第1章 数控加工刀具基础

1.1 数控加工概述

数控加工（Numerical Control Machining）是数控切削加工的简称，指在数控机床上进行金属切削加工的技术。数控加工刀具（简称数控刀具）指配合数控机床进行切削加工所使用的刀具。

数控加工技术是传统加工技术的一次革命性的变革，也是传统加工技术发展到今天的必然。需要注意的是，数控加工虽然被冠以现代制造之美誉，但其本质仍然是金属切削加工，其切削原理与规律仍然与传统加工理论相仿，其刀具几何角度的定义并没有什么新的变化。虽然其对新型刀具材料有极强的需求，但传统的刀具材料仍然被大量采用；虽然机夹可转位不重磨刀具结构被普遍采用，但传统的整体式刀具仍未被抛弃；且对于数控加工而言，没有传统切削加工的基础是很难学好并精通的。基于这些学习规律，笔者有意告诫年轻的数控加工技术从业者，不要将数控加工与传统加工割裂开，在学习数控加工刀具时，不能忽视金属切削原理与刀具基本知识的学习。当然，学习数控加工刀具还必须注重相关数控加工技术知识的学习，掌握数控加工的原理与特点。

当今社会，数控机床已得到广泛的普及与应用。老企业的技术改造，机床设备的更新普遍选用数控加工机床。新建企业在制造装备选择上，数控机床已成为首选。甚至，在专用机床方面，数控化设计与改造也将是一种必然。另外，工业4.0时代和近年来智能制造的加工机床必须以数控机床为基础。可以说，数控加工技术是现代化工厂的主体加工制造技术。

数控加工刀具是随着数控加工技术的产生与发展需求而产生的，数控加工刀具一词首先是刀具制造商为迎合数控机床加工技术的市场而提出的，并逐渐被数控加工从业人员所接受。当然，为适应数控加工的需要，其源于传统刀具但仍然有区别于传统加工刀具之处，并随着数控机床与加工技术的创新发展不断推陈出新，表现出较为活跃的发展势头。

1.1.1 数控加工的特点

数控加工与传统加工相比，有其自身的特点，因此，数控加工刀具必须适应这些特点与要求。

数控加工具有以下特点：

（1）自动化程度高 数控机床是由数控程序驱动数控系统进行工作，其加工过程中切削参数设定与转换为全自动化，包括刀具的选择与更换工作大部分也可自动完成，因此，其加工效率极高。据统计，数控铣床的切削加工时间占总加工时间的70%左右，加工中心可达90%以上，最新的车铣复合数控加工机床加工效率更高。

（2）加工精度高 数控加工不仅在曲线与曲面加工上加工精度远高于传统加工，即使在普通机床加工工艺适应范围内，数控机床的加工精度仍然高于传统加工。由于数控加工过程程序控制的特点，使其在加工质量的稳定性与加工精度的重复再现性等方面远高于传统加工。

（3）加工适应性强 数控加工改变了传统加工通过机床专用夹具使工件位置适应刀具位置的特点，转而以刀具位置的变化适应工件表面复杂的变化，这一点在多轴加工机床上更为明显。因此，数控加工不仅可用于批量生产替代传统的专用机床加工，而且还非常适合单件、小批量生产和新产品试制。其加工过程的机床夹具与切削刀具普遍采用通用性较好的结构型式。

（4）适应高速加工新技术的要求 高速切削加工技术的出现，对加工机床提出了新的要求，数控机床的电主轴技术摒弃了传统的齿轮传动，极大地提高了主轴转速，且转速的变换可无级调速、平稳过渡；数控机床的进给轴伺服控制与联动技术，使得进给速度可做得更高，进给速度的转换更为平稳和可控，切削厚度的控制变得更为方便与可靠，这些适用于高速加工的特点是传统加工机床所不可能实现的。

1.1.2 数控加工刀具的特点

数控加工刀具是伴随着数控加工技术的应用与发展而形成的一类现代金属切削加工刀具的群体，其泛指所有应用于数控金属切削加工机床的加工刀具。其源于传统切削刀具但又有适用于数控切削加工的特性，随着数控加工技术的普及与推广，数控刀具已逐渐形成了研制、制造、销售、应用直至售后服务的完整产业链，数控加工刀具的概念已广泛的出现并逐渐被业内所接受。

由于数控刀具和数控加工技术与数控机床密切相关，当今的数控加工刀具主要集中于数控车削刀具、数控铣削刀具以及数控加工中心应用广泛的各类孔加工刀具领域。同时，其基础性的工作如刀具材料、刀具表面的涂层技术、刀片与刀杆的结构、刀具与数控机床的连接刀柄及其延伸的工具系统是不容忽视的重要组成部分。

