数控铣床刀具系统的选用原则

数控铣削机床的出现和发展满足了多品种、单件小批量、高精度、高效率的自动化生产需求。为了满足零件高精度的加工要求，同时使数控铣削机床能尽可能地满负荷连续工作以提高效益，选择一套优良的刀具是必不可少的任务。这就要求数控铣削加工工艺技术人员对铣削刀具的种类、特点、刀具系统、刀具材料、刀具切削参数、刀具的发展趋势等有较全面的认识，在完成工艺设计和编程的同时合理地选择刀具的种类和切削参数。

1.数控铣削加工刀具的特点

数控铣削加工刀具主要是指数控铣床和加工中心上使用的刀具。与普通铣削加工方法相比，数控铣削加工对刀具提出了更高的要求，不仅要求刀具刚性好、精度高，而且要求刀具尺寸稳定、耐用度高、断屑和排屑性能好、安装和调整方便、切削效率高等。与普通铣削机床上所用的刀具相比较，数控铣削加工刀具主要有以下特点。

1）刀具刚性好（尤其是粗加工刀具）、切削效率高

数控加工刀具要适应数控机床高速度、高效率、高刚度和大功率的发展趋势，因此，数控铣削加工刀具必须优质高效，具有承受高速切削和强力切削的性能，且金属去除率高、单刃成本低。

2）刀具精度高

数控铣削加工刀具的精度、刚度和重复定位精度要求较高。刀柄与刀具、快换夹头、机床主轴锥孔间的连接定位精度（包括刀具的形状精度、刀片和刀柄对机床主轴的相对位置精度、刀片的形状精度、刀体的转位及拆装的重复精度等）应较高，以满足精密零件的加工要求和快速更换刀具、刀片的需要。

3）刀具的可靠性高、抗振性强及热变形小

刀具的可靠性直接关系到零件的加工质量。因此，数控铣削加工刀具不能因切削条件有所变化而出现故障，必须具有较高的工作可靠性，耐用度高，性能稳定，有较长的刀具使用寿命，避免在同一零件加工过程中换刀刃磨，以减少不必要的停机，并保证加工精度。

4）刀具尺寸能够预调

为了达到较高的定位精度，数控铣削加工刀具的结构、尺寸应便于调整，使刀具能预调尺寸以减少换刀调整时间。

5）互换性好，换刀速度快

刀柄、刀夹、刀具、刀片有很好的互换性，便于更换。为提高换刀速度，人工换刀时应采用快换夹头或预装、预调工具，具有刀库装置的应能实现自动换刀。

6）具有完善的工具系统

实现刀具系列化、标准化，有利于编程和刀具管理。采用模块式工具系统，可以较好地适应多品种零件的生产需要，有效地减少工具储备。

7）具有刀具管理系统

刀具管理系统不仅可以自动识别刀库中所有的刀具，并储存刀具尺寸、位置、切削时间等信息，还可以实现刀具的更换、运送、刃磨和尺寸预调等功能。

2.数控铣床用刀具的种类

数控铣床用刀具的种类很多，如图4-16所示。它的分类也有多种方法。

图4-16　数控铣床用刀具的种类

常用数控刀具的材料有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石等。其中，高速钢、硬质合金和涂层硬质合金在数控铣削加工刀具中应用较广（这部分内容在第3章中已详细介绍）。

根据刀具的切削工艺，数控铣床用刀具可分为轮廓类加工刀具和孔类加工刀具等几种类型。

1）轮廓类加工刀具

（1）面铣刀。

面铣刀（见图4-17（a））也称飞刀，用于加工较大的平面。面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，端面上的切削刃为主切削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构，刀齿采用高速钢或硬质合金，刀体一般采用40Cr。

