第1章 數控加工刀具基礎

1.1 數控加工概述

數控加工（Numerical Control Machining）是數控切削加工的簡稱，指在數控機床上進行金屬切削加工的技術。數控加工刀具（簡稱數控刀具）指配合數控機床進行切削加工所使用的刀具。

數控加工技術是傳統加工技術的一次革命性的變革，也是傳統加工技術發展到今天的必然。需要注意的是，數控加工雖然被冠以現代制造之美譽，但其本質仍然是金屬切削加工，其切削原理與規律仍然與傳統加工理論相仿，其刀具幾何角度的定義并沒有什么新的變化。雖然其對新型刀具材料有極強的需求，但傳統的刀具材料仍然被大量采用；雖然機夾可轉位不重磨刀具結構被普遍采用，但傳統的整體式刀具仍未被拋棄；且對于數控加工而言，沒有傳統切削加工的基礎是很難學好并精通的。基于這些學習規律，筆者有意告誡年輕的數控加工技術從業者，不要將數控加工與傳統加工割裂開，在學習數控加工刀具時，不能忽視金屬切削原理與刀具基本知識的學習。當然，學習數控加工刀具還必須注重相關數控加工技術知識的學習，掌握數控加工的原理與特點。

當今社會，數控機床已得到廣泛的普及與應用。老企業的技術改造，機床設備的更新普遍選用數控加工機床。新建企業在制造裝備選擇上，數控機床已成為首選。甚至，在專用機床方面，數控化設計與改造也將是一種必然。另外，工業4.0時代和近年來智能制造的加工機床必須以數控機床為基礎。可以說，數控加工技術是現代化工廠的主體加工制造技術。

數控加工刀具是隨著數控加工技術的產生與發展需求而產生的，數控加工刀具一詞首先是刀具制造商為迎合數控機床加工技術的市場而提出的，并逐漸被數控加工從業人員所接受。當然，為適應數控加工的需要，其源于傳統刀具但仍然有區別于傳統加工刀具之處，并隨著數控機床與加工技術的創新發展不斷推陳出新，表現出較為活躍的發展勢頭。

1.1.1 數控加工的特點

數控加工與傳統加工相比，有其自身的特點，因此，數控加工刀具必須適應這些特點與要求。

數控加工具有以下特點：

（1）自動化程度高 數控機床是由數控程序驅動數控系統進行工作，其加工過程中切削參數設定與轉換為全自動化，包括刀具的選擇與更換工作大部分也可自動完成，因此，其加工效率極高。據統計，數控銑床的切削加工時間占總加工時間的70%左右，加工中心可達90%以上，最新的車銑復合數控加工機床加工效率更高。

（2）加工精度高 數控加工不僅在曲線與曲面加工上加工精度遠高于傳統加工，即使在普通機床加工工藝適應范圍內，數控機床的加工精度仍然高于傳統加工。由于數控加工過程程序控制的特點，使其在加工質量的穩定性與加工精度的重復再現性等方面遠高于傳統加工。

（3）加工適應性強 數控加工改變了傳統加工通過機床專用夾具使工件位置適應刀具位置的特點，轉而以刀具位置的變化適應工件表面復雜的變化，這一點在多軸加工機床上更為明顯。因此，數控加工不僅可用于批量生產替代傳統的專用機床加工，而且還非常適合單件、小批量生產和新產品試制。其加工過程的機床夾具與切削刀具普遍采用通用性較好的結構型式。

（4）適應高速加工新技術的要求 高速切削加工技術的出現，對加工機床提出了新的要求，數控機床的電主軸技術摒棄了傳統的齒輪傳動，極大地提高了主軸轉速，且轉速的變換可無級調速、平穩過渡；數控機床的進給軸伺服控制與聯動技術，使得進給速度可做得更高，進給速度的轉換更為平穩和可控，切削厚度的控制變得更為方便與可靠，這些適用于高速加工的特點是傳統加工機床所不可能實現的。

1.1.2 數控加工刀具的特點

數控加工刀具是伴隨著數控加工技術的應用與發展而形成的一類現代金屬切削加工刀具的群體，其泛指所有應用于數控金屬切削加工機床的加工刀具。其源于傳統切削刀具但又有適用于數控切削加工的特性，隨著數控加工技術的普及與推廣，數控刀具已逐漸形成了研制、制造、銷售、應用直至售后服務的完整產業鏈，數控加工刀具的概念已廣泛的出現并逐漸被業內所接受。