1.数控加工刀具的要求与特点

作为数控加工刀具，必须满足数控加工的特点与需求，其要求与特点如下：

1）高的切削效率。高切削效率对提高生产效率，降低制造成本起着重要的决定性作用，新型的刀具材料与涂层技术，专业化的刀具材料制造等是高切削效率的保证。

2）高的制造精度以及重复定位精度。高精度的刀具是高精度数控加工的基本需求，重复定位精度是有效减少对刀操作，减少刀具补偿调整，提高加工效率的保证，专业化制造数控刀具是提高刀具制造精度的有效途径，机夹可转位不重磨刀具结构是刀具重复定位精度的保证，现代数控加工必须摒弃传统刀具自己刃磨刀具以及重复刃磨刀具的习惯，要明确不重磨刀具所“增加”的直接成本相对于昂贵高效的数控机床加工是微不足道的，连续切削使用时间的增加使其综合成本仍然是更低的。

3）高可靠性与较长的刀具寿命。延长刀具切削时间，缩短刀具调整时间与换刀时间，是自动化程度较高的数控加工的需求。

4）适应复杂曲面加工要求。数控加工技术已从传统的夹具装夹工件适合相对固定的机床刀具转向刀具各种位置与方位的灵活变化适应简单装夹相对固定的工件。这就要求数控刀具适合多方向进给加工，其刀具结构相对复杂。

5）刀具尺寸参数的预调与快速换刀技术。数控刀具的尺寸参数必须调整方便，必要时配备刀具预调仪，提高刀具预调精度与效率，缩短机床上的调整时间。换刀是数控加工不可回避的辅助时间，数控刀具的刀杆与刀柄结构必须在具有较高装刀精度的前提下与数控机床的装刀与换刀装置相匹配。良好的工具系统是实现刀具预调与快速换刀的保证。

6）刀具涂层技术的广泛采用。刀具涂层是数控刀具重要的结构特征，已广泛应用于数控加工刀具中，当今的刀具涂层技术已由单层涂层逐渐发展为多层多材质涂层。

7）专业化的刀具制造体系。现代数控刀具生产基本由专业化的刀具制造商完成，专业刀具制造商不仅可在新型刀具的研发、制造上投入大量的人、财、物，同时具备良好的刀具销售与售后服务，并对新刀具推广起到积极的作用。

综合所述，对数控刀具的要求与特点可表述为“三高一专”（即高效率、高精度、高可靠性和专业化）。随着数控加工机床的不断发展与普及，数控刀具的市场占有率将不断提高，并将成为金属切削刀具的主流产品，数控刀具的使用中心将由传统的自己设计、制造与刃磨逐渐过渡到市场选用、采购、使用与维护为主。

2.数控加工刀具的结构特点

数控加工刀具的主要特征是满足数控机床加工的要求，其在刀具结构上必须同时满足数控加工高效率自动化的要求，并具有专业化生产的特点。同时，专业化生产又根据专业性较强的不同机械加工工艺特征分类组织。归纳起来，数控刀具的结构具有以下特点：

1）机夹可转位不重磨以及整体式刀具结构为主流。机夹可转位刀具结构是数控刀具的主选结构方案，几乎所有加工工艺用刀具均可见到机夹式刀具的身影，如机夹式车刀、机夹式铣刀、机夹式孔加工刀具（如钻、镗、铰削刀具等），甚至螺纹加工刀具如机夹式螺纹铣刀等，可以说机夹式刀具结构是数控刀具结构的重中之重。

机夹可转位刀具结构，其刀杆与刀片分开制造，且基本是由专业化刀具厂家生产，其不仅可降低刀具成本，更主要的是加工精度的提高和刀片切削性能的稳定，应用机夹可转位刀具，当刀具磨损后，可通过刀片转位迅速地转为新的切削刃，即使全部切削刃磨损后，也可迅速更换新的刀片，转位或更换刀片后的刀位点位置变化极小，基本不需重新对刀，仅需在数控机床上调整刀具补偿即可，极大地缩短了对刀调整时间。数控加工基本不再自己刃磨刀具（刀片），即使重磨，也交由刀具制造商进行。

