数控机床刀具选择

2.1刀具材料及其选用数控机床刀具的选择刀具材料是指刀具切削部分的材料。在金属切削加工中，刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度和已加工表面质量、刀具消耗和加工成本。正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一。2.1.1刀具材料应具备的基本性能

①高硬度刀具材料的硬度必须更高于被加工工件材料的硬度。高速钢的硬度为63~70HRC；硬质合金的硬度为89～93HRA。②足够的强度和韧性一般用刀具材料的抗弯强度b（单位为Pa：N/m2）表示它的强度大小。用冲击韧度ak（单位为J/m2）表示其韧性的大小，它反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力。③高耐磨性和耐热性刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。一般说，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系。其耐热性通常用高温硬度来衡量，或叫红硬性。高温硬度越高，表示耐热性越好。④良好的导热性刀具材料的导热性用热导率[单位为W/（m·K）]来表示。⑤良好的工艺性好和经济性为了便于制造、要求刀具材料有较好的可加工性。经济性是评价新型刀具材料的重要指标之一，刀具材料的选用应结合本国资源，降低成本。⑥抗粘接性防止工件与刀具材料分子间在高温高压作用下互相吸附产生粘接。⑦

化学稳定性指刀具材料在高温下，不易与周围介质发生化学反应。2.1.2刀具材料的种类及其选用

数控机床刀具从制造所采用的材料上可以分为：高速钢刀具，硬质合金刀具，陶瓷刀具，立方氮化硼刀具，聚晶金刚石刀具。目前数控机床用得最普遍的刀具是硬质合金刀具。（1）高速钢（HighSpeedSteel，HSS）高速钢是一种含钨（W）、钼（MO）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素较多的工具钢，它具有较好的力学性能和良好的工艺性，可以承受较大的切削力和冲击。①普通高速钢国内外使用最多的普通高速钢是W6Mo5Cr4V2（M2钼系）及W18Cr4V（W18钨系）钢，含碳量为0.7%~0.9%，硬度63～66HRC，不适于高速和硬材料切削。新牌号的普通高速钢W9Mo3Cr4V（W9）是根据我国资源情况研制的含钨多、含钼少的钨钼钢。硬度65～66.5HRC，硬度和韧性配合较好，热塑性、热稳定性都较好，焊接性能、磨削加工性能都较高，磨削效率比M2高20％，表面粗糙度值也小。②高性能高速钢指在普通高速钢中加入一些合金，如Co、Al等，使其耐热性、耐磨性又有进一步提高，热稳定性高。但综合性能不如普通高速钢，不同牌号只有在各自规定的切削条件下，才能达到良好的加工效果。我国正努力提高高性能高速钢的应用水平，如发展低钴高碳钢W12Mo3Cr4V3Co5Si、含铝的超硬高速钢W6Mo5Cr4V2A1、W10Mo4Cr4V3Al，提高韧性、热塑性、导热性，其硬度达67～69HRC，可用于制造出口钻头、铰刀、铣刀等。③粉末冶金高速钢可以避免熔炼钢产生的碳化物偏析。其强度、韧性比熔炼钢有很大提高。可用于加工超高强度钢、不锈钢、钛合金等难加工材料。用于制造大型拉刀和齿轮刀具，特别是切削时受冲击载荷的刀具效果更好。（2）硬质合金（CementedCarbide）①钨钴类（YG）WC+Co，强度好，硬度和耐磨性较差，用于加工脆性材料、有色金属和非金属材料。常用牌号：YG3、YG6、YG8、YG6X。数字表示Co的百分含量，Co多韧性好，用于粗加工；Co少用于精加工。1)普通硬质合金②钨钛钴类（YT）TiC+WC+Co类（YT）：常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等。此类硬质合金硬度、耐磨性、耐热性都明显提高，但韧性、抗冲击振动性差，主要用于加工钢料,不宜加工脆性材料。含TiC量多，含Co量少，耐磨性好，适合精加工；含TiC量少，含Co量多，承受冲击性能好，适合粗加工。①钨钛钽（铌）钴类（YW）

