数控机床-第6章数控刀具

6.1数控加工对刀具的要求6.1.1数控刀具在数控加工中的地位和作用数控刀具是指与这些先进高效的数控机床相配套使用的各种刀具的总称，是数控机床不可缺少的关键配套产品，数控刀具以其高效、精密、高速、耐磨、长寿命和良好的综合切削性能取代了传统的刀具。传统刀具与现代数控刀具的比较见表6-10.下一页返回6.1数控加工对刀具的要求数控刀具的重要性主要表现在以下几方面。

(1)数控刀具的性能和质量直接影响到数控机床生产效率的高低、加工质量的好坏和经济效益。

(2)数控刀具不仅为先进制造业提供厂高效、高性能的切削刀具，而且还由此开发出厂许多新的加工工艺，成为当前先进制造技术发展的重要组成部分和显著特征之一。

(3)数控刀具具有“三高一专”(即高效率、高精度、高可靠性和专用化)的特点，广泛应用于高速切削、精密和超精密加工、干切削、硬切削和难加工材料的加工等先进制造技术领域，可提高加工效率、加工精度和加工表面质量。

(4)随着数控机床的应用越来越广，数控加工技术代表了现代切削加工技术的发展方向，而切削加工技术的进步是与数控机床和数控刀具的发展和应用密不可分的。只有把数控机床和数控刀具结合起来，才能充分发挥数控加工技术的潜力。上一页下一页返回6.1数控加工对刀具的要求6.1.2数控加工对刀具的要求数控加工对刀具提出的具体要求如下。

1.刀具材料应具有高的可靠性

2.刀具材料应具有高的耐热性、抗热冲击性和高温力学性能

3.数控刀具应具有高的精度上一页下一页返回6.1数控加工对刀具的要求4.数控刀具应能实现快速更换5.数控刀具应系列化、标准化和通用化6.数控刀具大量采用机夹可转位刀具7.数控刀具大量采用多功能复合刀具及专用刀具8.数控刀具应能可靠地断屑或卷屑9.数控刀具材料应能适应难加工材料和新型材料加工的需要上一页返回6.2刀具基本几何参数及选用6.2.1刀具的表面与几何参数1.刀具表面与切削刃任何刀具都是由刀柄(刀体)和刀头(刀齿)组成的。刀柄或刀体用于夹持刀具，刀头或刀齿构成刀具的切削部分，担负着切削工作。金属切削加工所用刀具种类繁多，形状各异，但是它们参加切削的部分在几何特征上都有相同之处。外圆车刀的切削部分可作为其他各类刀具切削部分的基本形态，其他各类刀具就其切削部分而言，都可以看成是外圆车刀切削部分的演变。因此，通常以外圆车刀切削部分为例，来确定刀具几何参数的有关定义。下一页返回6.2刀具基本几何参数及选用外圆车刀切削部分包括:(1)前面:刀具上切屑流过的表面。

(2)主后面:刀具上与工件过渡表面相对的表面。

(3)副后面:刀具上与工件已加工表面相对的表面。

(4)主切削刃:前面与主后面相交而得到的刃边(或棱边)，用于切出工件上的过渡表面，完成主要的金属切除工作。

(5)副切削刃:前面与副后面相交而得到的刃边，它配合主切削刃完成切削工作，最终形成工件已加工表面。外圆车刀切削部分的名称和刀具的几何角度图6-4所示。上一页下一页返回6.2刀具基本几何参数及选用2.正交平面参考系刀具切削部分的几何角度是在刀具静止参考系定义的(也是刀具设计、制造、刃磨和测量时几何参数的参考系)。下面介绍刀具静止参考系中常用的正交平面参考系。正交平面参考系如图6-5所示。

(1)基面通过切削刃选定点垂直于主运动方向的平面。

(2)切削平面通过切削刃选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。

(3)正交平面通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。上一页下一页返回6.2刀具基本几何参数及选用3.刀具的主要的标注角度在刀具静止参考系中定义的角度称为刀具标注角度如图6-4所示，几个主要角度的定义和作用见表6-2所示。6.2.2前角及前面的选择合理的刀具几何参数选择，就是指在保证加工质量的前提下，选择能满足提高生产率和降低生产成本的几何参数。当刀具材料与刀具结构确定后，合理选择刀具几何参数是保证加工质量、提高效率、降低成本的有效途径。上一页下一页返回6.2刀具基本几何参数及选用1.前角的功用前角增大，使刃口锋利，利于切下切屑，能减少切削变形和摩擦，降低切削力、切削温度，减少刀具磨损，改善加工质量，抑制积屑瘤，减少加工硬化等。但前角过大，会导致刀具强度降低、散热体积减小、刀具耐用度下降、容易造成崩刃。前角减小，可提高刀具强度，增大切屑变形，且易断屑。但前角过小，会使切削力和切削热增加，刀具耐用度下降。2.前角的选择原则选择方法从表6-3列出的几个方面考虑。3.前面形式刀具前面的形式是指主剖面内刀具前面的形状和尺寸。常用的刀具前面形式和选用见表6-4.上一页下一页返回6.2刀具基本几何参数及选用6.2.3后角及后面的选择1.后角的功用后角的主要功用是减小刀具后面与工件的摩擦，减轻刀具磨损。