（2）立铣刀。

立铣刀（见图4-17（b）、（c））是数控机床上用得最多的一种铣刀，主要用于立式数控铣床上，用来加工凹槽、台阶面、成形面（利用靠模）等。立铣刀的主切削刃分布在立铣刀的圆柱面上，副切削刃分布在立铣刀的端面上，且端面中心有顶尖孔，因此，铣削时一般不能沿立铣刀轴向作进给运动，只能沿立铣刀径向作进给运动。立铣刀有粗齿和细齿之分：粗齿齿数有3～6个，适用于粗加工；细齿齿数有5～10个，适用于半精加工。立铣刀的直径范围是2～80 mm。立铣刀的柄部有直柄、莫氏锥柄、7∶24锥柄等多种形式。立铣刀应用较广，但切削效率较低。

图4-17　面铣刀和立铣刀

（3）键槽铣刀。

键槽铣刀主要用于立式数控铣床上，用来加工圆头封闭键槽等，如图4-18所示。该铣刀外形似立铣刀，仅有两个刀瓣，端面无顶尖孔，端面刀齿从外围开至轴心，且螺旋角较小，增强了端面刀齿的强度。加工键槽时，每次先沿键槽铣刀轴向进给较小的量，此时，端面刀齿上的切削刃为主切削刃，圆柱面上的切削刃为副切削刃。然后沿键槽铣刀径向进给，此时端面刀齿上的切削刃为副切削刃，圆柱面上的切削刃为主切削刃。这样反复多次，就可完成键槽的加工。由于该铣刀的磨损发生在端面和靠近端面的外圆部分，所以修磨时只修磨端面刀齿上的切削刃即可。这样，键槽铣刀直径可保持不变，使加工键槽的精度较高、铣刀寿命较长。

图4-18　键槽铣刀

直柄键槽铣刀直径一般为2～22 mm，锥柄键槽铣刀直径一般为14～50 mm。

（4）模具铣刀。

模具铣刀主要用于立式数控铣床上加工模具型腔、三维成形表面等。

按工作部分形状不同，模具铣刀可分为以下三种。

①平头铣刀。

平头铣刀也称平头锣刀、端铣刀，主要用于粗加工、平面精加工（精加工）、外形精加工和清角（清根）。圆锥形平头铣刀如图4-19（a）所示。

②圆角铣刀。

圆角铣刀也称圆鼻刀、牛鼻刀、牛头刀、刀把，主要用于模坯粗加工、平面精加工，适合加工硬度较高的材料。常用圆角铣刀的圆角半径R为0.2～6 mm。此类铣刀的刚性好、耐磨性好，常用于粗加工场合。

③球头铣刀。

球头铣刀，简称球刀，也称球头锣刀、R刀，如图4-19（b）、（c）所示，主要用于曲面精加工（精加工），用于平面粗加工及精加工时粗糙度大、效率低。

图4-19　高速钢模具铣刀

2）孔类加工刀具

孔类加工刀具主要有钻头、扩孔钻、铰刀、镗刀等。

（1）钻头。

数控铣床上常用的钻头有中心钻、标准麻花钻、深孔钻等，如图4-20所示。

图4-20　数控铣床上常用的几种钻头

中心钻主要用于孔的定位。由于切削部分的直径较小，所以中心钻钻孔时应选取较高的转速。

标准麻花钻的切削部分由2条主切削刃、2条副切削刃、1条横刃和2个螺旋槽组成。

（2）扩孔钻。

扩孔钻是用来扩大孔径，提高孔加工精度的刀具。它可用于孔的半精加工或最终加工。用扩孔钻加工时，孔的公差等级为IT10～IT11级，表面粗糙度为Ra 3.2～6.3 μm。扩孔钻与麻花钻相似，但齿数较多（一般为3～4个齿），因而工作时导向性好。扩孔余量小，切削刃无须延伸到中心，所以扩孔钻无横刃，切削过程平稳，可选择较大的切削用量。总之，扩孔钻的加工质量和效率均比麻花钻高。

扩孔钻有高速钢整体式（见图4-21（a））、镶齿套式（见图4-21（b））及硬质合金可转位式（见图4-21（c））等。扩孔直径较小或中等时，选用高速钢整体式扩孔钻；扩孔直径较大时，选用镶齿套式扩孔钻。扩孔直径在20～60 mm范围内，且机床刚性好、功率大时，可选用硬质合金可转位式扩孔钻。

