数控铣床与加工中心：刀具及工艺特点

数控铣床和加工中心上使用的刀具主要有铣削用刀具和孔加工用刀具两大类。

数控机床上进行铣削加工主要是通过旋转的多切削刃刀具，沿着工件在几乎任何方向上执行可编程的进给运动，从而完成切削加工。

1.铣刀的种类和工艺特点

1）面铣刀

面铣刀主要用于面积较大平面的铣削和较平坦的立体轮廓的多坐标加工。

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、加工表面质量也较好并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，故得到广泛应用。硬质合金面铣刀按刀片和刀齿安装方式的不同，可分为整体焊接式、机夹焊接式和可转位式三种，如图5-7所示。

图5-7　硬质合金面铣刀

数控加工中广泛使用可转位式面铣刀。目前先进的可转位式数控面铣刀的刀体趋向于用轻质高强度铝、镁合金制造，切削刃采用大前角、负刃倾角，可转位刀片（多种几何形状）带有三维断屑槽型，便于排屑。

2）立铣刀

立铣刀是数控机床上应用最广的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。立铣刀的结构有整体式和机夹式等，硬质合金和高速钢是铣刀工作部分的常用材料，如图5-8所示。立铣刀按端部切削刃的不同可分为过中心刃和不过中心刃两种，过中心刃立铣刀可直接轴向进刀；按螺旋角大小可分为30°、40°、60°等几种形式；按齿数可分为粗齿、中齿、细齿三种。

图5-8　立铣刀

数控加工中除了用普通的高速钢立铣刀以外，还广泛使用以下几种先进的结构类型：

（1）整体式立铣刀：硬质合金立铣刀侧刃采用大螺旋升角（≤62°）结构，立铣刀头部的过中心端刃（或螺旋中心刃）往往呈弧线形、负刃倾角，增加了切削刃长度，提高了切削平稳性、工件表面精度及刀具寿命，适应数控高速、平稳三维空间铣削加工技术的要求。

（2）可转位立铣刀：各类可转位立铣刀由可转位刀片（往往设有三维断屑槽型）组合而成侧齿、端齿与过中心刃端齿（均为短切削刃），可满足数控高速、平稳三维空间铣削加工技术要求。

（3）波形立铣刀：波形立铣刀的结构如图5-9所示，其特点是：①能将狭长的薄切屑变成厚而短的碎切屑，使排屑变得流畅；②比普通立铣刀容易切进工件，在相同进给量的条件下，它的切削厚度比普通立铣刀要大些，并且减小了切削刃在工件表面的滑动现象，从而提高了刀具的寿命；③与工件接触的切削刃长度较短，刀具不易产生振动；④由于切削刃是波形的，因而使刀刃的长度增大，所以有利于散热。

图5-9　波形立铣刀

3）模具铣刀

模具铣刀由立铣刀发展而成，它是加工金属模具型面铣刀的通称。模具铣刀可分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种，其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄三种。它的结构特点是球头或端面上布满切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以做径向和轴向进给。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＝4～63 mm。图5-10所示为高速钢制造的模具铣刀，图5-11所示为用硬质合金制造的模具铣刀。小规格的硬质合金模具铣刀多制成整体结构，φ16 mm以上直径的可制成焊接或机夹可转位刀片结构。

图5-10　高速钢模具铣刀

图5-11　硬质合金模具铣刀

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，也可把它看作立铣刀的一种。按国家标准规定，直柄键槽铣刀直径d＝2～22 mm，锥柄键槽铣刀直径d＝14～50 mm。键槽铣刀直径的偏差有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。用键槽铣刀铣削键槽时，一般先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向铣出键槽全长。由于切削力引起刀具和工件变形，一次走刀铣出的键槽形状误差较大，槽底一般不是直角。为此，通常采用两步法铣削键槽，即先用小号铣刀粗加工出键槽，然后以逆铣方式精加工四周，可得到真正的直角，能获得最佳的精度，如图5-12所示。

图5-12　两步法铣削键

5）鼓形铣刀

图5-13所示为一种典型的鼓形铣刀，它的切削刃分布在半径为R的圆弧面上，端面无切削刃。鼓形铣刀多用来对飞机结构件等零件中与安装面倾斜的表面进行三坐标加工，如图5-14所示。这种表面最理想的加工方案是多坐标侧铣，在单件或小批量生产中可用鼓形铣刀加工来取代多坐标加工，加工时控制刀具上下位置，相应改变刀刃的切削部位，可以在工件上切出从负到正的不同斜角。R越小，鼓形刀所能加工的斜角范围越广，但所获得的表面质量也越差。这种刀具的缺点是刃磨困难，切削条件差，而且不适合加工有底的轮廓表面。