但是，对于结构尺寸较小以及切削部分相对复杂的刀具，整体式刀具结构仍然在数控刀具体系中占有一席之地，如整体式立铣刀、麻花钻、机用铰刀、丝锥等。

数控加工中传统的焊接式结构的刀具应用较少，传统的以普通高速钢材料制造为主的整体式刀具，已逐渐朝着粉末冶金高速钢整体式刀具和整体式硬质合金刀具方向发展。

2）完善的工艺分类数控刀具。专业化生产的数控刀具常常按加工工艺进行分类，如数控车削刀具、数控铣削刀具、数控镗削类刀具、孔加工类刀具，以及刀柄与工具系统等。

3）刀具的结构相对复杂。如数控车削刀具广泛采用机夹可转位结构，其刀片不仅外形结构多样，且前面的变化较大，同时刀杆（刀体）的结构也较传统车刀更为复杂，特别是适应快换以及车削工具系统的刀具。数控铣削类刀具也是类似，其复杂性也是显而易见的，以立铣刀为例，即使是平端面的整体式圆柱立铣刀，也常见端面切削刃过中心的结构，以适应数控刀具经常轴向进给加工的特点；为适应复杂曲面的铣削加工，圆角铣刀（又称为圆鼻铣刀）和球头铣刀也是数控铣削加工主流的刀具结构型式。镗孔加工刀具特别是可调镗刀的结构复杂性是不言而喻的。机夹式面铣刀、三面刃铣刀等各种机夹式铣刀，其刀片与刀体的结构都是较为复杂的。数控刀具作为专业化生产的产物，即使结构有一定的复杂程度，但对于批量的专业化生产，其性价比仍然是较高的。

4）数控刀具必须具有尽可能长的刀具寿命。刀具材料对刀具寿命的影响极大，数控加工普遍采用硬质合金刀具材料，并大量地应用表面涂层技术。整体式复杂刀具虽然还广泛应用高速钢刀具材料，但更多地开始采用粉末冶金高速钢材料来提高刀具寿命。近年来，整体式硬质合金材料的圆柱立铣刀大量出现，大大提高了刀具的寿命。为适应高速加工的特点，各种新型刀具材料（如PCD、PCBN、陶瓷刀具材料等）被采用。

5）通用性刀具成为主选刀具。数控加工过程中，加工表面的形状与位置变化较大，加工夹具的通用性要求刀具适应工件的变化，因此，数控铣刀的切削部分尽可能选用通用的圆柱、球头与圆角（又称为圆鼻）形状，数控车刀很少采用成形切削刃刀具，基本为单刀尖的刀头，通过轨迹控制适应曲面车削加工。复合式刀具结构应用不多。

6）刀柄及刀具工具系统。刀柄是刀具与机床主轴过渡的桥梁，它一头联接着各种刀具而另一头与机床主轴匹配相联接，学习数控刀具必须掌握各种刀柄锥柄的结构与标准，并掌握各种不同刀具的联接固定方式。工具系统作为完善的刀具与机床联接体系，数控加工工作者必须多加关注与研究，找到适合自身的应用方式。数控车削加工中刀具与机床的联接部分多称为刀体或刀杆，随着国内高档数控车床、车削中心甚至车铣复合机床的不断普及，数控车削类刀具的刀杆及其工具系统必将被广泛的应用。学习与选用刀柄、刀杆以及工具系统必须多关注专业化厂家的刀具样本以及相应的国内外标准。

总而言之，数控刀具的结构相对传统加工的刀具结构而言，其结构还是复杂与多样的。多涉猎知名的刀具制造商样本、多阅读相关的刀具标准、多观察高档先进的数控机床刀具联接方式、多实践、多体会与思考是学习数控刀具的好方法。

1.1.3 学习数控加工刀具知识的必要性

数控加工的普及性与专业性，要求数控加工的从业者必须面对数控刀具存在的现实，数控加工刀具是传统刀具的延伸与发展，传统的刀具知识已远远不能满足数控刀具选用的需要，必须不断接受和更新观念，逐渐了解直至娴熟驾驭数控加工刀具。

（1）机夹式与整体式刀具结构的选用 数控刀具广泛采用机夹式刀具结构，且机夹式结构方案较多，如何选用，值得思考。机夹式刀具结构的应用要求刀片供应可靠。因此刀片供应是否当地化必须作为一个先决条件。数控加工刀具整体式结构并未摒弃，也不可能不用，但数控加工的整体式刀具在材料与结构上有所创新与发展，如数控加工用到的圆柱立铣刀大量采用粉末冶金高速钢或整体硬质合金材料，端面切削刃延伸至中心结构，柄部直径多做成标准直径，便于装夹，内冷却式结构便于冷却与排屑等。以上数控加工刀具的特点要求使用者研习数控刀具原理与结构的基础知识。