图4-21　扩孔钻

标准扩孔钻一般有3～4条主切削刃，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。在小批量生产时，常用麻花钻改制成标准扩孔钻。

（3）铰刀。

铣床大多采用通用标准较刀进行铰孔。此外，还使用采用硬质合金机夹式刀片的单刃铰刀和浮动铰刀等。铰孔的加工精度为IT6～IT9级，表面粗糙度为Ra 0.8～1.6μm。

标准铰刀有4～12齿，由工作部分、颈部和锥柄三个部分组成。铰刀工作部分包括切削部分与校准部分。

机用铰刀如图4-22所示。

图4-22　机用铰刀

（4）镗刀。

镗刀多用于加工箱体孔。当孔径大于80 mm时，一般用镗刀加工。用镗刀进行加工，精度为IT6～IT7级，表面粗糙度为Ra 0.8～6.3μm，精镗时可达Ra 0.4μm。镗刀种类很多，按切削刃数量可分为单刃镗刀（见图4-23）和双刃镗刀（见图4-24）。单刃镗刀可镗削通孔、阶梯孔和盲孔，单刃镗刀刚性差，切削时易引起振动，所以单刃镗刀的主偏角选得较大，以减小径向。

图4-23　单刃镗刀

图4-24　机夹式双刃镗刀

1—刀杆；2，4—刀块；3—斜楔；5—刀体；6—螺钉

镗铸铁孔或精镗时，一般取主偏角κr=90°；粗镗钢件孔时，取主偏角κr=60°～75°，以提高刀具的耐用度。单刃镗刀一般均有调整装置，效率低，只能用于单件小批生产。单刃镗刀结构简单，适应性较广，粗、精加工都适用。

在精镗孔中，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，它的结构如图4-25所示。调整尺寸时，先松开紧固螺钉4，然后转动带刻度盘的锥形精调螺母5，等调至所需尺寸，再拧紧紧固螺钉4。使用时应保证锥面靠近大端接触，且与直孔部分同心。螺纹尾部的两个导向块3用来防止刀块转动，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。

图4-25　精镗微调镗刀

1—刀片；2—镗刀杆；3—导向块；4—紧固螺钉；5—锥形精调螺母；6—刀块

（5）螺纹孔加工刀具。

数控铣床大多采用攻螺纹的加工方法来加工内螺纹。此外，还用螺纹铣削刀具来加工螺纹孔。

丝锥是常用的螺纹孔加工刀具，如图4-26所示。它由工作部分和柄部组成。工作部分包括切削部分和校准部分。切削部分的前角为6°～8°。前端磨出切削锥角，切削负荷分布在几个刀齿上，切削省力。(www.xing528.com)

图4-26　机用丝锥

3.数控刀具刀柄系统

数控铣床、加工中心用刀柄系统由三个部分组成，即刀柄、拉钉、夹头或中间模块，如图4-27所示。

图4-27　数控刀具刀柄系统

1）刀柄

切削刀具通过刀柄与数控铣床主轴连接，刀柄的强度、刚性、耐磨性、制造精度以及夹紧力等对加工有直接的影响。数控铣床刀柄一般用7∶24锥面与主轴锥孔配合定位，刀柄和固定在刀柄尾部且与主轴内拉紧机构相适应的拉钉已实现标准化，因此，数控铣床刀柄系统应根据所选用的数控铣床要求进行配备。

根据刀柄大端直径的不同，刀柄又分成40、45、50（个别的还有30和35）等几种不同的锥度号。40、45、50是指刀柄的型号，并不是指刀柄实际的大端直径，如BT/JT/ST50和BT/JT/ST40分别代表刀柄大端直径为69.85 mm和44.45 mm的7∶24刀柄。数控铣床常用刀柄的类型及其使用场合如表4-1所示。