由于數控刀具和數控加工技術與數控機床密切相關，當今的數控加工刀具主要集中于數控車削刀具、數控銑削刀具以及數控加工中心應用廣泛的各類孔加工刀具領域。同時，其基礎性的工作如刀具材料、刀具表面的涂層技術、刀片與刀桿的結構、刀具與數控機床的連接刀柄及其延伸的工具系統是不容忽視的重要組成部分。

1.數控加工刀具的要求與特點

作為數控加工刀具，必須滿足數控加工的特點與需求，其要求與特點如下：

1）高的切削效率。高切削效率對提高生產效率，降低制造成本起著重要的決定性作用，新型的刀具材料與涂層技術，專業化的刀具材料制造等是高切削效率的保證。

2）高的制造精度以及重復定位精度。高精度的刀具是高精度數控加工的基本需求，重復定位精度是有效減少對刀操作，減少刀具補償調整，提高加工效率的保證，專業化制造數控刀具是提高刀具制造精度的有效途徑，機夾可轉位不重磨刀具結構是刀具重復定位精度的保證，現代數控加工必須摒棄傳統刀具自己刃磨刀具以及重復刃磨刀具的習慣，要明確不重磨刀具所“增加”的直接成本相對于昂貴高效的數控機床加工是微不足道的，連續切削使用時間的增加使其綜合成本仍然是更低的。

3）高可靠性與較長的刀具壽命。延長刀具切削時間，縮短刀具調整時間與換刀時間，是自動化程度較高的數控加工的需求。

4）適應復雜曲面加工要求。數控加工技術已從傳統的夾具裝夾工件適合相對固定的機床刀具轉向刀具各種位置與方位的靈活變化適應簡單裝夾相對固定的工件。這就要求數控刀具適合多方向進給加工，其刀具結構相對復雜。

5）刀具尺寸參數的預調與快速換刀技術。數控刀具的尺寸參數必須調整方便，必要時配備刀具預調儀，提高刀具預調精度與效率，縮短機床上的調整時間。換刀是數控加工不可回避的輔助時間，數控刀具的刀桿與刀柄結構必須在具有較高裝刀精度的前提下與數控機床的裝刀與換刀裝置相匹配。良好的工具系統是實現刀具預調與快速換刀的保證。

6）刀具涂層技術的廣泛采用。刀具涂層是數控刀具重要的結構特征，已廣泛應用于數控加工刀具中，當今的刀具涂層技術已由單層涂層逐漸發展為多層多材質涂層。

7）專業化的刀具制造體系。現代數控刀具生產基本由專業化的刀具制造商完成，專業刀具制造商不僅可在新型刀具的研發、制造上投入大量的人、財、物，同時具備良好的刀具銷售與售后服務，并對新刀具推廣起到積極的作用。

綜合所述，對數控刀具的要求與特點可表述為“三高一專”（即高效率、高精度、高可靠性和專業化）。隨著數控加工機床的不斷發展與普及，數控刀具的市場占有率將不斷提高，并將成為金屬切削刀具的主流產品，數控刀具的使用中心將由傳統的自己設計、制造與刃磨逐漸過渡到市場選用、采購、使用與維護為主。

2.數控加工刀具的結構特點

數控加工刀具的主要特征是滿足數控機床加工的要求，其在刀具結構上必須同時滿足數控加工高效率自動化的要求，并具有專業化生產的特點。同時，專業化生產又根據專業性較強的不同機械加工工藝特征分類組織。歸納起來，數控刀具的結構具有以下特點：

1）機夾可轉位不重磨以及整體式刀具結構為主流。機夾可轉位刀具結構是數控刀具的主選結構方案，幾乎所有加工工藝用刀具均可見到機夾式刀具的身影，如機夾式車刀、機夾式銑刀、機夾式孔加工刀具（如鉆、鏜、鉸削刀具等），甚至螺紋加工刀具如機夾式螺紋銑刀等，可以說機夾式刀具結構是數控刀具結構的重中之重。

機夾可轉位刀具結構，其刀桿與刀片分開制造，且基本是由專業化刀具廠家生產，其不僅可降低刀具成本，更主要的是加工精度的提高和刀片切削性能的穩定，應用機夾可轉位刀具，當刀具磨損后，可通過刀片轉位迅速地轉為新的切削刃，即使全部切削刃磨損后，也可迅速更換新的刀片，轉位或更換刀片后的刀位點位置變化極小，基本不需重新對刀，僅需在數控機床上調整刀具補償即可，極大地縮短了對刀調整時間。數控加工基本不再自己刃磨刀具（刀片），即使重磨，也交由刀具制造商進行。