添加TaC或NbC，提高高温硬度、强度、耐磨性。用于加工难切削材料和断续切削。常用牌号：YW1、YW2。2)新型硬质合金②碳化钛基类（YN）

TiC+Ni+Mo，硬度高、抗粘接、抗月牙洼磨损和抗氧化能力强。用于合金钢、工具钢、淬火钢的连续精加工。牌号：YN05、YN10。（3）新型刀具材料

①涂层刀具

刀具基体材料上涂一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而得到的刀具材料.常用涂层材料:TiN、TiC、Al2O3②

陶瓷刀具材料（Ceramics）

主要成分Al2O3，硬度、耐热性和耐磨性高于硬质合金，不粘刀。但脆性大，易蹦刃,主要用于切削45-55HRC的工具钢和淬火钢。a.Al2O3基陶瓷刀具

主要成分Si3N4，强度、韧性、疲劳强度、切削稳定性高于Al2O3基陶瓷刀具，主要用于端铣和切有氧化皮的毛坯工件，也可对铸铁、淬硬钢进行精加工和半精加工。b.Si3N4基陶瓷刀具c.塞隆(Sialon)陶瓷Si3N4中加入Al2O3等形成的新材料。迄今陶瓷中强度最高的材料，化学稳定性和抗氧化能力都很好。③

超硬刀具材料a.聚晶金刚石（PolyCrystallineDiamond，PCD）

金刚石和立方氮化硼的统称，用于超精加工和硬脆材料加工。

硬度高、耐磨性好，但耐热性差、强度低、脆性大，与铁亲和力强，用于高速精细车削、镗削有色金属及其合金和非金属材料，不宜加工黑色金属。b.立方氮化硼（CubicBoronNitride,CBN）

硬度和耐磨性仅次于金刚石，但热稳定性好，主要用于加工高硬度(64-70HRC)的淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料。2.2数控机床刀具种类及特点

2.2.1数控机床的刀具系统数控刀具指的是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环。

车刀钻头铰刀铣刀外圆车刀端面车刀车孔刀切断刀切槽刀螺纹车刀螺纹车刀麻花钻中心钻扩孔钻锪钻手用铰刀机用铰刀莫氏圆锥和公制圆锥铰刀立铣刀面铣刀指状铣刀三面刃铣刀半圆铣刀T形铣刀可转位铣刀图2-1按机床类型分类的数控刀具按刀具切削部分的材料可分为高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等刀具；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；按所使用机床的类型、结构和性能可分为车刀、钻头、铰刀和铣刀（如图2-1所示）等。链式刀库支点机械手臂座的运动机械手的运动换刀机械手臂图2-2链轮式自动换刀装置

典型数控刀具系统图2-3转盘式自动换刀系统这2种刀具系统是加工中心上应用比较普遍的刀具系统。（1）刀柄加工中心上一般采用7：24圆锥刀柄，如图2-4所示。图2-4自动换刀机床用7：24圆锥工具柄部简图（2）工具系统

①

整体式结构图2-5所示是TSG82工具系统，选用时一定要按图示进行配置。

代码代码的意义代码代码的意义代码代码的意义J装接长刀杆用锥柄KJ用于装扩、铰刀TF浮动镗刀Q弹簧夹头BS倍速夹头TK可调镗刀KH7：24锥柄快换夹头H倒锪端面刀X用于装铣削刀具Z（J）用于装钻夹头（莫氏锥度注J）T镗孔刀具XS装三面刃铣刀MW装无扁尾莫氏锥柄刀具TZ直角镗刀XM装面铣刀M装有扁尾莫氏锥柄刀具TQW倾斜式微调镗刀XDZ装直角端铣刀G攻螺纹夹头TQC倾斜式粗镗刀XD装端铣刀C切内槽工具TZC直角形粗镗刀

规格用数字表示工具的规格，其含义随工具不同而异。有些工具该数字为轮廓尺寸D-L；有些工具该数字表示应用范围。还有表示其他参数值的，如锥度号等。表2-1是TSG82工具系统的代码和意义。