2.后角的选择原则后角主要应根据切削层公称厚度选取。粗加工时以确保刀具强度为主，后角可取小值(α0=4°~6°);精加时以保证加工表面质量为主，一般取α0=8°~12°。上一页下一页返回6.2刀具基本几何参数及选用3.后面的形式

(1)双重后角为了保证刃口强度，减少刃磨后面的工作量，常在车刀后面上磨出双重后角，如图6-7(a)所示。

(2)消振棱为了增加后面与工件表面之间的接触面积，增加阻尼作用，消除振动，可在后面上刃磨出一条有负后角的倒棱，称为消振棱，如图6-7(b)所示。消振棱的参数为:b0=0.1~0.3mm,a01=-5°~-20°上一页下一页返回6.2刀具基本几何参数及选用(3)刃带对一些定尺寸刀具，如拉刀、铰刀等，为便于控制外径尺寸，避免重磨后尺寸精度迅速变化，常在后面上刃磨出后角为零度的小棱边，称为刃带。刀具上的刃带使刀具起稳定、导向和消振的作用。刃带不宜太宽，否则会增大摩擦作用。刃带的宽度为b0=0.02~0.3mm。6.2.4主、副偏角及过渡刃的选择1.主偏角的功用主偏角的功用主要影响切削力的大小、方向、刀具耐用度、已加工表面的粗糙度。上一页下一页返回6.2刀具基本几何参数及选用2.主偏角的选择原则在工艺系统刚度允许的情况下，选择小的主偏角，有利于提高刀具的耐用度。硬质合金车刀合理主、副偏角的参考值见表6-5。3.副偏角的功用副偏角的功用主要是减小副切削刃和已加工表面的摩擦。

4.副偏角的选择主要根据工件已加工表面的粗糙度要求和刀具强度来选择，在不引起振动的情况下，尽量取小值。但切断刀、锯片刀为保证刀头强度，只能取很小的副偏角，一般取k’r=1°~2°上一页下一页返回6.2刀具基本几何参数及选用5.过渡刃的功用与选择过渡刃有两种形式。(1)直线过渡刃如图6-8(a)所示，参数有:倒角刀尖长度bε、倒角刀尖偏角。一般取bε为0.5~2mm，。直线过渡刃多用在粗加工或强力切削车刀、切断刀以及钻头等多刃刀具上。(2)圆弧过渡刃如图6-8(b)所示，又称圆弧刀尖，参数为刀尖圆弧半径rε多用在单刃刀尖上，如车刀、刨刀等。高速钢车刀rε为1~3mm,硬质合金和陶瓷车刀rε为0.5~1.5mm。

(3)修光刃当直线过渡刃的参数,bε>f或圆弧过渡刃的参数r。很大时，该过渡刃又称修光刃，如图6-9所示。它可以减小用大进给量切削时的残留面积高度，使表面粗糙度值减小。上一页下一页返回6.2刀具基本几何参数及选用6.2.5刃倾角的功用及选择1.刃倾角功用刃倾角主要影响切屑流向和刀尖强度。2.刃倾角的选择刃倾角主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。一般皆选用正刃倾角，有冲击时采用负刃倾角，选择时可参考表6-6.上一页返回6.3数控刀具材料及选用6.3.1刀具材料应具备基本性能刀具材料应具备如下一些基本性能:(1)硬度和耐磨性。

(2)强度和韧性。

(3)耐热性。

(4)工艺性能和经济性。下一页返回6.3数控刀具材料及选用6.3.2刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用

1.金刚石刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用

(1)金刚石刀具的种类

1)天然金刚石刀具

2)PCD金刚石刀具

3)CVD金刚石刀具

(2)金刚石刀具的性能特点

1)极高的硬度和耐磨性。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用2)具有很低的摩擦系数。3)切削刃非常锋利。4)具有很高的导热性能5)具有较低的热膨胀系数。(3)金刚石刀具的应用金刚石刀具多用于在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削和锁孔。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用2.立方氮化硼刀具材料的种类、性能和特点及刀具的应用(1)立方氮化硼刀具的种类立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物质，有单晶体和多晶体之分，即CBN单晶和聚晶立方氮化硼(Polycrystallinecubicbornnitride,PCBN).CBN是氮化硼(BN)的同素异构体之一，结构与金刚石相似。