但是，對于結構尺寸較小以及切削部分相對復雜的刀具，整體式刀具結構仍然在數控刀具體系中占有一席之地，如整體式立銑刀、麻花鉆、機用鉸刀、絲錐等。

數控加工中傳統的焊接式結構的刀具應用較少，傳統的以普通高速鋼材料制造為主的整體式刀具，已逐漸朝著粉末冶金高速鋼整體式刀具和整體式硬質合金刀具方向發展。

2）完善的工藝分類數控刀具。專業化生產的數控刀具常常按加工工藝進行分類，如數控車削刀具、數控銑削刀具、數控鏜削類刀具、孔加工類刀具，以及刀柄與工具系統等。

3）刀具的結構相對復雜。如數控車削刀具廣泛采用機夾可轉位結構，其刀片不僅外形結構多樣，且前面的變化較大，同時刀桿（刀體）的結構也較傳統車刀更為復雜，特別是適應快換以及車削工具系統的刀具。數控銑削類刀具也是類似，其復雜性也是顯而易見的，以立銑刀為例，即使是平端面的整體式圓柱立銑刀，也常見端面切削刃過中心的結構，以適應數控刀具經常軸向進給加工的特點；為適應復雜曲面的銑削加工，圓角銑刀（又稱為圓鼻銑刀）和球頭銑刀也是數控銑削加工主流的刀具結構型式。鏜孔加工刀具特別是可調鏜刀的結構復雜性是不言而喻的。機夾式面銑刀、三面刃銑刀等各種機夾式銑刀，其刀片與刀體的結構都是較為復雜的。數控刀具作為專業化生產的產物，即使結構有一定的復雜程度，但對于批量的專業化生產，其性價比仍然是較高的。

4）數控刀具必須具有盡可能長的刀具壽命。刀具材料對刀具壽命的影響極大，數控加工普遍采用硬質合金刀具材料，并大量地應用表面涂層技術。整體式復雜刀具雖然還廣泛應用高速鋼刀具材料，但更多地開始采用粉末冶金高速鋼材料來提高刀具壽命。近年來，整體式硬質合金材料的圓柱立銑刀大量出現，大大提高了刀具的壽命。為適應高速加工的特點，各種新型刀具材料（如PCD、PCBN、陶瓷刀具材料等）被采用。

5）通用性刀具成為主選刀具。數控加工過程中，加工表面的形狀與位置變化較大，加工夾具的通用性要求刀具適應工件的變化，因此，數控銑刀的切削部分盡可能選用通用的圓柱、球頭與圓角（又稱為圓鼻）形狀，數控車刀很少采用成形切削刃刀具，基本為單刀尖的刀頭，通過軌跡控制適應曲面車削加工。復合式刀具結構應用不多。

6）刀柄及刀具工具系統。刀柄是刀具與機床主軸過渡的橋梁，它一頭聯接著各種刀具而另一頭與機床主軸匹配相聯接，學習數控刀具必須掌握各種刀柄錐柄的結構與標準，并掌握各種不同刀具的聯接固定方式。工具系統作為完善的刀具與機床聯接體系，數控加工工作者必須多加關注與研究，找到適合自身的應用方式。數控車削加工中刀具與機床的聯接部分多稱為刀體或刀桿，隨著國內高檔數控車床、車削中心甚至車銑復合機床的不斷普及，數控車削類刀具的刀桿及其工具系統必將被廣泛的應用。學習與選用刀柄、刀桿以及工具系統必須多關注專業化廠家的刀具樣本以及相應的國內外標準。

總而言之，數控刀具的結構相對傳統加工的刀具結構而言，其結構還是復雜與多樣的。多涉獵知名的刀具制造商樣本、多閱讀相關的刀具標準、多觀察高檔先進的數控機床刀具聯接方式、多實踐、多體會與思考是學習數控刀具的好方法。

1.1.3 學習數控加工刀具知識的必要性

數控加工的普及性與專業性，要求數控加工的從業者必須面對數控刀具存在的現實，數控加工刀具是傳統刀具的延伸與發展，傳統的刀具知識已遠遠不能滿足數控刀具選用的需要，必須不斷接受和更新觀念，逐漸了解直至嫻熟駕馭數控加工刀具。

（1）機夾式與整體式刀具結構的選用 數控刀具廣泛采用機夾式刀具結構，且機夾式結構方案較多，如何選用，值得思考。機夾式刀具結構的應用要求刀片供應可靠。因此刀片供應是否當地化必須作為一個先決條件。數控加工刀具整體式結構并未摒棄，也不可能不用，但數控加工的整體式刀具在材料與結構上有所創新與發展，如數控加工用到的圓柱立銑刀大量采用粉末冶金高速鋼或整體硬質合金材料，端面切削刃延伸至中心結構，柄部直徑多做成標準直徑，便于裝夾，內冷卻式結構便于冷卻與排屑等。以上數控加工刀具的特點要求使用者研習數控刀具原理與結構的基礎知識。