②

模块式结构

图2-6所示为TMG工具系统的示意图。2.2.2数控机床刀具的特点

①刀片和刀具几何参数和切削参数的规范化、典型化；②刀片或刀具材料及切削参数与被加工工件的材料之间匹配的选用原则；③刀片或刀具的耐用度及其经济寿命指标的合理化；④刀片及刀柄的定位基准的优化；⑤刀片及刀柄对机床主轴的相对位置的要求高；⑥对刀柄的强度、刚性及耐磨性的要求高；⑦刀柄或工具系统的装机重量限制的要求；⑧对刀具柄的转位，装拆和重复精度的要求；⑨刀片及刀柄切入的位置和方向的要求；⑩刀片和刀柄高度的通用化、规则化、系列化；11整个数控工具系统自动换刀系统的优化。2.3可转位刀片及其代码

2.3.1可转位刀具的优点①

刀具寿命高②

生产效率高

③

有利于推广新技术、新工艺

以机夹可转位车刀为例，图2-7表示可转位车刀的组成

图2-7可转位车刀的组成刀杆；2—刀垫；3—刀片4—夹固元件2.3.2可转位刀片的代码极其标记方法

选用机夹式可转位刀片，首先要了解其中的关键是各类型的机夹式可转位刀片的代码（Code）。按国际标准ISO1832-1985的可转位刀片的代码方法，是由10位字符串组成的，其排列如下:12345678910

①

刀片的几何形状及其夹角；②

刀片主切削刃后角（法后角）；③

刀片内接圆d与厚度s的精度级别；④

刀片型式、紧固方法或断屑槽；⑤

刀片边长、切削刃长；⑥

刀片厚度；⑦

刀尖圆角半径rε或方偏角Kr或修光刃后角αn；⑧

切削刃状态，刀尖切削刃或倒棱切削刃。⑨

进刀方向或倒刃宽度；⑩

厂商的补充符号或倒刃角度。根据可转位刀片的切削方式不同，应分别按车、铣、钻、镗的工艺来叙述可转拉刀片代码的具体内容。由于刀片内容很多，在此不做一一叙述。表2-2给出了可转位车刀片、铣刀片的标记方法（GB2076-1987）。字符串是代表刀片某种参数的意义:2.4数控刀具的选择（1）选择刀片（刀具）应考虑的要素①

被加工工件材料的类别

②

被加工件材料性能的状况

③

切削工艺的类别

④

被加工工件的几何形状

⑤要求刀片（刀具）能承受的切削用量（切削深度、进给量、切削速度）。⑥生产现场的条件（操作间断时间、振动、电力波动或突然中断）。⑦被加工工件的生产批量，影响到刀片（刀具）的经济寿命。（2）选择镗孔（内孔）刀具的考虑要点①

尽可能选择大的刀杆直径，接近镗孔直径。

②

尽可能选择短的刀臂

③选择主偏角（切入角Kr）接近90°，大于75°。

④选择无涂层的刀片品种（刀刃圆弧小）和小的刀尖半径（rε=0.2）。

⑤精加工采用正切削刃（正前角）刀片和刀具，粗加工采用负切削刃（负前角）刀片和刀具。

⑥镗深的盲孔时，采用压缩空气（气冷）或冷却液（排屑和冷却）。

⑦选择正确的、快速的镗刀柄夹具。车削加工时刀具形状和工件形状的关系

（3）选用数控铣刀时注意事项

①在数控机床上铣削平面时，应采用可转位式硬质合金刀片铣刀。

②高速钢立铣刀多用于加工凸台和凹槽，最好不要用于加工毛坯面，因为毛坯面有硬化层和夹砂现象，会加速刀具的磨损。③加工余量较小，并且要求表面粗糙度较低时，应采用立方氮化硼（CBN）刀片端铣刀或陶瓷刀片端铣刀。④镶硬质合金立铣刀可用于加工凹槽、窗口面、凸台面和毛坯表面。⑤镶硬质合金的玉米铣刀可以进行强力切削，铣削毛坯表面和用于孔的粗加工。