PCBN刀具可分为整体PCBN刀片和与硬质合金复合烧结的PCBN复合刀片。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用(2)立方氮化硼的主要性能、特点立方氮化硼的硬度虽略次于金刚石，但却远远高于其他高硬度材料。CBN的突出优点是热稳定性比金刚石高得多，可达1200℃以上(金刚石为700~8000C;另一个突出优点是化学惰性大，与铁元素在1200~1300℃下也不起化学反应。立方氮化硼的主要性能特点如下所述。1)高的硬度和耐磨性。2)具有很高的热稳定性。3)优良的化学稳定性。4)具有较好的热导性。5)具有较低的摩擦系数。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用(3)立方氮化硼刀具应用立方氮化硼适于用来精加工各种淬火钢、硬铸铁、高温合金、硬质合金、表面喷涂材料等难切削材料。立方氮化硼刀具材料的韧性和抗弯强度较差。因此，立方氮化硼车刀不宜用于低速、冲击载荷大的粗加工;同时不适合切削塑性大的材料(如铝合金、铜合金、镍基合金、塑性大的钢等)，因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤，而使加工表面恶化。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用3.陶瓷刀具材料的种类、性能和特点及刀具的应用

(1)陶瓷刀具材料的种类陶瓷刀具材料一般可分为氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、复合氮化硅一氧化铝基陶瓷三大类。(2)陶瓷刀具的性能、特点陶瓷刀具的性能特点如下所述。

1)硬度高、耐磨性能好。

2)耐高温、耐热性好。

3)化学稳定性好。

4)摩擦系数低。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用(3)陶瓷刀具有应用陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具适用于切削加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁)和钢材(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬火钢等)，也可用来切削铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。陶瓷刀具材料性能上存在着抗弯强度低、冲击韧性差的问题，不适于在低速、冲击负荷下切削。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用4.涂层刀具材料的性能和特点及刀具的应用(1)涂层刀具的种类根据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相沉积(CVD)涂层刀具和物理气相沉积(PVD)涂层刀具。根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具以及在陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层刀具等。根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。最近开发了纳米涂层(Nanoeoating)刀具。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用(2)涂层刀具的特点涂层刀具的性能特点如下所述。

1)力学和切削性能好。

2)通用性强。

3)涂层厚度。

4)重磨性。

5)涂层材料。

(3)涂层刀具的应用涂层刀具在数控加工领域有着巨大潜力，将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种。涂层技术已应用于立铣刀、铰刀、钻头、复合孔加工刀具、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、成型拉刀及各种机夹可转位刀片，满足了高速切削加工各种钢和铸铁、耐热合金和有色金属等材料的需要。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用5.硬质合金刀具材料的种类、性能和特点及应用(1)硬质合金刀具的种类按主要化学成分区分，硬质合金可分为碳化钨基硬质合金和碳(氮)化钛(TiC(N))基硬质合金。(2)硬质合金刀具的性能特点硬质合金刀具的性能特点如下所述。

1)高硬度

2)抗弯强度和韧性(3)常用硬质合金刀具的应用

YG类合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用YT类合金适合于加工塑性材料如钢材，但不宜加工钛合金、硅铝合金。

YW类合金兼具YG,YT类合金的性能，综合性能好，它既可用于加工钢料，又可用于加工铸铁和有色金属。这类合金如适当增加钻含量，强度会很高，可用于各种难加工材料的粗加工和断续切削。6.高速钢刀具的种类和特点及应用按用途不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。(1)通用型高速钢刀具通用型高速钢一般可分钨钢、钨钼钢两类。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用(2)高性能高速钢刀具主要有以下几大类。1)高碳高速钢。2)高钒高速钢。3)钴高速钢。4)铝高速钢。5)氮超硬高速钢。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用(3)熔炼高速钢和粉末冶金高速钢按制造工艺不同，高速钢可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

1)熔炼高速钢。普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法制造的。

2)粉末冶金高速钢(PMHBB)。粉末冶金高速钢(PMHBB)是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压氢气或纯氮气使之雾化，再急冷而得到细小均匀的结晶组织(高速钢粉末)，然后将所得的粉末在高温、高压下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用6.3.3数控刀具材料的选用原则各种刀具材料的主要性能指标见表6-7.1.切削刀具材料与加工对象的力学性能匹配