图5-13　鼓形铣刀

图5-14　三坐标鼓形铣加工

6）成形铣刀

图5-15是常见的几种成形铣刀，一般都是为特定的工件或加工内容专门设计制造的，如角度面、凹槽、特形孔或台等。

图5-15　成形铣刀

7）锯片铣刀

锯片铣刀可分为中小规格的锯片铣刀和大规格锯片铣刀（GB/T 6130—2001）。数控镗铣及加工中心主要用中小规格的锯片铣刀，其分类及主要尺寸参数范围见表 5-1。目前国外有可转位锯片铣刀，如图5-16所示。

表5-1　中小规格的锯片铣刀分类及适用范围

图5-16　可转位锯片铣刀

锯片铣刀主要用于大多数材料的切槽、切断、内外槽铣削、组合铣削、缺口实验的槽加工、齿轮毛坯粗齿加工等。

选择铣刀时首先要注意根据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，同时铣刀类型应与工件表面形状和尺寸相适应。加工较大的平面应选择面铣刀；加工凹槽、较小的台阶面及平面轮廓应选择立铣刀；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；加工封闭的键槽选择键槽铣刀；加工变斜角零件的变斜角面应选用鼓形铣刀；加工各种直的或圆弧形的凹槽、斜角面、特殊孔等应选用成形铣刀。根据不同的加工材料和加工精度要求，应选择不同参数的铣刀进行加工。

2.孔加工刀具的类型与工艺特点

在刀具种类中，孔加工刀具是一大家族，在此就数控加工用主要新结构孔加工刀具作一简要介绍。

1）数控钻头

（1）整体式钻头：钻尖切削刃由对称直线形改进为对称圆弧形（r＝1/2D），以增长切削刃，提高钻尖寿命；钻芯加厚，提高钻体刚度，用“S”形横刃（或螺旋中心刃）替代传统横刃，减小轴向钻削阻力，提高横刃寿命；采用不同顶角阶梯钻尖及负倒刃，提高分屑、断屑、钻孔性能和孔的加工精度；镶嵌模块式硬质（超硬）材料齿冠；油孔内冷却及大螺旋升角（≤40°）结构等。最近研制出整体式细颗粒陶瓷（Si3N4）、Ti基类金属陶瓷材料钻头。

（2）机夹式钻头：钻尖采用长方异形专用对称切削刃，钻削力径向自成平衡的可转位刀片替代其他几形状，以减小钻削振动，提高钻尖自定心性能、寿命和孔的加工精度。

2）数控铰刀

大螺旋升角（≤45°）切削刃、无刃挤压铰削及油孔内冷却的结构是数控铰刀的总体发展方向，最大铰削孔径已达φ400 mm。

3）镗　刀

适合于各种类型孔的镗削加工，最小镗孔直径为φ3 mm，最大可达φ975 mm。国外已研制出采用工具系统内部推拉杆轴向运动或高速离心力带平衡滑块移动，一次走刀完成镗削球面（曲面）、斜面及反向走刀切削加工零件背面的数控智能精密镗刀，代表了镗刀发展的方向。

4）丝　锥

目前已研发出大螺旋升角（≤45°）丝锥，其切削锥根据被加工零件材料的软、硬状况来设计专用刃倾角、前角等。

5）扩（锪）孔刀

多刃、配置各种数控工具柄及模块式可调微型刀夹的结构形式是目前扩（锪）孔刀具发展的方向。

6）复合（组合）孔加工数控刀具

该类数控刀具集合了钻头、铰刀、扩（锪）孔刀及挤压刀具的新结构、新技术。目前，整体式、机夹式、专用复合（组合）孔加工数控刀具研发速度很快。总体而言，采用镶嵌模块式硬质（超硬）材料切削刃（含齿冠）及油孔内冷却、大螺旋槽等结构是其目前发展趋势。图5-17所示为几种复合刀具简图。

图5-17　复合刀具

3.铣削刀具的选用特点

目前可转位铣刀已广泛应用于各行业的高效、高精度铣削加工，其种类已基本覆盖了现有的全部铣刀类。由于可转位铣刀结构各异、规格繁多，选用时有一定难度，可转位铣刀的正确选择和合理使用是充分发挥其效能的关键。下面主要就可转位铣刀的合理选用作一简单介绍。

1）刀片断屑槽型的选择(www.xing528.com)

经过长期发展，用于铣削的切削刃槽型和性能得到了很大的提高，很多最新刀片都有轻型、中型和重型加工三种基本槽型，如图5-18所示。

图5-18　铣刀刀片的三种基本槽型

2）刀具齿数的选择

铣刀齿数多，可提高生产效率，但受容屑空间、刀齿强度、机床功率及刚性等的限制，不同直径的可转位铣刀的齿数均有相应规定。为满足不同用户的需要，同一直径的可转位铣刀一般有粗齿、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切削宽度较大的铣削加工；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、铝合金和其他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的要求，也常选用密齿铣刀（此时多为专用非标准铣刀）。

