数控铣床刀具的选择技巧

数控机床与普通机床相比，对刀具提出了更高的要求，不仅要精度高、刚性好、装夹调整方便，而且要求切削性能强、寿命长。因此，数控加工中刀具的选择是非常重要的内容。刀具选择合理与否不仅影响机床的加工效率，而且还直接影响加工质量。

1.2.3.1 选择刀具考虑的因素

不同的机床种类、型号、工件材料，得到的加工效率是不同的。选择刀具应考虑的因素归纳起来有如下内容：

1）被加工工件的材料及性能：例如金属、非金属等不同材料的硬度、耐磨性和韧性等。

2）切削加工工艺的类别：有车、钻、铣、镗或粗加工、半精加工、精加工和超级精加工等。

3）工件的几何形状、零件精度、加工余量等因素。

4）刀具能承受的背吃刀量、进给速度、切削速度等切削参数。

5）其他因素，如生产的状况。

1.2.3.2 铣刀的种类

常用的铣刀有面铣刀、立铣刀、模具铣刀、键槽铣刀和鼓形铣刀。

1.面铣刀

面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为副切削刃，常用于端铣较大的平面。面铣刀多制成套式镶齿结构，刀齿为高速钢或硬质合金，刀体为40Cr。

高速钢面铣刀按国家标准规定：直径d=80～250mm，螺旋角β=10°，刀齿数Z=10～26。

硬质合金面铣刀与高速钢面铣刀相比，铣削速度较高、加工表面质量也较好，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，因此得到广泛应用。硬质合金面铣刀按刀片和刀齿的安装方式不同，可分为整体式、机夹-焊接式和可转位式三种。

2.立铣刀

立铣刀是数控铣削中最常用的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，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，这样可以增加切削平稳性，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，端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。

为了改善切屑卷曲情况，增大容屑空间，防止切屑堵塞，立铣刀的刀齿数比较少，容屑槽圆弧半径则较大。一般粗齿立铣刀齿数Z=3～4，细齿立铣刀齿数Z=5～8，套式结构Z=10～20，容屑槽圆弧半径r=2～5mm。当立铣刀直径较大时，还可制成不等齿距结构，以增强抗振作用，使切削过程平稳。

标准立铣刀的螺旋角β为40°～45°（粗齿）和30°～35°（细齿），套式结构立铣刀的β为15°～25°。

直径较小的立铣刀，一般制成带柄形式。ϕ2～ϕ71mm的立铣刀为直柄；ϕ6～ϕ63mm的立铣刀为莫氏锥柄；ϕ25～ϕ80mm的立铣刀为带有螺孔的7∶24锥柄，螺孔用来拉紧刀具。直径大于ϕ40～ϕ160mm的立铣刀可做成套式结构。

3.模具铣刀

模具铣刀由立铣刀发展而成，适用于加工空间曲面零件，有时也用于平面类零件上有较大转接凹圆弧的过渡加工。模具铣刀可分为圆锥形立铣刀（圆锥半角α/2=3°、5°、7°、10°）、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种，其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄。它的结构特点是球头或端面上布满了切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造。国家标准规定直径d=4～63mm。

4.键槽铣刀

键槽铣刀有两个刀齿，圆柱面和端面都有切削刃，端面刃延至中心，既像立铣刀，又像钻头。加工时先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向铣出键槽全长。

国家标准规定，直柄键槽铣刀直径d=2～22mm，锥柄键槽精铣刀直径d=14～50mm。键槽铣刀直径的极限偏差有e8和d8两种。键槽铣刀的圆周切削刃仅在靠近端面的一小段长度内发生磨损，重磨时，只需刃磨端面切削刃，因此重磨后铣刀直径不变。

