第1章 數(shù)控刀具與數(shù)控工具系統(tǒng)

1.1 數(shù)控刀具

1.1.1 數(shù)控刀具的基本特點(diǎn)

數(shù)控刀具為適應(yīng)數(shù)控機(jī)床高速、高效、自動化程度高、加工工序集中和加工零件次數(shù)少等要求，應(yīng)當(dāng)具有以下基本特點(diǎn)。

① 切削刀具由傳統(tǒng)的機(jī)械刀具實(shí)現(xiàn)了向高科技產(chǎn)品的飛躍，刀具的切削性能有顯著的提高。

② 切削技術(shù)由傳統(tǒng)的切削工藝向創(chuàng)新制造工藝的飛躍，大大地提高了切削加工的效率。

③ 刀具工業(yè)由脫離使用、脫離用戶的低級階段向面向用戶、面向使用的高級階段的飛躍，成為用戶可利用的專業(yè)化的社會資源和合作伙伴。

④ 切削刀具從低值、易耗品過渡到全面進(jìn)入“三高一專（高效率、高精度、高可靠性和專用化）”的數(shù)控刀具時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了向高科技產(chǎn)品的飛躍。

⑤ 成為現(xiàn)代數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)。

⑥ 與現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展緊密相連，是應(yīng)用材料科學(xué)、制造科學(xué)、信息科學(xué)等領(lǐng)域的高科技成果的結(jié)晶。

數(shù)控刀具必須適應(yīng)數(shù)控機(jī)床高速、高效和自動化程度高的特點(diǎn)，一般應(yīng)包括通用刀具、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要連接刀具并裝在機(jī)床動力頭上，因此，已逐漸標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。

1.1.2 數(shù)控刀具的分類

數(shù)控機(jī)床加工時(shí)都必須采用數(shù)控刀具，數(shù)控刀具主要是指數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等機(jī)床上所使用的刀具。從現(xiàn)實(shí)情況看，應(yīng)當(dāng)從廣義上來理解“數(shù)控刀具”的含義。隨著數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)、功能的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床所使用的刀具，不是普通機(jī)床所采用的“一機(jī)一刀”的模式，而是多種不同類型的刀具同時(shí)在數(shù)控機(jī)床的主軸上（刀盤上）輪換使用，可以達(dá)到自動換刀的目的。因此，對“刀具”的含義應(yīng)理解為“數(shù)控工具系統(tǒng)”。數(shù)控刀具按不同的分類方式可分成以下幾類。

1．按照刀具結(jié)構(gòu)分類

（1）整體式

由整塊材料磨制而成，使用時(shí)根據(jù)不同用途將切削部分磨成所需要的形狀。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、可靠、更換迅速等。如鉆頭、立銑刀等。

（2）鑲嵌式

鑲嵌式包括刀片采用焊接式和機(jī)夾式，機(jī)夾式又可根據(jù)刀體結(jié)構(gòu)的不同，分為不轉(zhuǎn)位刀具和可轉(zhuǎn)位刀具。

（3）特殊形式

特殊形式包括強(qiáng)力夾緊、可逆攻螺紋、復(fù)合刀具等。數(shù)控機(jī)床的刀具主要采用不重磨機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具。

（4）減振式

當(dāng)?shù)毒叩墓ぷ鏖L度與直徑比大于4時(shí)，為了減少刀具的振動，提高加工精度，應(yīng)該采用特殊結(jié)構(gòu)的刀具。減振式刀具主要應(yīng)用在鏜孔加工上。

2．按照切削工藝分類

① 車削刀具：外圓刀、內(nèi)孔刀、螺紋刀、成型車刀等；

② 銑削刀具：面銑刀、立銑刀、螺紋銑刀等；

③ 鉆削刀具：鉆頭、鉸刀、絲錐等；

④ 鏜削刀具：粗鏜刀、精鏜刀等。

3．銑刀的結(jié)構(gòu)

