数控加工刀具基础知识

 
1数控加工常用刀具的特点
数控刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下特点：
1.     刚性好（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及热变形小；
2.     互换性好，同一品种规格的刀具耐用度、几何形状、尺寸精度基本一致，便于快速换刀；
3.     寿命高，切削性能稳定、可靠；
4.     刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间；刀具的调整、装夹应简单、方便 。
5.     刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除；
6.     具有完善的模块式工具系统；
7.     系列化，标准化，以利于编程和刀具管理。
2数控加工常用刀具的种类
数控加工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。刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。数控刀具的分类有多种方法。
一、根据刀具结构可分为：
1.整体式；
2.镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；
3.减震式刀具；
4.内冷式刀具；
5.特殊型式，如复合式刀具，可逆攻螺纹刀具等。
二、根据制造刀具所用的材料可分为：
1.高速钢刀具；
2.硬质合金刀具；
3.金刚石刀具；
4.立方氮化硼刀具；
5.陶瓷刀具等；
6.涂层刀具等。
三、按切削工艺可分为：
1.车削刀具
分外圆、内孔、螺纹、切断、切槽刀具等多种，如图2-17所示。
常用车削刀具有高速钢整体刃磨刀具，硬质合金焊接式刀具，机夹可转位刀具等。目前，在数控加工中机夹可转位刀具应用已非常普遍，采用该种刀具，可大大缩短工艺辅助时间，提高切削效率。机夹可转位车刀的夹紧结构有如图2-18所示三种。
车削刀具的选用步骤：
（1）确定工序类型——外圆/内孔；
（2）确定加工类型——外圆车削/端面车削 / 仿型车削 / 插入车削；
（3）确定刀具夹紧系统——M类夹紧 / S类夹紧/ P类夹紧；
（4）选定刀具类形；
（5）确定刀杆尺寸—— 16 / 20 / 25 / 32 / 40；
（6）选择刀片——形状/型号/槽型/刀尖半径/牌号（表2-7，表2-8）。
 
数控车削加工多使用机夹可转位刀具，刀具的选择主要是刀片的选择，即刀片材料的选择，刀片尺寸的选择，刀片形状的选择，刀片刀尖半径的选择。
（1）刀片材料主要依据被加工工件的材料、工件表面的精度要求、切削载荷的大小及切削加工过程中有无冲击和振动等条件决定。
（2）刀片尺寸主要是指有效切削刃的长度，根据背吃刀量ap和主偏角_kr确定，使用时可查阅相关手册。
（3）刀片形状根据被加工工件表面形状、切削方法、刀具寿命和刀片的可转位次数等因素来选择。
（4）刀尖圆弧半径的大小直接影响刀尖的强度和被加工零件的表面粗糙度。通常在背吃刀量较小的精加工、细长轴加工或机床刚度较差的情况下，选取较小的刀尖圆弧半径；在需要刀刃强度高、零件直径大的粗加工中，选取较大的刀尖圆弧半径。
2.铣削刀具
（1）面铣刀 如图2-19所示，面铣刀圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为副切削刃。因面铣刀尺寸一般较大，很少做成整体式，多制成套式镶齿结构，刀齿材料为高速钢或硬质合金，刀体为40Cr。
硬质合金面铣刀与高速钢面铣刀相比，铣削速度较高、加工效率高、加工表面质量好，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，所以得到广泛的应用，多用来加工零件上较大的平面结构。
（2）立铣刀 立铣刀是数控加工中用的最多的一种铣刀，分整体式和机夹可转位刀片式，结构如图2-20所示。立铣刀圆柱表面的切削刃为主切削刃，端面上的切削刃为副切削刃，主切削刃一般为螺旋齿，可增加切削过程中的平稳性，提高加工精度。由于普通立铣刀端面中心处无切削刃，所以立铣刀不能作轴向进给。
通常，小规格（4—16mm）立铣刀制成整体式，而φ16mm以上的立铣刀制成焊接式或机夹可转位式。整体立铣刀的结构如图2-21所示。
（3）模具铣刀 模具铣刀是由立铣刀演变而来的，分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀等几种。刀柄有直柄、削平型直柄和莫式锥柄三种。如图2-22所示，该种刀具大多用来加工各种模具型腔及曲面，一般圆周及球面部分都有切削刃，可作径向和轴向进给。
除整体式模具铣刀外，一些刀具厂商也推出了机夹可转位模具铣刀，如图2-23所示。
（4）键槽铣刀 键槽铣刀结构上类似于立铣刀，通常有两个刀齿，圆柱面和端面都有切削刃，端面切削刃延伸至中心，加工过程中既像立铣刀，又像钻头。加工时先轴向进给至槽深，然后沿长度方向铣出键槽全长。
国家标准规定，直柄键槽铣刀的直径d=2～22mm，锥柄键槽铣刀的直径d=14～50mm。
3.钻、绞削刀具 如图2-24所示，包括钻头、铰刀等。其中直柄麻花钻的结构如图2-25所示。
4.螺纹刀具 对于公称尺寸较大的内外螺纹，多采用螺纹车刀车削加工，而对于公称尺寸较小的螺纹，多采用板牙、丝锥进行加工。常用丝锥如图2-26所示。
5. 镗削刀具 数控铣床上用的镗孔刀具与数控车床上用的内孔刀具在结构上是相似的，只是刀柄结构有所差异，通常数控铣床上用的镗刀大部分为圆柱直柄镗刀，如图2-27所示。
数控加工过程中除用到以上刀具外，有时还用到一些成型刀具。
