第1章 数控刀具与数控工具系统

1.1 数控刀具

1.1.1 数控刀具的基本特点

数控刀具为适应数控机床高速、高效、自动化程度高、加工工序集中和加工零件次数少等要求，应当具有以下基本特点。

① 切削刀具由传统的机械刀具实现了向高科技产品的飞跃，刀具的切削性能有显著的提高。

② 切削技术由传统的切削工艺向创新制造工艺的飞跃，大大地提高了切削加工的效率。

③ 刀具工业由脱离使用、脱离用户的低级阶段向面向用户、面向使用的高级阶段的飞跃，成为用户可利用的专业化的社会资源和合作伙伴。

④ 切削刀具从低值、易耗品过渡到全面进入“三高一专（高效率、高精度、高可靠性和专用化）”的数控刀具时代，实现了向高科技产品的飞跃。

⑤ 成为现代数控加工的关键技术。

⑥ 与现代科学的发展紧密相连，是应用材料科学、制造科学、信息科学等领域的高科技成果的结晶。

数控刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要连接刀具并装在机床动力头上，因此，已逐渐标准化和系列化。

1.1.2 数控刀具的分类

数控机床加工时都必须采用数控刀具，数控刀具主要是指数控车床、数控铣床、加工中心等机床上所使用的刀具。从现实情况看，应当从广义上来理解“数控刀具”的含义。随着数控机床结构、功能的发展，现代数控机床所使用的刀具，不是普通机床所采用的“一机一刀”的模式，而是多种不同类型的刀具同时在数控机床的主轴上（刀盘上）轮换使用，可以达到自动换刀的目的。因此，对“刀具”的含义应理解为“数控工具系统”。数控刀具按不同的分类方式可分成以下几类。

1．按照刀具结构分类

（1）整体式

由整块材料磨制而成，使用时根据不同用途将切削部分磨成所需要的形状。其优点是结构简单、使用方便、可靠、更换迅速等。如钻头、立铣刀等。

（2）镶嵌式

镶嵌式包括刀片采用焊接式和机夹式，机夹式又可根据刀体结构的不同，分为不转位刀具和可转位刀具。

（3）特殊形式

特殊形式包括强力夹紧、可逆攻螺纹、复合刀具等。数控机床的刀具主要采用不重磨机夹可转位刀具。

（4）减振式

当刀具的工作长度与直径比大于4时，为了减少刀具的振动，提高加工精度，应该采用特殊结构的刀具。减振式刀具主要应用在镗孔加工上。

2．按照切削工艺分类

① 车削刀具：外圆刀、内孔刀、螺纹刀、成型车刀等；

② 铣削刀具：面铣刀、立铣刀、螺纹铣刀等；

③ 钻削刀具：钻头、铰刀、丝锥等；

④ 镗削刀具：粗镗刀、精镗刀等。

3．铣刀的结构

铣刀的结构分为三部分：切削部分、导入部分和柄部，如图1-1所示。铣刀的柄部为7∶24圆锥柄，这种圆锥柄不会自锁，换刀方便，具有较高的定位精度和较大的刚性。

1.1.3 数控刀具的材料

刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的优劣，直接影响着生产效率、加工质量和生产成本。而刀具的切削性能，首先取决于切削部分的材料；其次是几何形状及刀具结构的选择和设计是否合理。

1．对刀具材料的基本要求

在切削过程中，刀具切削部分不仅要承受很大的切削力，而且要承受切屑变形和摩擦产生的高温，要保持刀具的切削能力，刀具应具备如下的切削性能。

（1）高的硬度和耐磨性

刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。常温下一般应为60HRC以上。一般说来，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好。

（2）足够的强度和韧性

刀具切削部分要承受很大的切削力和冲击力，因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。

（3）良好的耐热性和导热性

刀具材料的耐热性是指在高温下仍能保持其硬度和强度，耐热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。刀具材料的导热性越好，切削时产生的热量越容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。

（4）良好的工艺性和经济性

为便于制造，要求刀具材料具有良好的可加工性。包括热加工性能（热塑性、可焊性、淬透性）和机械加工性能，以及良好的经济性。

2．常用刀具材料

刀具材料的种类很多，常用的有工具钢，包括：碳素工具钢、合金工具钢和高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。

碳素工具钢和合金工具钢，因耐热性很差，只适宜做手工刀具。

陶瓷、金刚石和立方氮化硼，由于质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，仅在较小的范围内使用。