5.鼓形铣刀

鼓形铣刀主要用于对变斜角类零件的变斜角面的近似加工。它的切削刃分布在半径为R的圆弧面上，端面无切削刃。

1.2.3.3 铣刀选择

数控铣床上所采用的刀具要根据被加工零件的材料、几何形状、表面质量要求、热处理状态、切削性能及加工余量等，选择刚性好、寿命长的刀具，常见刀具如图1-9所示。

图1-9 常见刀具

1.选用数控铣刀时的注意事项

1）在数控机床上铣削平面时，应采用可转位式硬质合金刀片铣刀。一般采用两次走刀，一次粗走，一次精走。当连续切削时，粗铣刀直径要小一些，以减小切削扭矩，精铣刀直径要大一些，最好包容待加工表面的整个宽度。加工余量大且加工表面不均匀时，刀具直径要选得小一些；否则，粗加工时会因接刀刀痕过深而影响加工质量。

2）高速钢立铣刀多用于加工凸台和凹槽，最好不要用于加工毛坯面，因为毛坯面有硬化层和夹砂现象，会加速刀具的磨损。

3）加工余量较小，且要求的表面粗糙度值较低时，应采用立方氮化硼刀片面铣刀或陶瓷刀片面铣刀。

4）镶硬质合金的立铣刀可用于加工凹槽、窗口面、凸台面和毛坯表面。

5）镶硬质合金的玉米铣刀可以进行强力切削，铣削毛坯表面和用于孔的粗加工。

6）加工精度要求较高的凹槽时，可采用直径比槽宽小一些的立铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀具半径补偿功能铣削槽的两边，直到达到精度要求为止。

7）在数控铣床上钻孔，一般不采用钻模，因为在进钻孔深度为直径5倍左右的深孔加工时容易折断钻头；可采用固定循环程序，多次自动进退，以利于冷却和排屑。钻孔前最好先用中心钻钻一个中心孔或采用一个刚性较好的短钻头锪孔引正。锪孔除了可以解决毛坯表面钻孔引正问题外，还可以替代孔口倒角。

2.数控铣削刀具的基本要求

（1）铣刀刚性要好 一是为了满足提高生产效率而采用大切削用量的需要；二是为适应数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点。例如，当工件各处的加工余量相差悬殊时，通用铣床遇到这种情况基本采取分层铣削方法加以解决；而数控铣削就必须按程序规定的走刀路线前进，遇到余量大时无法像通用铣床那样“随机应变”，除非在编程时能够预先考虑到，否则铣刀必须返回原点，用改变切削面高度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工，多走几刀，但这样势必造成余量少的地方经常走空刀，从而降低了生产效率，如果刀具刚性较好就不必这样了。再如，在通用铣床上加工时，若遇到刚性不强的刀具，也比较容易从振动、手感等方面及时发现并通过调整切削用量加以弥补，而数控铣削时则很难办到。在数控铣削中，因铣刀刚性较差而断刀并造成工件损伤的事是常有的，所以解决数控铣刀的刚性问题是至关重要的。

（2）铣刀的寿命要长 尤其是当一把铣刀加工的内容很多时，如果刀具不耐用且磨损较快，就会影响工件的表面质量与加工精度，而且会增加换刀引起的调刀与对刀次数，也会使工作表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶，降低工件的表面质量。

除上述两点之外，铣刀切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要，切屑粘刀形成积屑瘤在数控铣削中是十分忌讳的。总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好、寿命长的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和获得满意加工质量的前提。

3.铣刀齿数的选择

铣刀齿数多，可提高生产效率，但受容屑空间、刀齿强度、机床功率及刚性等方面的限制，不同直径铣刀的齿数均有相应规定。为满足不同用户的需要，同一直径的铣刀一般有粗齿、中齿、密齿三种类型。