1)刀具材料硬度顺序为:金刚石刀具>立方氮化硼刀具>陶瓷刀具>硬质合金>高速钢。

2)刀具材料的抗弯强度顺序为:高速钢>硬质合金>陶瓷刀具>金刚石和立方氮化硼刀具。

3)刀具材料的韧度大小顺序为:高速钢>硬质合金>立方氮化硼、金刚石和陶瓷刀具。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用2.切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配

1)各种刀具材料的耐热温度:金刚石刀具为700~800℃,PCBN刀具为13000~1500℃、陶瓷刀具为1100~1200℃、TiC(N)基硬质合金为900~1100℃、WC基超细晶粒硬质合金为800~900℃、HSS为600一700℃2)各种刀具材料的导热系数顺序:PCD>PCBN>WC基硬质合金>TiC(N)基硬质合金>HSS>Si3N4基陶瓷>A12O3基陶瓷。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用3)各种刀具材料的热胀系数大小顺序为:HSS>WC基硬质合金>Tic(N)>Al2O3基陶瓷>PCBN>Si3N4基陶瓷>PCD.4)各种刀具材料的抗热震性大小顺序为:HSS>WC基硬质合金>Si3N4基陶瓷>PCBN>PCD>TiC(N)基硬质合金>Al2O3基陶瓷。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用3.切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配

1)各种刀具材料抗粘接温度高低(与钢)为:PCBN>陶瓷>硬质合金>HSS.2)各种刀具材料抗氧化温度高低为:陶瓷>PCBN>硬质合金>金刚石>HSS.3)各种刀具材料的扩散强度大小(对钢铁)为:金刚石>Si3N4基陶瓷>PCBN>A12O3基陶瓷。扩散强度大小(对钛)为:A12O3基陶瓷>PCBN>SiC>Si3N4>金刚石。上一页下一页返回6.3数控刀具材料及选用4.数控刀具材料的合理选择一般而言，PCBN、陶瓷刀具、涂层硬质合金及TiCN基硬质合金刀具适合于钢铁等黑色金属的数控加工;而PCD刀具适合于对Al,Mg,Cu等有色金属材料及其合金和非金属材料的加工。上述刀具材料所适合加工的一些工件材料见表6–8。上一页返回6.4可转位刀具6.4.1可转位刀具的概念可转位刀具是将具有数个切削刃的多边形刀片，用夹紧元件、刀垫，以机械夹固方法将刀片夹紧在刀体上。当刀片的一个切削刃用钝以后，只要把夹紧元件松开，将刀片转一个角度，换另一个新切削刃，并重新夹紧就可以继续使用。当所有切削刃用钝后，换一块新刀片即可继续切削，不需要更换刀体。如图6-10所示为可转位刀具的基本组成。下一页返回6.4可转位刀具6.4.2可转位刀片的型号及表示方法按国家标准规定，不同用途的可转位刀具，型号的表示也有所不同，如果型号中不加前缀，即指装有硬质合金可转位刀片的可转位刀具;可转位刀具可以根据被加工材料的需要装夹其他材料的可转位刀片，但必须加前缀。如装夹陶瓷可转位刀片的车刀，称为陶瓷可转位车刀。上一页下一页返回6.4可转位刀具

我国硬质合金可转位刀片的国家标准采用的是ISO国际标准，已经颁布了6项，即GB/T2076-1987~GB/T2081-1987。产品型号的表示方法、品种规格、尺寸系列、制造公差以及mm值尺寸的测量方法等，都与ISO标准相同。《切削刀具用可转位刀片型号表示规则》(GB/T2076-1987)中，可转位刀片的型号由代表一给定意义的字母和数字代号按一定顺序排列所组成，共有10个号位。其格式举例见表6-9。如图6-11所示为可转位车刀片的型号的含义;如图6-12所示为可转位铣刀片表示规则示意图。上一页下一页返回6.4可转位刀具6.4.3可转位刀片的装夹方式1.可转位刀片装夹的基本要求可转位刀片夹紧的基本要求是:(1)刀片定位准确，刀片转位或更换方便、迅速。

(2)夹紧力方向应尽可能与切削力方向一致，并应将刀片推向定位支承面，以利于定位和夹紧可靠，在切削过程中不能产生松动或使刀尖位置发生变化。

(3)夹紧力不宜过大，且应分布均匀，以免压碎刀片。

(4)夹紧机构应力求紧凑，尽可能无外露件，以利于切屑和切削液流动畅通和便于断屑。

(5)制造工艺性好，即刀体及其元件制造容易，有利于采用先进制造工艺方法。上一页下一页返回6.4可转位刀具2.刀片在刀体上的安装方式刀片在刀体上的安装有平装和立装两种方式:平装式是指刀片沿刀体的径向排列安装;立装是指刀片沿刀体的切向排列安装。

