第1章 數控刀具與數控工具系統

1.1 數控刀具

1.1.1 數控刀具的基本特點

數控刀具為適應數控機床高速、高效、自動化程度高、加工工序集中和加工零件次數少等要求，應當具有以下基本特點。

① 切削刀具由傳統的機械刀具實現了向高科技產品的飛躍，刀具的切削性能有顯著的提高。

② 切削技術由傳統的切削工藝向創新制造工藝的飛躍，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入“三高一專（高效率、高精度、高可靠性和專用化）”的數控刀具時代，實現了向高科技產品的飛躍。

⑤ 成為現代數控加工的關鍵技術。

⑥ 與現代科學的發展緊密相連，是應用材料科學、制造科學、信息科學等領域的高科技成果的結晶。

數控刀具必須適應數控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般應包括通用刀具、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要連接刀具并裝在機床動力頭上，因此，已逐漸標準化和系列化。

1.1.2 數控刀具的分類

數控機床加工時都必須采用數控刀具，數控刀具主要是指數控車床、數控銑床、加工中心等機床上所使用的刀具。從現實情況看，應當從廣義上來理解“數控刀具”的含義。隨著數控機床結構、功能的發展，現代數控機床所使用的刀具，不是普通機床所采用的“一機一刀”的模式，而是多種不同類型的刀具同時在數控機床的主軸上（刀盤上）輪換使用，可以達到自動換刀的目的。因此，對“刀具”的含義應理解為“數控工具系統”。數控刀具按不同的分類方式可分成以下幾類。

1．按照刀具結構分類

（1）整體式

由整塊材料磨制而成，使用時根據不同用途將切削部分磨成所需要的形狀。其優點是結構簡單、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夾式，機夾式又可根據刀體結構的不同，分為不轉位刀具和可轉位刀具。

（3）特殊形式

特殊形式包括強力夾緊、可逆攻螺紋、復合刀具等。數控機床的刀具主要采用不重磨機夾可轉位刀具。

（4）減振式

當刀具的工作長度與直徑比大于4時，為了減少刀具的振動，提高加工精度，應該采用特殊結構的刀具。減振式刀具主要應用在鏜孔加工上。

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．銑刀的結構

銑刀的結構分為三部分：切削部分、導入部分和柄部，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。刀具切削性能的優劣，直接影響著生產效率、加工質量和生產成本。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構的選擇和設計是否合理。

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生的高溫，要保持刀具的切削能力，刀具應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度和韌性。

（3）良好的耐熱性和導熱性

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

（4）良好的工藝性和經濟性

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）和機械加工性能，以及良好的經濟性。

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，由于質脆、工藝性差及價格昂貴等原因，僅在較小的范圍內使用。

目前，最常用的刀具材料是高速鋼和硬質合金。

（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。它具有較高的強度、韌性和耐熱性，是目前應用最廣泛的刀具材料。高速鋼因刃磨時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、較高的強度和韌性，切削鋼料時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）硬質合金

硬質合金是由硬度和熔點都很高的碳化物，用鈷（Co）、鉬（Mo）、鎳（Ni）作為黏結劑燒結而成的粉末冶金制品。其常溫硬度可達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度遠比高速鋼差，因此，很少做成整體式刀具。在實際使用中，常將硬質合金刀片焊接或用機械夾固的方式固定在刀體上。

我國目前生產的硬質合金主要分為三類。

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。其中數字表示鈷含量的百分數，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，其中的數字表示碳化鈦含量的百分數，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。它具有前兩類硬質合金的優點，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）涂層硬質合金

這種材料是在韌性、強度較好的硬質合金基體上或高速鋼基體上，采用化學氣相沉積（CVD）法或物理氣相沉積（PVD）法涂覆一層極薄硬質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、抗黏結性好；Al2O3的耐熱性好。使用時可根據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，大多數是人造金剛石，其硬度極高，可達10000 HV（硬質合金僅為1300～1800 HV）。其耐磨性是硬質合金的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7300～9000HV，僅次于金剛石的硬度。但熱穩定性好，可耐1300～1500℃高溫，與鐵族材料親和力小。但強度低，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。

刀具材料的選用應對使用性能、工藝性能、價格等因素進行綜合考慮，做到合理選用。例如，車削加工45 鋼自由鍛齒輪毛坯時，由于工件表面不規則且有氧化皮，切削時沖擊力大，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，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。