表4-1　数控铣床常用刀柄的类型及其使用场合

续表

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2）拉钉

数控铣床拉钉（见图4-28）的尺寸也已标准化，ISO、GB规定了A型和B型两种形式的拉钉。其中A型拉钉用于不带钢球的拉紧装置，而B型拉钉用于带钢球的拉紧装置。刀柄及拉钉的具体尺寸可查阅有关标准的规定。

图4-28　拉钉

3）弹簧夹头及中间模块

弹簧夹头有两种，即ER弹簧夹头（见图4-29（a））和KM弹簧夹头（见图4-29（b））。其中：ER弹簧夹头夹紧力较小，适用于切削力较小的场合；KM弹簧夹头夹紧力较大，适用于强力铣削的场合。

图4-29　弹簧夹头

中间模块（见图4-30）是刀柄和刀具之间的连接装置。通过中间模块的使用，可以提高刀柄的通用性能。例如，镗刀、丝锥与刀柄的连接就经常使用中间模块。

图4-30　中间模块

4.数控铣床用刀具的选用

1）铣刀类型的选用

铣刀的类型应与被加工工件的尺寸和表面形状相适应。加工较大的平面应选用面铣刀；加工凸台、凹槽及平面零件轮廓应选用立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔可选用镶硬质合金的玉米铣刀；加工曲面常选用球头铣刀，但加工曲面较平坦的部位应选用环形铣刀；加工空间曲面、模具型腔或凸模成形表面等多选用模具铣刀；加工封闭的键槽选用键槽铣刀；选用鼓形铣刀、锥形铣刀可加工类似飞机上的变斜角零件的变斜角面。数控铣床铣刀的选用方法如表4-2所示。

表4-2　数控铣床铣刀的选用方法

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2）铣刀参数的选择

数控铣床上使用最多的是可转位式面铣刀和立铣刀，因此，这里重点介绍面铣刀和立铣刀参数的选择。

（1）面铣刀主要参数的选择。

标准可转位式面铣刀直径为16～630 mm。粗铣时，面铣刀直径要小些，因为粗铣时的切削力大，选小直径面铣刀可减小切削扭矩。精铣时，面铣刀直径要大些，尽量包容工件整个加工宽度，以提高加工精度和效率，并减小相邻两次进给之间的接刀痕迹。

一般根据工件材料、刀具材料及加工性质的不同来确定面铣刀的几何参数。由于铣削时有冲击，故面铣刀前角的数值一般比车刀略小，尤其是硬质合金面铣刀，前角要更小些。铣削强度和硬度高的材料时，可选用具有负前角的面铣刀。面铣刀前角的选择可参考表4-3。面铣刀的磨损主要发生在后刀面上，因此适当加大后角可减少面铣刀的磨损。常取αo=5°～12°，工件材料软取大值，工件材料硬取小值；粗齿面铣刀取小值，细齿面铣刀取大值。铣削时冲击力大，为了保护刀尖，硬质合金面铣刀的刃倾角λs常取-5°～-15°。只有在铣削强度低的材料时，取λs=5°。主偏角κr在45°～90°范围内选取，铣削铸铁常用45°，铣削一般钢材常用75°，铣削带凸肩的平面或薄壁零件时要用90°。

表4-3　面铣刀前角的选择

（2）立铣刀主要参数的选择。

根据工件材料和立铣刀直径选取前、后角都为正值，具体数值可参考表4-4。为了使端面切削刃有足够的强度，在端面切削刃附近的前刀面上一般磨有棱边，棱边的宽度为0.4～1.2 mm，前角为6°。