(1)刀片平装(刀片径向排列)，如图6-14所示。

(2)刀片立装(刀片切向排列)，如图6-15所示。

3.可转位铣刀刀片的夹紧方式及典型结构选择铣刀片的夹紧方式时，除厂要满足刀片夹紧的基本要求，还应结合铣削的实际加工条件和加工要求，综合考虑刀体的尺寸和刚性、刀片的形状和尺寸、铣刀的几何参数和切削情况、容屑空间和齿距等问题。铣刀片的夹紧方式很多，并有相应的典型结构，各种典型结构又有其各自的特点。刀片夹紧方式的典型结构及其特点见表6-13。上一页下一页返回6.4可转位刀具4.数控可转位刀具组装方法

(1)认识刀具组成元件、刀片定位夹紧机构特点，了解它们的功用，准备机夹或刀体，规定扳手等工具。

(2)清除安装面及安装配件上的异物，擦拭干净后再安装刀片。

(3)使用规定的刀片或配件。安装时使用规定的扳手按规定的扭矩操作。

(4)确认刀片和配件是否安装牢固。避免切削脱落飞散，引起伤害。

(5)避免刀片或配件安装时拧压过紧造成损伤，不要使用如套管之类的辅助加力工具。上一页下一页返回6.4可转位刀具6.4.4可转位刀具选用方法1.刀片夹紧方式的选择在国家标准中，一般夹紧方式有上压式(代码为C)、上压与销孔夹紧(代码M),销孔夹紧(代码P)和螺钉夹紧(代码S)四种，有的公司还有牢固夹紧(代码为D)

各夹紧方式适用不同形式的刀片，如无孔刀片常用上压式(C型)，陶瓷、立方氮化硼等刀片常用此夹紧方式。D和M型夹紧可靠，适用于切削力较大的场合，如加工条件恶劣、钢的粗加工、铸铁等短屑的加工等。上一页下一页返回6.4可转位刀具2.刀片外形的选择刀片外形与加工的对象、刀具的主偏角、刀尖角和有效刃数等有关。不同的刀片形状有不同的刀尖强度，一般刀尖角越大，刀尖强度越大，反之亦然。

3.刀片后角的选择常用的刀片后角有N(0°),C(7°),P(11°),E(20°)等，一般粗加工，半精加工可用N型。半精加工、精加工可用C型、P型，也可用带断屑槽形的N型刀片。加工铸铁、硬钢可用N型。加工不锈钢可用C型、P型。加工铝合金可用P型、E型等。加工弹性恢复性好的材料可选用较大一些的后角。一般锁孔刀片，选用C型、P型，大尺寸孔可选用N型。上一页下一页返回6.4可转位刀具4.切削刃长度的选择切削刃的长度应根据加工余量来定，最多是刃长的2/3参加切削。要考虑到主偏角对有效切削刃长度的影响。5.刀片精度等级的选择刀片精度等级根据加工要求选择，在保证加工精度的前提下，降低成本。一般来说，精密加工选用高精度的G级刀片;精加工至重负荷粗加工可选用M级、粗加工可选用U级刀片。上一页返回6.5数控铣削工具系统6.5.1数控铣削工具系统的概述数控工具系统是指连接数控机床与刀具的系列装夹工具。为实现刀具的快速、自动装夹，数控机床工具系统除了刀具本身外，还包括实现刀具快换所必须的定位、夹紧、抓拿及刀具保护等机构。数控铣削加工刀具一般由工具柄部、刀具装夹部分和刀具组成，如图6-16所示。下一页返回6.5数控铣削工具系统6.5.2整体式结构锁铣类工具系统

1.典型的整体式膛铣类工具系统整体式数控刀具系统的柄部与装夹刀具的工作部分连成一体，不同品种和规格的工作部分都必须有与机床主轴联接的柄部，如图6-19所示。整体式数控刀具系统种类繁多，我国的整体式数控刀具系统标准为JB/GQ5010-1983《TSG工具系统形式与尺寸》。下面主要介绍TSG82整体式工具系统，TSG82工具系统如图6-19所示。TSG82整体工具系统所包括的各种刀柄或刀柄系列见表6-14。上一页下一页返回6.5数控铣削工具系统2.TSG82工具型号表示方法和书