（1）粗齿铣刀 适用于普通机床的大余量粗加工和软材料或侧吃刀量较大的铣削加工；当机床功率较小时，为使切削稳定，也常选用粗齿铣刀。

（2）中齿铣刀 是通用系列，使用范围广泛，具有较高的金属切除率和切削稳定性。

（3）密齿铣刀 主要用于铸铁、铝合金和有色金属的大进给速度切削加工。在专业化生产（如流水线加工）中，为充分利用设备功率和满足生产节奏要求，也常选用密齿铣刀（此时多为专用非标铣刀）。

为防止工艺系统出现共振，使切削平稳，还有一种不等分齿距铣刀。如WALTER公司的NOVEX系列铣刀均采用了不等分齿距技术。在铸钢、铸铁件的大余量粗加工中，建议优先选用不等分齿距的铣刀。

4.铣刀类型的选择

被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。

1）加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免切削刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀，如图1-10所示。

图1-10 加工曲面类铣刀

2）铣较大平面时，为了提高生产效率和提高加工表面质量，一般采用刀片镶嵌式盘形铣刀，如图1-11所示。

图1-11 加工大平面铣刀

3）铣小平面或台阶面时，一般采用通用铣刀，如图1-12所示。

4）铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度，一般用两刃键槽铣刀，如图1-13所示。

图1-12 加工台阶面铣刀

图1-13 加工槽类铣刀

5）孔加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工类刀具，如图1-14所示。

5.铣刀结构的选择

铣刀一般由刀片、定位元件、夹紧元件和刀体组成。由于刀片在刀体上有多种定位与夹紧方式，且刀片定位元件的结构有不同类型，因此铣刀的结构形式有多种，分类方法也较多。选用时，主要根据刀片排列方式进行。刀片排列方式可分为平装结构和立装结构两大类。

图1-14 孔加工刀具

（1）平装结构（刀片径向排列）平装结构铣刀（见图1-15）的刀体结构工艺性好，容易加工，并可采用无孔刀片（刀片价格较低，可重磨）。由于需要夹紧元件，刀片的一部分被覆盖，容屑空间较小，且在切削力方向上的硬质合金截面积较小，故平装结构的铣刀一般用于轻型和中量型的铣削加工。

（2）立装结构（刀片切向排列）立装结构铣刀（见图1-16）的刀片只用一个螺钉固定在刀槽上，结构简单，转位方便。虽然刀具零件较少，但刀体的加工难度较大，一般需用五坐标加工中心进行加工。由于刀片采用切削力夹紧，夹紧力随切削力的增大而增大，因此可省去夹紧元件，增大了容屑空间。由于刀片切向安装，在切削力方向的硬质合金截面积较大，因而可进行大背吃刀量、大进给量切削，这种铣刀适用于重型和中量型的铣削加工。

图1-15 平装结构铣刀

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图1-16 立装结构铣刀

6.铣刀角度的选择

铣刀的角度有前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等。为满足不同的加工需要，有多种角度组合形式。各种角度中最主要的是主偏角和前角（制造厂的产品样本中对刀具的主偏角和前角一般都有明确说明）。

（1）主偏角κ_r 主偏角为切削刃与切削平面的夹角，如图1-17所示。铣刀的主偏角有90°、88°、75°、70°、60°、45°等几种规格。

主偏角对径向切削力和背吃刀量影响很大。径向切削力的大小直接影响切削功率和刀具的抗振性能。铣刀的主偏角越小，其径向切削力越小，抗振性也越好，但背吃刀量也随之减小。

图1-17 主偏角

1）90°主偏角：在铣削带凸肩的平面时选用，一般不用于单纯的平面加工。该类刀具通用性好（既可加工台阶面，又可加工平面），在单件、小批量加工中选用。由于该类刀具的径向切削力等于切削力，进给抗力大，易振动，因而要求机床具有较大功率和足够的刚性。在加工带凸肩的平面时，也可选用88°主偏角的铣刀，与90°主偏角铣刀相比，其切削性能有一定改善。