（2）數控刀具材料的選擇 數控刀具材料以硬質合金為主流（其性價比極高），并大量采用刀具表面涂層技術，新型刀具材料也會根據需要進行選用，而新型刀具材料與涂層技術在普通機床加工過程中用得并不多。

（3）數控刀具的裝夾要考慮數控機床主軸錐孔與裝刀方式 數控機床刀具的裝夾比普通機床刀具裝夾的備選方案更多，如何更好地選用，值得研習。

（4）數控刀具使用的周邊技術與裝備的選用 數控刀具周邊技術相對較多，全部選用顯然不現實，如何根據需要選用，最大限度地發揮數控機床的性能，需要多了解數控加工刀具方面的新技術。如數控刀具是否動平衡決定了數控加工是否需高速旋轉，機外預調儀的使用可進一步提高機床的利用率，刀具液壓夾緊與熱縮夾緊是否采用，采用哪一種要根據實際需要考慮。

（5）數控刀具選購性促使使用者必須研習刀具樣本 數控刀具的專業化生產，使得各刀具制造商具有各自的數控刀具結構系列，如何從這些龐大的刀具系列中選擇符合自身使用需求的刀具品種，是值得深思的問題。筆者認為刀具樣本在專業使用者手頭的作用從某種意義上講高于通用的刀具手冊。當然，收集刀具樣本別忘了其是否當地化，選得到而買不到是不現實的學習。

種種因素說明，從事數控加工的人員必須學習數控刀具的相關知識。實際上，從事數控加工技術至一定階段必然會產生這種想法，只是由于各種原因未能系統學習，這是筆者撰寫本書的原因與動機之一。

1.1.4 如何學好數控加工刀具知識

學習數控加工刀具知識的人員必然是業內的專業人士，如機械制造專業高年級學生、機械制造專業技術人員、數控加工機床的操作人員，以及數控加工刀具的推廣與銷售人員等。總之，有需求，才有學習的動力，才能學好。

1.基礎性知識的學習

（1）刀具專業基礎性知識 使用數控刀具的人員一般必須具備機械制造技術的基礎知識，如切削加工基本原理、切削加工機理、切削加工與刀具的基本術語等。限于篇幅，這里不展開介紹，可參閱參考文獻中的書目。

（2）數控加工技術知識 數控刀具是為數控加工而設計的，掌握數控加工技術知識，對理解數控刀具與傳統刀具的差異性、選用數控刀具有所幫助。

（3）刀具材料知識 了解刀具材料知識對選擇與使用數控刀具是有所幫助的。

2.專業性知識的學習與提高

（1）刀具專業知識的提高 在基礎學習時，切削加工原理的學習一般以單刀車削加工為例，實際中，要逐漸過渡到能夠靈活分析銑削、鉆削等常見的數控加工方法上。能夠運用金屬切削機理（金屬切削變形規律）分析與解決數控加工現場遇到的問題。對于切削加工的基本術語要能夠專業化，如按GB/T 12204--2010《金屬切削 基本術語》等表述切削加工基本術語，當然其他的專業術語也應盡可能按相關標準表述。

（2）切削用量參數的表示與選用 在刀具基礎知識的學習階段，切削用量的學習基本基于外圓車削加工，稱為切削用量三要素，進入數控加工的應用后，車削加工表面發生了變化，如端面車削、鏜內孔（內孔車削）、切斷與切槽和螺紋切削等。另外，數控銑削、鉆削等切削用量參數也需熟練掌握，如銑削加工圓柱切削刃銑削時除了傳統的背吃刀量ap外，還有側吃刀量ae等。除了掌握各種加工方法切削參數的定義外，切削用量的選擇是實際加工時回避不了的問題，必須掌握并會根據現場情況進行調整。

（3）多收集與掌握數控刀具相關的國家標準 參考文獻[1]中介紹了大量數控刀具相關的國家標準，可供參考。

（4）多收集數控刀具相關的刀具制造商信息及其刀具樣本 特別是正在使用刀具的制造商信息，從其刀具樣本上理解數控刀具的應用知識。注意了解當地刀具制造商代理點的信息。

（5）注意從生產中學習與提高 對于學習到一定階段后，要逐漸跳出過去獲取知識的方法，逐漸掌握自行學習與提高的模式。如多在實際加工中觀察他人選擇的刀具及其切削用量，若自己來處理，是否有差異，各自的優缺點。對于自己選擇的刀具及其切削用量的加工，也必須深入現場，觀察是否有改進與提高的地方。經常性地三省吾身。