为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等的要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的30%～40%，金属切除量占总数的80%～90%。
铣削刀具的选择：
1）铣刀类型的选择
铣刀类型应与被加工工件的尺寸与表面形状相适应，加工较大的平面应选择面铣刀；加工凸台、凹槽及平面轮廓应选择立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔可选择镶硬质合金的玉米铣刀；加工曲面可采用球头铣刀；加工曲面较平坦的部位可采用环形铣刀；加工空间曲面、模具型腔或凸模成形表面多采用模具铣刀；加工封闭的键槽选择键槽铣刀。
2）铣刀参数的确定
面铣刀粗铣时刀具直径应小些，精铣时，铣刀直径应大些，尽量包容整个加工宽度。立铣刀应根据工件的材料、刀具的加工性质选择合适的刀具参数（直径、前角、后角、长度等）。
2.4数控钻、镗、铣加工刀具的装夹工具系统
2.4.1刀柄的分类
加工中心的主轴锥孔通常分为两大类，即锥度为7:24的通用系统和1:10的
HSK真空系统。
1.7:24锥度的通用刀柄
锥度为7:24的通用刀柄通常有五种标准和规格，即NT（传统型）、DIN 69871（德国标准）、IS0 7388/1 （国际标准） 、MAS BT（日本标准）以及ANSI/ASME（美国标准）。
NT型刀柄对应德国标准为DIN 2080，是在传统型机床上通过拉杆将刀柄拉紧，国内也称为ST；其它四种刀柄均是在加工中心上通过刀柄尾部的拉钉将刀柄拉紧。
目前国内使用最多的是DIN 69871型（即JT）和MAS BT 型两种刀柄。DIN 69871型的刀柄可以安装在DIN 69871型和ANSI/ASME主轴锥孔的机床上，IS0 7388/1型的刀柄可以安装在DIN 69871型、IS0 7388/1 和ANSI/ASME主轴锥孔的机床上，所以就通用性而言，IS0 7388/1型的刀柄是最好的。
2.1:10的HSK真空刀柄
HSK真空刀柄的德国标准是DIN69873，有六种标准和规格，即HSK-A、 HSK-B、 HSK-C、 HSK-D、 HSK-E和HSK-F，常用的有三种：HSK-A (带内冷自动换刀) 、 HSK-C (带内冷手动换刀) 和HSK-E(带内冷自动换刀，高速型)。
7:24的通用刀柄是靠刀柄的7:24锥面与机床主轴孔的7:24锥面接触定位
连接的，在高速加工、连接刚性和重合精度三方面有局限性。HSK真空刀柄靠刀柄的弹性变形，不但刀柄的1:10锥面与机床主轴孔的1:10锥面接触，而且使刀柄的法兰盘面与主轴面也紧密接触，这种双面接触系统在高速加工、连接刚性和重合精度上均优于7:24的通用刀柄。
2.4.2刀柄结构组成
1.拉钉
如图2-28所示，拉钉有三个关键参数：θ角、长度l以及螺纹G。根据三个关键参数的不同，每种刀柄配备的拉钉也不同。当然，拉钉还有是否带内冷却孔之分。
刀柄拉钉的θ角有如下几种情况：
（1）MAS BT（日本标准）刀柄拉钉θ角有45°、60°和90°之分，常用的是 45°和60° ；
（2）DIN 69871刀柄拉钉（通常称为DIN 69872－40/50）θ角只有75°一种；
（3）IS0 7388/1刀柄拉钉（通常称为IS0 7388/2－40/50）θ角有45°和75°两种；
（4）ANSI/ASME（美国标准）刀柄拉钉θ角有45°、60°和90°之分。
关于刀柄拉钉的螺纹G，除ANSI/ASME（美国标准）刀柄拉钉存在有英制螺纹标准外，其它三种均使用公制螺纹，40#刀柄拉钉通常使用M16螺纹，50#刀柄拉钉通常使用M24螺纹。
2.刀柄
一般刀柄分为整体式和模块式两类。下面我们仅以7:24的通用刀柄来介绍常用的几种整体式刀柄。
    （1）弹簧夹头刀柄
即通常所说的ER刀柄系统，其结构组成如图2-29所示，它是目前加工中心上最常用的刀柄，可以用来夹持直柄的钻头、立铣刀以及丝锥等。其标示如下：
BT50  ×  ER32  –  150
         |         |         ∟ 刀柄长度
   刀柄型号 弹性套筒型号（ER32弹性套筒）
（2）直结式钻夹头刀柄
    又称为整体式精密钻夹头刀柄，如图2-30所示，该种刀柄不需要弹性套筒而可以在一个大的尺寸范围内锁紧刀具，具有钻孔、攻丝、立铣以及铰孔等功能。其标示如下：
         BT50 -  ZZJT13 – 150
          |         |       ∟  刀柄长度
      刀柄型号   夹持范围(Ф1mm－ Ф13mm)
（3）侧固式刀柄
    侧固式刀柄包括两种：削平面的侧固式铣刀柄（DIN 1835-B）和带2o斜削
平面的侧固式钻刀柄（DIN 1835-E），如图2-31所示 。其标示如下：
       BT50 -  XP20 – 105
         |      |        ∟ 刀柄长度
刀柄型号   夹持直径(20mm)
   JT50 -     XM27   –  60
    |         |          ∟ 刀柄长度
  刀柄型号   面铣刀中心孔直径(27mm)
（5）强力铣刀柄
强力铣刀柄的刀体厚实，刚性高振动少；刀头内部带有螺旋槽和窄槽，夹持力强、跳动精度高（5μ以内）并防止刀具高速时脱落。
主要用于强力铣削、钻孔以及刚性攻丝，同时也用于夹持直杆镗刀、直杆
弹簧夹头延长杆、直杆攻丝夹头。其标示如下：
        BT50   -   ZC32 – 110
         |          |       ∟ 刀柄长度
     刀柄型号   夹持直径(32mm)，也即套筒外径