2）60°～75°主偏角：适用于平面铣削的粗加工。由于径向切削力明显减小（特别是60°时），其抗振性有较大改善，切削平稳、轻快，在平面加工中应优先选用。75°主偏角铣刀为通用型刀具，适用范围较广；60°主偏角铣刀主要用于镗铣床、加工中心上的粗铣和半精铣加工。

3）45°主偏角：此类铣刀的径向切削力大幅度减小，约等于轴向切削力，切削载荷分布在较长的切削刃上，具有很好的抗振性，适用于镗铣床主轴悬伸较长的加工场合。用该类刀具加工平面时，刀片破损率低，寿命长；在加工铸铁件时，工件边缘不易产生崩刃。

（2）前角γ铣刀的前角可分解为径向前角γ_f（见图1-18a）和轴向前角γ_p（见图1-18b）。径向前角γ_f主要影响切削功率；轴向前角γ_p则影响切屑的形成和轴向力的方向，当γ_p为正值时切屑即飞离加工面。径向前角γ_f和轴向前角γ_p正负的判别如图1-18所示。常用的前角组合形式如下：

1）双负前角。双负前角的铣刀通常均采用方形（或长方形）无后角的刀片，刀具切削刃多（一般为8个），且强度高、抗冲击性好，适用于铸钢、铸铁的粗加工。由于切屑收缩比大，需要较大的切削力，因此要求机床具有较大功率和较高刚性。由于轴向前角为负值，切屑不能自动流出，在切削韧性材料时易出现积屑瘤和刀具振动。

图1-18 前角

凡能采用双负前角刀具加工时，建议优先选用双负前角铣刀，以便充分利用和节省刀片。当采用双正前角铣刀产生崩刃（即冲击载荷大）时，在机床允许的条件下亦应优先选用双负前角铣刀。

2）双正前角。双正前角铣刀采用带有后角的刀片，这种铣刀楔角小，具有锋利的切削刃。由于切屑收缩比小，所耗切削功率较小，切屑成螺旋状排出，不易形成积屑瘤。这种铣刀最宜用于软材料和不锈钢、耐热钢等材料的切削加工。对于刚性差（如主轴悬伸较长的镗铣床）、功率小的机床和在加工焊接结构件时，也应优先选用双正前角铣刀。

3）正负前角（轴向正前角、径向负前角）。这种铣刀综合了双正前角和双负前角铣刀的优点，轴向正前角有利于切屑的形成和排出；径向负前角可提高切削刃强度，改善抗冲击性能。此种铣刀切削平稳，排屑顺利，金属切除率高，适用于大余量铣削加工。WALTER公司的切向布齿重切削铣刀F2265就是采用轴向正前角、径向负前角结构的铣刀。

7.铣刀直径的选择

铣刀直径的选用视产品及生产批量的不同而差异较大，刀具直径的选用主要取决于设备的规格和工件的加工尺寸。

（1）平面铣刀 选择平面铣刀直径时，主要考虑刀具所需功率应在机床功率范围之内，也可将机床主轴直径作为选取的依据。平面铣刀直径可按D=1.5d（d为主轴直径）选取。在批量生产时，也可按工件侧吃刀量的1.6倍选择刀具直径。

（2）立铣刀 立铣刀直径的选择主要应考虑工件加工尺寸的要求，并保证刀具所需功率在机床额定功率范围以内。如果是小直径立铣刀，则应主要考虑机床的最高转数能否达到刀具的最低切削速度（60m/min）。

（3）槽铣刀 槽铣刀的直径和宽度应根据加工工件尺寸选择，并保证其切削功率在机床允许的功率范围之内。

8.铣刀的最大背吃刀量

不同系列的可转位面铣刀有不同的最大背吃刀量。最大背吃刀量越大的刀具所用刀片的尺寸越大，价格也越高，因此从节约费用、降低成本的角度考虑，选择刀具时一般应按加工的最大余量和刀具的最大背吃刀量选择合适的规格。当然，还需要考虑机床的额定功率和刚性应能满足刀具使用最大背吃刀量时的需要。