（2）数控刀具材料的选择 数控刀具材料以硬质合金为主流（其性价比极高），并大量采用刀具表面涂层技术，新型刀具材料也会根据需要进行选用，而新型刀具材料与涂层技术在普通机床加工过程中用得并不多。

（3）数控刀具的装夹要考虑数控机床主轴锥孔与装刀方式 数控机床刀具的装夹比普通机床刀具装夹的备选方案更多，如何更好地选用，值得研习。

（4）数控刀具使用的周边技术与装备的选用 数控刀具周边技术相对较多，全部选用显然不现实，如何根据需要选用，最大限度地发挥数控机床的性能，需要多了解数控加工刀具方面的新技术。如数控刀具是否动平衡决定了数控加工是否需高速旋转，机外预调仪的使用可进一步提高机床的利用率，刀具液压夹紧与热缩夹紧是否采用，采用哪一种要根据实际需要考虑。

（5）数控刀具选购性促使使用者必须研习刀具样本 数控刀具的专业化生产，使得各刀具制造商具有各自的数控刀具结构系列，如何从这些庞大的刀具系列中选择符合自身使用需求的刀具品种，是值得深思的问题。笔者认为刀具样本在专业使用者手头的作用从某种意义上讲高于通用的刀具手册。当然，收集刀具样本别忘了其是否当地化，选得到而买不到是不现实的学习。

种种因素说明，从事数控加工的人员必须学习数控刀具的相关知识。实际上，从事数控加工技术至一定阶段必然会产生这种想法，只是由于各种原因未能系统学习，这是笔者撰写本书的原因与动机之一。

1.1.4 如何学好数控加工刀具知识

学习数控加工刀具知识的人员必然是业内的专业人士，如机械制造专业高年级学生、机械制造专业技术人员、数控加工机床的操作人员，以及数控加工刀具的推广与销售人员等。总之，有需求，才有学习的动力，才能学好。

1.基础性知识的学习

（1）刀具专业基础性知识 使用数控刀具的人员一般必须具备机械制造技术的基础知识，如切削加工基本原理、切削加工机理、切削加工与刀具的基本术语等。限于篇幅，这里不展开介绍，可参阅参考文献中的书目。

（2）数控加工技术知识 数控刀具是为数控加工而设计的，掌握数控加工技术知识，对理解数控刀具与传统刀具的差异性、选用数控刀具有所帮助。

（3）刀具材料知识 了解刀具材料知识对选择与使用数控刀具是有所帮助的。

2.专业性知识的学习与提高

（1）刀具专业知识的提高 在基础学习时，切削加工原理的学习一般以单刀车削加工为例，实际中，要逐渐过渡到能够灵活分析铣削、钻削等常见的数控加工方法上。能够运用金属切削机理（金属切削变形规律）分析与解决数控加工现场遇到的问题。对于切削加工的基本术语要能够专业化，如按GB/T 12204--2010《金属切削 基本术语》等表述切削加工基本术语，当然其他的专业术语也应尽可能按相关标准表述。

（2）切削用量参数的表示与选用 在刀具基础知识的学习阶段，切削用量的学习基本基于外圆车削加工，称为切削用量三要素，进入数控加工的应用后，车削加工表面发生了变化，如端面车削、镗内孔（内孔车削）、切断与切槽和螺纹切削等。另外，数控铣削、钻削等切削用量参数也需熟练掌握，如铣削加工圆柱切削刃铣削时除了传统的背吃刀量ap外，还有侧吃刀量ae等。除了掌握各种加工方法切削参数的定义外，切削用量的选择是实际加工时回避不了的问题，必须掌握并会根据现场情况进行调整。

（3）多收集与掌握数控刀具相关的国家标准 参考文献[1]中介绍了大量数控刀具相关的国家标准，可供参考。

（4）多收集数控刀具相关的刀具制造商信息及其刀具样本 特别是正在使用刀具的制造商信息，从其刀具样本上理解数控刀具的应用知识。注意了解当地刀具制造商代理点的信息。

（5）注意从生产中学习与提高 对于学习到一定阶段后，要逐渐跳出过去获取知识的方法，逐渐掌握自行学习与提高的模式。如多在实际加工中观察他人选择的刀具及其切削用量，若自己来处理，是否有差异，各自的优缺点。对于自己选择的刀具及其切削用量的加工，也必须深入现场，观察是否有改进与提高的地方。经常性地三省吾身。