目前，最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。

（1）高速钢

高速钢是在合金工具钢中加入较多的钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。它具有较高的强度、韧性和耐热性，是目前应用最广泛的刀具材料。高速钢因刃磨时易获得锋利的刃口又称“锋钢”。

高速钢按用途不同，可分为普通高速钢和高性能高速钢。

1）普通高速钢

普通高速钢具有一定的硬度（62～67 HRC）和耐磨性、较高的强度和韧性，切削钢料时切削速度一般不大于50～60m/min，不适合高速切削和硬材料的切削。常用牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。

2）高性能高速钢

在普通高速钢中增加碳（C）、钒的含量或加入一些其他合金元素而得到耐热性、耐磨性更高的新钢种，但这类钢的综合性能不如普通高速钢。常用牌号有9W18Cr4V、9W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V3等。

（2）硬质合金

硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物，用钴（Co）、钼（Mo）、镍（Ni）作为黏结剂烧结而成的粉末冶金制品。其常温硬度可达78～82 HRC，能耐850～1000℃的高温，切削速度可比高速钢高4～10倍。但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢差，因此，很少做成整体式刀具。在实际使用中，常将硬质合金刀片焊接或用机械夹固的方式固定在刀体上。

我国目前生产的硬质合金主要分为三类。

1）K类（YG）

K类即钨钴类，由碳化钨和钴组成。这类硬质合金韧性较好，但硬度和耐磨性较差，适用于加工铸铁、青铜等脆性材料。常用的牌号有YG8、YG6、YG3，它们制造的刀具适用于粗加工、半精加工和精加工。其中数字表示钴含量的百分数，如YG6即含钴为6%，含钴量越高，则韧性越好。

2）P类（YT）

P类即钨钴钛类，由碳化钨、碳化钛和钴组成。这类硬质合金耐热性和耐磨性较好，但抗冲击韧性较差，适用于加工钢料等韧性材料。常用的牌号有YT5、YT15、YT30等，其中的数字表示碳化钛含量的百分数，碳化钛的含量越高，则耐磨性较好、韧性越低。这三种牌号的硬质合金制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工。

3）M类（YW）

M类即钨钴钛钽铌类。由在钨钴钛类硬质合金中加入少量的稀有金属碳化物（TaC或NbC）组成。它具有前两类硬质合金的优点，用其制造的刀具既能加工脆性材料，又能加工韧性材料，同时还能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工材料。常用牌号有YW1、YW2。

（3）其他刀具材料简介

1）涂层硬质合金

这种材料是在韧性、强度较好的硬质合金基体上或高速钢基体上，采用化学气相沉积（CVD）法或物理气相沉积（PVD）法涂覆一层极薄硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物而得到的刀具材料。通过这种方法，使刀具既具有基体材料的强度和韧性，又具有很高的耐磨性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。TiC的韧性和耐磨性好；TiN的抗氧化、抗黏结性好；Al2O3的耐热性好。使用时可根据不同的需要选择涂层材料。

2）陶瓷

陶瓷的其主要成分是Al2O3，刀片硬度可达78 HRC以上，能耐1200～1450℃的高温，故能承受较高的切削速度，但抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃。主要用于钢、铸铁、高硬度材料及高精度零件的精加工。

3）金刚石

金刚石分人造和天然金刚石两种，做切削刀具的材料，大多数是人造金刚石，其硬度极高，可达10000 HV（硬质合金仅为1300～1800 HV）。其耐磨性是硬质合金的80～120倍，但刃性差，对铁族材料亲和力大。因此，一般不宜加工黑色金属，主要用于硬质合金、玻璃纤维塑料、硬橡胶、石墨、陶瓷、有色金属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，其硬度可达7300～9000HV，仅次于金刚石的硬度。但热稳定性好，可耐1300～1500℃高温，与铁族材料亲和力小。但强度低，焊接性差。目前，主要用于加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料。

刀具材料的选用应对使用性能、工艺性能、价格等因素进行综合考虑，做到合理选用。例如，车削加工45 钢自由锻齿轮毛坯时，由于工件表面不规则且有氧化皮，切削时冲击力大，选用韧性好的K类（钨钴类）就比P类（钨钴钛类）有利。又如车削较短钢料螺纹时，按理要用P类，但由于车刀在工件切入处要受冲击，容易蹦刃，所以，一般采用K类比较有利。虽然K类的热硬性不如P类，但工件短，散热容易，热硬性就不是主要矛盾了。