9.刀片牌号的选择

合理选择刀片硬质合金牌号的主要依据是被加工材料的性能和硬质合金的性能。一般选用铣刀时，可按刀具制造厂提供的加工材料及加工条件来配备相应牌号的硬质合金刀片。

P类合金（包括金属陶瓷）用于加工产生长切屑的金属材料，如钢、铸钢、可锻铸铁、不锈钢、耐热钢等。其中，组号越大，则可选用越大的进给量和背吃刀量，而切削速度则应越小。

M类合金用于加工产生长切屑和短切屑的黑色金属或有色金属，如钢、铸钢、奥氏体不锈钢、耐热钢、可锻铸铁、合金铸铁等。其中，组号越大，则可选用越大的进给量和背吃刀量，而切削速度则应越小。

K类合金用于加工产生短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料，如铸铁、铝合金、铜合金、塑料、硬胶木等。其中，组号越大，则可选用越大的进给量和背吃刀量，而切削速度则应越小。

P、M、K类合金牌号的选择原则见表1-3。

表1-3 P、M、K类合金切削用量的选择

各厂生产的硬质合金虽然有各自编制的牌号，但都有对应国际标准的分类号，选用十分方便。

1.2.3.4 孔加工刀具选择

1.钻孔刀具及其选择

钻孔刀具的种类较多，有普通麻花钻、可转位浅孔钻及扁钻等，应根据工件材料、加工尺寸及加工质量要求等合理选用。

在加工中心上钻孔，大多是采用普通麻花钻。麻花钻有高速钢和硬质合金两种。

麻花钻的切削部分有两个主切削刃、两个副切削刃和一个横刃。两个螺旋槽是切屑流经的表面，为前面；与工件过渡表面（即孔底）相对的端部两曲面为主后面；与工件已加工表面（即孔壁）相对的两条刃带为副后面。前面与主后面的交线为主切削刃，前面与副后面的交线为副切削刃，两个主后面的交线为横刃。横刃与主切削刃在端面上投影之间的夹角称为横刃斜角，横刃斜角ψ=50°～55°；主切削刃上各点的前角、后角是变化的，外缘处前角约为30°，钻心处前角接近0°，甚至是负值；两条主切削刃在与其平行的平面内的投影之间的夹角为顶角，标准麻花钻的顶角2ϕ=118°。

根据柄部不同，麻花钻有莫氏锥柄和圆柱柄两种。直径为8～80mm的麻花钻多为莫氏锥柄，可直接装在带有莫氏锥孔的刀柄内，刀具长度不能调节。直径为0.1～20mm的麻花钻多为圆柱柄，可装在钻夹头刀柄上。对于中等尺寸的麻花钻，这两种形式均可选用。

麻花钻有标准型和加长型。

在加工中心上钻孔，因无夹具钻模导向，受两切削刃上切削力不对称的影响，容易引起钻孔偏斜，因此要求钻头的两切削刃必须有较高的刃磨精度。

2.扩孔刀具及其选择

标准扩孔钻一般有3～4条主切削刃，如图1-19所示，切削部分的材料为高速钢或硬质合金，结构形式有直柄式、锥柄式和套式等。

扩孔直径较小时，可选用直柄式扩孔钻；扩孔直径中等时，可选用锥柄式扩孔钻；扩孔直径较大时，可选用套式扩孔钻。

扩孔钻的加工余量较小，主切削刃较短，因而容屑槽浅，刀体的强度和刚度较好。它没有麻花钻的横刃，加之刀齿多，所以导向性好，切削平稳，加工质量和生产率都比麻花钻高。

图1-19 扩孔刀具

当扩孔直径为20～60mm，且机床刚性好、功率大时，可选用可转位扩孔钻。这种扩孔钻的两个可转位刀片的外刃位于同一个外圆直径上，而且刀片径向可作微量（±0.1mm）调整，以控制扩孔直径。