表4-4　立铣刀前角、后角的选择

立铣刀的有关尺寸参数（见图4-31）推荐按下述经验数据选取。

图4-31　立铣刀的有关尺寸参数

①刀具半径r应小于零件内轮廓面的最小曲率半径ρ，一般取r=（0.8～0.9）ρ。

②零件的加工高度，以保证刀具有足够的刚度。

③对于不通孔（深槽），选取l=H+（5～10）mm（l为刀具切削部分长度，H为零件高度）。

④加工外形及通槽时，选取l=H+rε+（5～10）mm（rε为端刃底圆角半径）。

⑤加工肋时，刀具直径为D=（5-10）b（b为肋的厚度）。

⑥粗加工内轮廓面时，立铣刀最大直径Dmax（见图4-32）可按下式计算。

图4-32　铣刀最大直径

式中：D——轮廓的最小凹圆角直径；

δ——圆角邻边夹角等分线上的精加工余量；

δ1——精加工余量；

φ——圆角两邻边的最小夹角。

3）孔加工刀具的选择

（1）钻孔刀具的选择。

钻削加工直径为20～60 mm、深径比小于或等于3的中等浅孔时，可选用图4-33所示的可转位直柄浅孔钻。它的特点是：在带排屑槽及内冷却通道钻体的头部装有两个刀片（多为凸多边形、菱形或四边形），且刀片交错排列，切屑排除流畅，钻头定心稳定；多采用具有中间定心双刃切削的对称结构的深孔刀片；靠近钻心的刀片用韧性较好的材料，靠近钻头外径的刀片选用较为耐磨的材料；刀片可集中刃磨，刀杆刚度高，允许切削速度高，切削效率高及加工精度高，适用于箱体零件的钻孔加工。为提高刀具的使用寿命，可以在刀片上涂镀TiC涂层。使用这种钻头钻箱体孔，效率比使用普通麻花钻高4～6倍。

图4-33　可转位直柄浅孔钻

对于深径比大于5且小于100的深孔，由于加工中散热差，排屑困难，钻杆刚性差，易使刀具损坏和引起孔的轴线偏斜，影响加工精度和生产率，故应选用深孔刀具进行加工。

喷吸钻是一种效率高、加工质量好的新型内排屑深孔钻，适用于加工深径比不超过100，直径一般为65～180 mm的深孔。使用喷吸钻进行加工，孔的精度为IT7～IT10级，表面粗糙度为Ra 0.8～3.2μm，孔的直线度为0.1 mm/1000 mm。喷吸钻的工作原理如图4-34所示。

图4-34　喷吸钻的工作原理

钻削大直径孔时，可采用刚性较好的硬质合金扁钻。扁钻的切削部分磨成一个扁平体，主切削刃磨出顶角、后角，并形成横刃，副切削刃磨出后角与副偏角并且控制钻孔的直径。扁钻前角小，没有螺旋槽，制造简单、成本低。

（2）扩孔刀具的选择。

扩孔直径较小或中等时，选用高速钢整体式扩孔钻；扩孔直径较大，选用镶齿套式扩孔钻。扩孔直径为20～60 mm，且机床刚性好、功率大时，可选用硬质合金可转位式扩孔钻。

（3）镗孔刀具的选择。

镗孔刀具的选择主要应考虑镗刀杆的刚性，要尽可能地防止或消除振动。镗孔刀具的选择要点如下。

①尽可能选择大的镗刀杆直径（以接近镗孔直径为宜）。

②尽可能选择短的镗刀杆臂（工作长度）。当工作长度小于4倍的镗刀杆直径时可用钢制镗刀杆，加工要求高的孔时最好采用硬质合金镗刀杆。当工作长度为4～7倍的镗刀杆直径时，小孔用硬质合金镗刀杆，大孔用减振镗刀杆。当工作长度为7～10倍的镗刀杆直径时，要采用减振镗刀杆。

③主偏角（切入角κr）接近90°或大于75°。

④选择有涂层的刀片品种（刀刃圆弧小）和小的刀尖圆弧半径（0.2 mm）。

⑤精加工时选择采用正切削刃（正前角）刀片的刀具，粗加工时选择采用负切削刃刀片的刀具。

⑥镗深盲孔时，采用压缩空气或冷却液来排屑和冷却。

⑦选择正确、快速的镗刀柄夹具。