽命也就隨之 完結。所以端銑刀的壽命不甚穩定。 二、在銑削2d形狀的工件時，由於與工件接觸的區域為外緣 與底面，所以不論是刀間距或是切削深度都可以使用極有效 率的數值。反之如果用於銑削3d形狀的模具時，你可以發現 與工件接觸的區域幾乎都是靠近尖點的部位，所以你必須要 減少刀間距或是切削深度，因此加工效率降低。 r=0 d 所以在模具加工中，端銑刀一般會被用來加工模具中的2d區域，如：垂直面以及 水平面或是模具中尖角的區域會用端銑刀將之加工出來。而在傳統方式的模具加 工中，端銑刀也會被用來作粗加工。下面圖示為端銑刀的實際加工範例。 輪廓加工銑削垂直 壁 銑削溝槽 銑削袋形 工件 球形銑刀 d r d=2r 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 的接触位置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： 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点的位置其对应的 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置会不断的改变，因此切削速度一直在改变。在 一、切削速度vc a b c d 1 2 3 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 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 面质量当然会大受影响。 二、刀具損耗 a b c 球刀在铣削较平坦的区域时，如下：此时与工件接触的位置大部分都为 a、b、c这几个位置。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。 a 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。下面图标为球刀 的实际加工范例。 粗加工 精加工 圆鼻刀 d r d2r 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置不同，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 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。 a b c d 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置。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、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两点的位置时 ，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。 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。 、依刀具装置区分 一、舍弃式刀具 二、整体式刀具 一般就銑刀的使用方式可將其區分為下列兩種形式的銑刀： 舍弃式刀具 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。 舍弃式圆鼻刀 舍弃式球刀 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。 圓鼻刀球刀端銑刀 刀具挟持 铣刀之形式、种类甚为繁多，故铣刀挟持方式亦视铣刀之形式、种类等 之不同而异。铣刀之挟持是否适合与正确，所直接影响的就是铣削的过 程与结果，诸如工作之精度、铣刀之寿命等。铣刀挟持的精准度可与 量具的精准度相比，故应重视及了解其正确之使用，以期能精准的将铣 刀装于机台上从事铣削工作。铣刀之挟持方式大致上可分为下列几种： 、侧固式 、筒夹式 、油压式 、牙固式 、热缩式 側固式 weldon 具有极高之挟持力，故常用于重切削之场合，适用于传统加工方式或传 统机台之粗重切削。不过缺点为挟持精准度低，挟持后之刀具同心度偏 摆run out of tolerance极高，所以不适用于精加工或高速加工之 铣削。 銑刀 刀把 筒夹式 chuck & collet 此为最常使用之挟持铣刀方式，因为只需更换筒夹就可以变换 不同之挟持范围，所以从经济上考虑是不错的选择。