3.镗孔刀具

镗孔所用刀具为镗刀。镗刀的种类很多，按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀。

单刃镗刀刚性差，切削时易引起振动，所以镗刀的主偏角选得较大，以减小径向力。镗铸铁孔或精镗时，一般取κ_r=90°；粗镗钢件孔时，取κ_r=60°～75°，以提高刀具寿命。

镗孔径的大小要靠调整刀具的悬伸长度来保证，调整麻烦，效率低，只能用于单件小批生产。但单刃镗刀结构简单，适应性较广，粗、精加工都适用。

在孔的精镗中，目前较多地选用精镗微调镗刀。这种镗刀的径向尺寸可以在一定范围内进行微调，调节方便，且精度高。调整尺寸时，先松开拉紧螺钉，然后转动带刻度盘的调整螺母，等调至所需尺寸时再拧紧拉紧螺钉，使用时应保证锥面靠近大端接触（即镗杆90°锥孔的角度公差为负值），且与直孔部分同心。键与键槽配合间隙不能太大，否则微调时就不能达到较高的精度。

镗削大直径的孔可选双刃镗刀。这种镗刀头部可以在较大范围内进行调整，且调整方便，最大镗孔直径可达1000mm。

双刃镗刀的两端有一对对称的切削刃同时参加切削，与单刃镗刀相比，每转进给量可提高一倍左右，生产效率高。同时，可以消除切削力对镗杆的影响。

4.铰孔刀具

加工中心上使用的铰刀多是通用标准铰刀。此外，还有机夹硬质合金刀片单刃铰刀和浮动铰刀等。

加工精度为IT7～IT10级、表面粗糙度值（Ra）为0.8～1.6μm的孔时，多选用通用标准铰刀。

通用标准铰刀如图1-20所示，有直柄、锥柄和套式三种。锥柄铰刀直径为10～32mm，直柄铰刀直径为6～20mm，小孔直柄铰刀直径为1～6mm，套式铰刀直径为25～80mm。

图1-20 机用铰刀

铰刀工作部分包括切削部分与校准部分。切削部分为锥形，担负主要切削工作。切削部分的主偏角为5°～15°，前角一般为0°，后角一般为5°～8°。校准部分的作用是校正孔径、修光孔壁和导向。为此，这部分带有很窄的刃带（γ₀=0°，α₀=0°）。校准部分包括圆柱部分和倒锥部分。圆柱部分保证铰刀直径和便于测量，倒锥部分可减少铰刀与孔壁的摩擦和减小孔径扩大量。

标准铰刀有4～12齿。铰刀的齿数除与铰刀直径有关外，主要根据加工精度的要求选择。齿数过多，刀具的制造重磨都比较麻烦，而且会因齿间容屑槽减小而造成切屑堵塞和划伤孔壁，以致铰刀折断。齿数过少，则铰削时的稳定性差，刀齿的切削负荷增大，而且容易产生几何形状误差。铰刀齿数可参照表1-4选择。

表1-4 铰刀齿数选择

加工精度为IT5～IT7级、表面粗糙度值（Ra）为0.7μm的孔时，可采用机夹硬质合金刀片的单刃铰刀。这种铰刀的结构如图1-21所示，刀片3通过楔套4用螺钉1固定在刀体上，通过螺钉7、销子6可调节铰刀尺寸。导向块2可采用粘接和铜焊固定。机夹单刃铰刀应有很高的刃磨质量。因为精密铰削时，半径上的铰削余量是在10μm以下，所以刀片的切削刃口要磨得异常锋利。

图1-21 硬质合金单刃铰刀

1、7—螺钉 2—导向块 3—刀片 4—楔套 5—刀体 6—销子

铰削精度为IT6～IT7级，表面粗糙度值（Ra）为0.8～1.6μm的大直径通孔时，可选用专为加工中心设计的浮动铰刀。