銑刀的結(jié)構(gòu)分為三部分：切削部分、導(dǎo)入部分和柄部，如圖1-1所示。銑刀的柄部為7∶24圓錐柄，這種圓錐柄不會自鎖，換刀方便，具有較高的定位精度和較大的剛性。

1.1.3 數(shù)控刀具的材料

刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的優(yōu)劣，直接影響著生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和生產(chǎn)成本。而刀具的切削性能，首先取決于切削部分的材料；其次是幾何形狀及刀具結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)是否合理。

1．對刀具材料的基本要求

在切削過程中，刀具切削部分不僅要承受很大的切削力，而且要承受切屑變形和摩擦產(chǎn)生的高溫，要保持刀具的切削能力，刀具應(yīng)具備如下的切削性能。

（1）高的硬度和耐磨性

刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。常溫下一般應(yīng)為60HRC以上。一般說來，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好。

（2）足夠的強(qiáng)度和韌性

刀具切削部分要承受很大的切削力和沖擊力，因此，刀具材料必須要有足夠的強(qiáng)度和韌性。

（3）良好的耐熱性和導(dǎo)熱性

刀具材料的耐熱性是指在高溫下仍能保持其硬度和強(qiáng)度，耐熱性越好，刀具材料在高溫時(shí)抗塑性變形的能力、抗磨損的能力也越強(qiáng)。刀具材料的導(dǎo)熱性越好，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量越容易傳導(dǎo)出去，從而降低切削部分的溫度，減輕刀具磨損。

（4）良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性

為便于制造，要求刀具材料具有良好的可加工性。包括熱加工性能（熱塑性、可焊性、淬透性）和機(jī)械加工性能，以及良好的經(jīng)濟(jì)性。

2．常用刀具材料

刀具材料的種類很多，常用的有工具鋼，包括：碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石和立方氮化硼等。

碳素工具鋼和合金工具鋼，因耐熱性很差，只適宜做手工刀具。

陶瓷、金剛石和立方氮化硼，由于質(zhì)脆、工藝性差及價(jià)格昂貴等原因，僅在較小的范圍內(nèi)使用。

目前，最常用的刀具材料是高速鋼和硬質(zhì)合金。

（1）高速鋼

高速鋼是在合金工具鋼中加入較多的鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素的高合金工具鋼。它具有較高的強(qiáng)度、韌性和耐熱性，是目前應(yīng)用最廣泛的刀具材料。高速鋼因刃磨時(shí)易獲得鋒利的刃口又稱“鋒鋼”。

高速鋼按用途不同，可分為普通高速鋼和高性能高速鋼。

1）普通高速鋼

普通高速鋼具有一定的硬度（62～67 HRC）和耐磨性、較高的強(qiáng)度和韌性，切削鋼料時(shí)切削速度一般不大于50～60m/min，不適合高速切削和硬材料的切削。常用牌號有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。

2）高性能高速鋼

在普通高速鋼中增加碳（C）、釩的含量或加入一些其他合金元素而得到耐熱性、耐磨性更高的新鋼種，但這類鋼的綜合性能不如普通高速鋼。常用牌號有9W18Cr4V、9W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V3等。

（2）硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是由硬度和熔點(diǎn)都很高的碳化物，用鈷（Co）、鉬（Mo）、鎳（Ni）作為黏結(jié)劑燒結(jié)而成的粉末冶金制品。其常溫硬度可達(dá)78～82 HRC，能耐850～1000℃的高溫，切削速度可比高速鋼高4～10倍。但其沖擊韌性與抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)比高速鋼差，因此，很少做成整體式刀具。在實(shí)際使用中，常將硬質(zhì)合金刀片焊接或用機(jī)械夾固的方式固定在刀體上。