不过正因 为如此的设计，所以其挟持力不高，不适合做重切削，而且挟 持后之刀具同心度偏摆 run out of tolerance 虽然比侧固 式佳，但是因为筒夹质量的关系仍有将近0.02mm的误差。 銑刀 筒夾 刀把 油压式 hydraulic type 此挟持方式利用加压液体所产生之力量以挟持铣刀，由于液体具有流动 之特性，能均匀与刀具接触产生紧密之接合，所以挟持力高而且挟持后 之刀具同心度偏摆 run out of tolerance误差甚小，在0.01mm以内 。不过由于构造复杂，所以价格昂贵，此外其液压系统甚为脆弱在使用 时需格外小心使用避免损坏。 銑刀 刀把 牙固式 screw type 利用锁牙的方式将铣刀以及刀把作结合，使用者只需要针对螺牙的大小就可更换 铣刀的种类以及适合的大小。由于是用锁牙的方式来固定铣刀，所以挟持极为稳 固，相当适合用于粗加工，此外其刀具同心度偏摆run out of tolerance误差 与筒夹式相当，也适合用于精加工。 热缩式 heat -shrinking 利用熱脹冷縮的原理將銑刀及刀把作緊密的結合。使用時須將刀把挾持銑 刀的部位加熱使之張開，然後趁張開的同時將銑刀放入，待冷卻後其收縮 並固定銑刀。此挾持方式所產生之挾持力量非常高可使刀把及銑刀整體的 剛性更加穩固之外，其刀具同心度偏擺 run out of tolerance 誤差更 可達到0.005mm，因此不僅適用於粗加工，用於精加工更是最佳的選擇。 刀把銑刀 熱縮口 比較 1、刀具同心度偏擺run out of tolerance： 銑刀壽命會受挾持方式不同而深受影響，除了挾持剛性外，另一個就是刀 具同心度偏擺run out of tolerance。以碳化鎢材質的銑刀來說，每 一0.01mm的誤差就會造成刀具壽命10%的損耗。 2、刀把干涉： 以一般的加工經驗法則來說，銑刀的伸長量l大於銑刀直徑d的5倍時，也 就是說l5d，這時切削所產生的力量就會影響刀具，造成刀具偏擺。在 右下左邊的圖中可以清楚的看到如果刀把的大小遠大於銑刀，如果在加工 較深的區域時，為了防止刀把 碰撞工件，勢必得將銑刀伸出 的長度加長，這時切削力f就會 影響刀具。如果這時可以使用 干涉量較小的挾持方式，如熱 縮刀把，那麼就不用伸出太長 的銑刀而又可以維持相當的剛 性，如右下圖。 舍弃式刀片的磨耗及寿命 刀具从事切削工作时，刀具就会产生磨耗。刀具磨耗之型式及损坏原因很 多，例如切削状况、刀具材料、工件材料及刀具之几何形状等等。在正常 切削的情形下，刀具产生磨耗的原因一般是由下列几项所造成的。 、刀具切削时，与切削面及切屑之接触面摩擦所致。 、刀具切削时，所产生之切削压力及切削温度所致。 、刀具切削时，所产生之化学作用所致。 、切削冲击所引起之刃口破裂。 上述原因造成刀具磨耗，然而刀具进行切削工作中，会出现下列常见之磨 耗现象。 、刀腹磨耗(flank wear) 、刀面磨耗(cratering) 、粘屑性磨耗(chipping) 磨耗漸增 刀腹磨耗 flank wear 此磨耗方式又称为正常磨耗，只要刀具在切削时就一定会产生此种磨耗方 式，如下图所示。其产生原因为在切削过程中，加工面与刀腹接触面间之 摩擦所形成。磨耗的部分将会与切削面平行。因为磨耗的区域与其它未受 损部分甚易识别，因此刀腹磨耗的量可由测量磨耗刃背的宽度决定。此磨 耗方式虽不至于会使刀具崩裂但会造成刀口变钝，致使在切削操作中机器 要用更大的力量来进行切削。 刀具 刀腹磨耗之進行 刀腹磨耗 flank wear 刀面磨耗 cratering wear 在刀面部分的凹陷磨耗称为刀面磨耗，如左下图所示。产生的原因为由于 切屑在产生时与刀面产生摩擦作用，如右下图。此时因为切屑带有高温所 以会在刀面上逐渐侵蚀出一凹槽，所以又称之为侵蚀性磨耗。侵蚀性磨耗 会因为切削操作的持续进行而逐渐加宽加深直至刀尖断裂为止甚至造成刀 具的破裂。故由此可知在切削时所产生之切屑其温度会直接影响此磨耗的 生成，所以要减少此磨耗产生需注意切削温度的影响以及切屑排出是否顺 畅。 凹陷漸增漸大 刀具 刀面磨耗之進行 典型之刀具磨耗 刀面磨耗 刀腹磨 耗 侵蝕磨 耗作用 切屑 刀具 工件 刀腹磨 耗作用 刀面磨耗 cratering wear 粘屑性磨耗 chipping 通常此刀具磨耗发生的原因为使用较低的切削速度所造成的。由于切削速 度太低会发生熔接weld的现象致使小微粒的切屑熔接于刀具上。所以 刀具发生熔接现象的部位性质会被改变，不再具有切削的作用，因此当切 削操作持续进行时这些部位因为无法承受切削作用就会从刀刃剥落，造成 刀具的破损，而破损的刀刃处又会因失去切削作用进而影响周围刀刃的切 削导致破损范围逐渐增加，最后快速的导致刀具完全的损坏。由于此磨耗 方式会造成刀具立即性的损坏并且直接影响切削效果，并不像前两者磨耗 方式会逐渐的产生，所以此磨耗方式为三种磨耗方式中最差、最为严重的 一种。有些粘屑性的磨耗其破损通常不明显而且相当细微，它的外观常会 与刀腹磨耗混淆所以需仔细的检查。 粘屑性磨耗 chipping cratering wear flank wear chipping 切削速度與磨耗量的關係 磨耗量 切削速度130m/min300m/min 刀具磨耗 wear 切削溫度 temperature 切削力 force 切削速度vc切削深度ap進給 fz cratering& flank wear chipping flank wear/ breaking 沒效率 breaking 太 高 太 低 太 高 太 高 太 低 太 低 刀具之能切削金属的基本要件乃为刀具须比被切削材硬，且被切削材要有 足够之力量予以固定，以使刀具施力时能切入工件。这些要件满足后其次 就是有足够之动力以克服工件材料之阻力，除此之外，刀具的几何形状也 会影响实际的切削效果甚至结果。选择适当的刀具几何可以增加刀具的寿 命、维持加工精度、减少切削之动力等等。常见之刀具相关几何如下： 、刀具刃角 、排屑槽 、过中心、未过中心刀具 、刀刃数目 刀具几何 刀具刃角 斜角的改变可由正值变化到负值，如下图所示。以切削力与所需之动力来 看，正斜角所形成的刀尖角度较小，刀具能够轻易切入工件，而且切屑流 出排除顺畅，可减少切削压力，所以切削效率较大。但太大的正斜角形成 尖锐的刀尖，故刀口较脆弱易于磨耗或崩裂。负斜角则反之具有较强之切 刃，刀口强度较大适合切削高强度的材料。 斜角rake angle 刀具刀具刀具 工件 工件工件 切屑 切屑 切屑 正斜角零斜角負斜角 又称之为离隙角，均为正值。其作用为刀具切入工件时，避免刀腹与工 件表面产生么擦或物理现象之干扰现象，如下图。小的间隙角给予切刃 有较大的支撑，一般用于有高强度机械性质的工件材料。大的间隙角可 使刀刃尖锐，但刀口强度减低，易于磨耗或崩裂，适合较软或低强度的 工件材料。 間隙角relief angle 較小之間隙角具 有較強之切刃。 零或負的間隙角 會使刀腹在工件 表面上拖滯而阻 止刀具之切入。 較大間隙角之切 刃會較尖銳但是 脆弱。 螺旋角helix angle fh fvf 左旋切削及 左螺旋角銑刀 右旋切削及 右螺旋角銑刀 此为铣刀之刀槽成螺旋状，可分为左螺旋及右螺旋两种，如下。在切 削时当刃刃进入工件时，如右下图切削力 f 会瞬间增至最大，当刀刃 离开工件时，切削力急速降低，此为造成切削时发生震动的原因。螺 旋角此时的作用可避免切削力过于集中某个方向，让切削力分散于其 它两个方向-水平分力fh以及垂直分力fv。当螺旋角越小时，水平分 力fh会变大，造成切削时刀具摆动；螺旋角越大时，垂直分力fv会 变大，在切削时要是挟持刀具的力量不够时，刀具可能会从刀把中脱 离，当刀具在高速旋转时这是非常危险的。常见的螺旋角有30?、38? 、45?、60?。 排屑槽 切削加工中切屑之排出，理想的切屑处理状况是切屑流出时不致干扰或刮伤工件表面或撞 击刀具和伤害到工作者，所以切屑要能够自然断裂成小碎段并且排出至其它地方。故切屑 之控制不仅要考虑切屑的流向，而且须使切屑自动断裂。为达到此要求，一般会在刀顶面 上作一种设计，能够自动限制切屑长度的机构称之为排屑槽或断屑槽chip breaker。 其目的为使切屑能够急速卷曲，藉卷曲的应力迫使切屑断裂。一般的排屑槽设计如右下： 槽宽w：使产生切屑时形成卷曲，若槽宽太大，则卷曲半径较大，产生的卷曲应力不足以 折断切屑；若太小，则反之，产生之应力过大时，易使切刃崩裂。 槽深h：影响切屑流出的稳定性，若太深则切屑流向槽肩时之卷曲所需的力量较大，易引 起刀刃破裂；若太浅则切屑可能未流至槽肩时即自行离去，使切屑流向不易控制。 槽肩r：为切屑由断屑槽卷起作用之部位，关系卷起时之顺畅与否，直接影响卷曲力之大 小，若半径太大则切屑易滑上，卷曲应力可能不足以将切屑折断；若半径太小，切屑易被 堵塞滑上不易，将产生极大的挤压应力。 適中太大太小 排屑槽之寬度 排屑槽之構造 过中心、未过中心刀具 過中心未過中心 無刀刃區域 舍弃式圆鼻刀在制作时，通常刀具直径d 会比刀刃r 角大上许多，所以在其底部中 间的位置刀刃会未过中心而出现无刀刃区域，也就是说这个区域无切削能力，如左 下图。