我國目前生產(chǎn)的硬質(zhì)合金主要分為三類。

1）K類（YG）

K類即鎢鈷類，由碳化鎢和鈷組成。這類硬質(zhì)合金韌性較好，但硬度和耐磨性較差，適用于加工鑄鐵、青銅等脆性材料。常用的牌號有YG8、YG6、YG3，它們制造的刀具適用于粗加工、半精加工和精加工。其中數(shù)字表示鈷含量的百分?jǐn)?shù)，如YG6即含鈷為6%，含鈷量越高，則韌性越好。

2）P類（YT）

P類即鎢鈷鈦類，由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成。這類硬質(zhì)合金耐熱性和耐磨性較好，但抗沖擊韌性較差，適用于加工鋼料等韌性材料。常用的牌號有YT5、YT15、YT30等，其中的數(shù)字表示碳化鈦含量的百分?jǐn)?shù)，碳化鈦的含量越高，則耐磨性較好、韌性越低。這三種牌號的硬質(zhì)合金制造的刀具分別適用于粗加工、半精加工和精加工。

3）M類（YW）

M類即鎢鈷鈦鉭鈮類。由在鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金中加入少量的稀有金屬碳化物（TaC或NbC）組成。它具有前兩類硬質(zhì)合金的優(yōu)點(diǎn)，用其制造的刀具既能加工脆性材料，又能加工韌性材料，同時(shí)還能加工高溫合金、耐熱合金及合金鑄鐵等難加工材料。常用牌號有YW1、YW2。

（3）其他刀具材料簡介

1）涂層硬質(zhì)合金

這種材料是在韌性、強(qiáng)度較好的硬質(zhì)合金基體上或高速鋼基體上，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法或物理氣相沉積（PVD）法涂覆一層極薄硬質(zhì)和耐磨性極高的難熔金屬化合物而得到的刀具材料。通過這種方法，使刀具既具有基體材料的強(qiáng)度和韌性，又具有很高的耐磨性。常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等。TiC的韌性和耐磨性好；TiN的抗氧化、抗黏結(jié)性好；Al2O3的耐熱性好。使用時(shí)可根據(jù)不同的需要選擇涂層材料。

2）陶瓷

陶瓷的其主要成分是Al2O3，刀片硬度可達(dá)78 HRC以上，能耐1200～1450℃的高溫，故能承受較高的切削速度，但抗彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差，易崩刃。主要用于鋼、鑄鐵、高硬度材料及高精度零件的精加工。

3）金剛石

金剛石分人造和天然金剛石兩種，做切削刀具的材料，大多數(shù)是人造金剛石，其硬度極高，可達(dá)10000 HV（硬質(zhì)合金僅為1300～1800 HV）。其耐磨性是硬質(zhì)合金的80～120倍，但刃性差，對鐵族材料親和力大。因此，一般不宜加工黑色金屬，主要用于硬質(zhì)合金、玻璃纖維塑料、硬橡膠、石墨、陶瓷、有色金屬等材料的高速精加工。

4）氮化硼

氮化硼（CNB）是人工合成的超硬刀具材料，其硬度可達(dá)7300～9000HV，僅次于金剛石的硬度。但熱穩(wěn)定性好，可耐1300～1500℃高溫，與鐵族材料親和力小。但強(qiáng)度低，焊接性差。目前，主要用于加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金和一些難加工材料。

刀具材料的選用應(yīng)對使用性能、工藝性能、價(jià)格等因素進(jìn)行綜合考慮，做到合理選用。例如，車削加工45 鋼自由鍛齒輪毛坯時(shí)，由于工件表面不規(guī)則且有氧化皮，切削時(shí)沖擊力大，選用韌性好的K類（鎢鈷類）就比P類（鎢鈷鈦類）有利。又如車削較短鋼料螺紋時(shí)，按理要用P類，但由于車刀在工件切入處要受沖擊，容易蹦刃，所以，一般采用K類比較有利。雖然K類的熱硬性不如P類，但工件短，散熱容易，熱硬性就不是主要矛盾了。