当碰到在加工孔或凹槽形状的工件时，这时会发生右下图的加工问题。虽然 刀具的大小可以进入这些区域，但是因为刀刃未过中心，所以刀刃会切削不到中间 的料而留下图中黄色柱状的余料，随着越往深处加工，此余料的高度会增加，最后 撞到刀具的底部造成刀具损坏。而过中心刀具则是其刀刃过中心，所以没有这样的 问题，因此又称钻孔刀具。 刀刃數目 铣刀的刀刃数目与切削效果的关系会受工件材料，铣刀形状 以及加工面光度等等之影响而异，刃数较多之铣刀，因有较 多之切刃产生切削作用，故可获得更光洁平滑之加工面，不 过因为无充分之切屑空间以容纳切屑，易受切屑之干扰，且 刀刃之强度会较弱。所以一般粗切削，高进给，尤其是较软 之材料时，需有较大的切屑空间，而提供切屑空间的最佳方 法，即是减少刃数、增大刀刃，不仅能加大切屑空间，亦可 增大刀刃之强度，而且铣刀之再研磨次数与寿命也可增加。 因此考虑加工方法时，重及粗切削宜选用刃数少、粗齿之铣 刀；细及精加工宜选择刃数多、较细齿之铣刀。 刀具的有效切削直徑 球刀在较接触平坦的区域时，其底部中心点切削速度几乎为零。在精加工 时工件完成之表面会质量不一。下图为球刀在精加工时，底部与切削量的 几何形状，为了使此区域也能产生有效的切削速度，这时必须计算球刀的 有效切削直径dw，切削直径与此几何形状的关系如下- dw=2(r2-(r-ap)2)1/2 d r dw ap 举例来说，使用8r4的球刀精修，工件精修前最后的裕留量为0.2mm，所以此时- dw=2(42-(4-0.2)2)1/2 dw=2.45mm 当切削速度为200m/min时，在加工 陡峭的区域 时，转速- n=200000/( 8)，n=8000rpm 而在加工平坦的区域时，转速- n=200000 /( 2.45)，n=26000rpm 由此可知，随着加工的区域不同，球刀的 需求转速会呈现剧烈的变化。 d r dw ap 使用圆鼻刀时，其刀具有效切削直径- dw=(d-2r) +2 (r2-(r-ap)2)1/2 举例来说，使用d8r2的圆鼻刀精修，工件精修前最后的裕留量为 0.2mm，所以此时- dw=(8-22) +2 (22-(2-0.2)2)1/2 dw=5.74mm 当切削速度为200m/min时，在加工 陡峭的区域时，转速- n=200000/( 8)，n=8000rpm 而在加工平坦的区域时，转速- n=200000 /( 5.74)，n=11000rpm 由此可知，虽然圆鼻刀也会 随着加工的区域不同，其转 速随之变化。但是变化量并 不像球刀有剧烈的变化，而 且不会等于零。 刀具材质&镀层 、刀具材質- 近代機制生產能力不斷的大幅提高，尤其在大量生產的工作要求下，從事于大量且高速 的切削工作。為發揮高性能工作母機應有之生產工作效能，則切削刀具尤須密切的配合 。為了發揮刀具之切削能力，故刀具材料需有顯著之進展與改良，目前使用之各種刀具 材料均有其特性以適應各種不同加工的要求。一般刀具材料必須具備的性能為生產製造 費用須最低、具有高溫之抵抗軟化的能力、低的摩擦係數、較高的抵抗磨耗性質，導熱 性良好、充分的韌性以及耐衝擊性等等，一般使用的刀具材料有下列幾種： 高速鋼、燒結式碳化物 carbides 、瓷金工具cermet 陶瓷刀具ceramics、cbn刀具 、鍍層- 由於工程材料不斷持續的發展，在1960年之後，陸續開發出新一代的合金材料。這些新 材料不僅有高強度，而且具有高磨損性甚至有極高的化學性質，在切削時會與切削刀具 產生化學作用造成侵蝕現象。除此之外，在時間及成本降低的要求下，高速切削正逐漸 被人們廣泛的接受。因此以往的刀具材料已不敷人們的需求。在因應如此嚴格的需求下 ，發展出刀具材料再加上鍍層保護。具有鍍層保護的刀具其壽命將近是一般沒有鍍層刀 具的10倍，常見的刀具鍍層有下列幾種： uncoated 未鍍層、tin 氮化鈦、ticn 氮碳化鈦 tialn 氮鋁鈦、al2o3 氧化鋁 刀具材料&镀层与加工时间 碳鋼 carbon steel 高速鋼 hss 鑄造合金 cast cobalt-base alloys 超硬合金 cemented carbides 新超硬合金 improved carbide grades 鍍層 first coated grades 雙鍍層 first double-coated grades 複合鍍層 first triple-coated grades 加工時間 年代 100 26 15 6 3 1.5 1 0.7 1900 ,10,20,30,40,50,60,70,80 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。 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500600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4.57 %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。 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： 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 ） 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 9092。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： 碳化钨加钴粉制造而成，密度大、耐磨耗高、又称为普通碳化物。但是因为其韧性低， 不宜用于切削性不良之材料，适用于切削铸铁、非铁金属以及硬化钢。 碳化钨加碳化钛及钴粉制成，密度较小、耐磨耗，又称为钛碳化物，适用于一般材料、 钢材之切削。 碳化钨加碳化钛、碳化钽及钴粉制造而成，密度与k级相同。其性质介于p、k级碳化物 之间，具有相当之强度及韧性，又称为钽碳化物。适用于切削不锈钢、合金钢、延性铸 钢等抗拉强度大而难以切削的材料。 碳化物超硬合金 iso分类-碳化物系列 主要類別 p 顏色：藍色 適合重切削量 m 顏色：黃色 適合重切削量及韌 性強而難以切削的 材料 k 顏 色：紅色 適合微量切削與精 加工 適用切削材料 鋼 鑄鐵 4系列不銹鋼 鑄鐵 耐熱鋼 錳鋼 鎳合金 3系列不銹鋼 等 級 k01 k03 k10 k20 k30 k40 m01 m10 m20 m30 m40 耐磨耗性 韌性 p01 p10 p20 p30 p40 p50 切削速度增 高耐磨耗性 增大 切削速度增 高耐磨耗性 增大 切削速度增 高耐磨耗性 增大 韌性增大 切削量增大 韌性增大 切削量增大 韌性增大 切削量增大 硬化鋼 鑄鐵 非鐵金屬 瓷金工具 cermet tools 碳化硅tic具有良好的高温硬度、高温耐氧化性、耐凹蚀性crater，所以 开发出tic与ni的烧结合金，称之为瓷金工具。为介于碳化物合金与陶瓷 工具之间的工具材料。 材质: tic（titan carbide）碳化钛(最常使用) ticn（titan carbonitrit）氮碳化钛 tin（titan nitrit）氮化钛 wc（wolfram carbide）碳化钨 金属结合剂: ni / co（nickel / cobalt）镍/钴 瓷金工具的优点：适合切削 高硬度的超硬合金 或是用来作钢及铸铁材料的精加工 陶瓷工具ceramic tools 陶瓷工具可分為兩種基本類型： a型& b型 a型：以氧化鋁(al 2o3 ) 為主 a1 = 純的氧化鋁 a2 = 添加 20 40 的碳化鈦(tic)和氮化鈦(tin)來加以混和a3 = 增加碳化矽 晶體的含量 b型：以氮化矽(si3n4 )為主 以氧化铝（al 2o3）为主体，而类似于陶瓷器的材料。通常是在纯度为99.5%以上的al 2o3中加入微 量的mgo、cao、na2o、k2o、sio2等而在1600以上加以烧结制成。与前述瓷金工具不同的是烧结时 不使用结合剂。mgo、sio2的添加物是为了保持al 2o3粒子的细微，而且使密度增加。在高温时具有 极大的硬度及强度，此为其特征。所以可比wc系超硬合金在更高的速度进行切削，而且在切削时可 以不需要使用切削剂。但是因为陶瓷工具比wc系合金更脆而缺乏耐冲击性，所以仅做为最后精加工 或半最后加工用的切削工具。 以氮化硅(si3n4 )为主体，氮化物系陶瓷中之氮化硅(si3n4 )因其热冲击抵抗大，机械强度可维持 到高温，另外亦有优良的耐氧化性及耐蚀性所以适合高温机械零件与切削工具等。近年来已成为最 重要的机械零件用新陶瓷。 a型 b型 陶瓷刀具的选用 陶瓷刀具又称为氧化刀具，硬度极高，可达到hra 94。陶瓷的耐热性可达 到1200，有极高之抗压强度，不过脆性太大所以强度不高，因此切削量 不能太大，故适合最后精加工或半最后加工用之切削工具或是其它高度耐 磨之非金属。 ntk hc1 ntk c1 ntk hc2 分類性