此外，为防止工艺系统出现共振，使切削平稳，还开发出一种不等分齿距铣刀。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。

3）铣刀直径的选择

下面以面铣刀和立铣刀为例来说明铣刀直径选择的主要依据。

（1）面铣刀：面铣刀直径主要是根据工件宽度选择，同时要考虑机床的功率、刀具的位置和刀齿与工件接触形式等，也可将机床主轴直径作为选取的依据，面铣刀直径可按D＝1.5d（d为主轴直径）选取。一般来说，面铣刀的直径应比切宽大20%～50%。为了获得最佳的切削效果，推荐采用如图5-19所示的不对称铣削切削位置。另外，为提高刀具寿命，推荐采用顺铣，如图5-20所示。

图5-19　最佳铣削位置

图5-20　最佳铣削方法

（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。若是小直径立铣刀，则应主要考虑机床的最高转速能否达到刀具的最低切削速度要求。

4）主偏角的选择

铣刀的主偏角是由刀片和刀体形成的，主偏角对径向切削力和切削深度影响很大。径向可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，抗震性也越好，但切削深度也随之减小。可转位铣刀的主偏角有90°、88°、75°、70°、60°、45°等几种。

90°主偏角刀具适用于薄壁零件、装夹较差的零件的加工或要求准确90°角成形的场合，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。45°主偏角刀具为一般切削加工首选，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。圆刀片刀具可多次转位，切削刃强度高，随切深不同其主偏角和切屑负载均会变化，切屑很薄，最适合加工耐热合金。

4.刀柄和拉钉的种类和选用

1）按刀柄锥度分类

数控镗铣床和加工中心的刀柄通常分为两大类，即7∶24锥度的通用刀柄和1∶10的HSK空心短锥柄。

（1）7∶24锥度的通用刀柄：由于历史原因，各国在最初设计7∶24圆锥柄时，在锥柄尾的拉钉和锥柄前端凸缘结构（包括机械手夹持槽、键槽和方向识别槽的选择）上各不相同，并且形成了各自的标准，如美国标准（ANSI CAT B5.50）、德国标准（DIN 69871）、日本标准（BT MAS 403）、国际标准化组织标准（ISO）等多种形式。目前不同的机床规格和不同的生产商，所选用的刀柄规格和系列各有不同。常见的刀柄分为BT系列（常用）、CAT系列、DIN系列（德国常用）。刀柄的规格又根据机床规格的不同分为30、40、50等多个品种。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。

（2）1∶10的HSK空心短锥柄：空心短锥柄的德国标准是DIN 69873，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，分别是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）。A型和E型的最大区别就在于：A型有传动槽而E型没有。所以相对来说A型传递扭矩较大，可进行一些重切削；而E型传递的扭矩就比较小，只能进行一些轻切削。其他常见结构的1∶10工具锥柄基本用企业标准，具有垄断性，如瑞典山特维克公司的Capto系列、美国肯纳公司的KM型系列、德国瓦尔特公司的NOVEX系列等。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锥度的刀柄。

2）按夹持刀具的方法分类

（1）弹簧夹头刀柄：弹簧夹头刀柄和弹簧夹头如图5-21所示。通过更换弹簧夹头可装夹一定范围内各尺寸刀具，装卸刀具十分方便，应用较广泛。卡簧弹性变形量为1 mm，主要夹持直柄小规格铣刀、钻头和丝锥。

图5-21　弹簧夹头刀柄和弹簧夹头

（2）侧固式立铣刀柄：如图5-22所示，一个刀柄装夹一个尺寸的刀具，在强力切削时可防止刀具加工时的轴向窜动。该刀柄装夹的立铣刀尾部应开有装夹槽。

（3）强力刀柄：如图5-23所示，此类刀柄自锁性好，夹紧力大，可进行强力铣削加工，夹持精度高，可用于高精度铣铰孔加工，主要夹持直柄小规格铣刀、钻头、丝锥。

（4）面铣刀柄：如图5-24所示，用于装夹可转位面铣刀，可通过更换刀盘改变刀具直径。

图5-22　侧固式立铣刀柄

图5-23　强力夹头刀柄

图5-24　面铣刀柄

（5）钻夹头刀柄：如图5-25所示，可直接装夹直柄的钻头，装夹精度较低，刀具不宜做径向移动，可夹持卡爪张开范围内任意尺寸的刀具。

（6）镗刀柄：如图5-26所示，适用于各种规格的孔的粗镗和精镗加工。

（7）液压刀柄：如图5-27所示，它利用高黏度液压油的不可压缩性使刀具夹持腔的内壁发生弹性变形，从而锁紧刀具。通过内六角扳手拧紧加压螺钉，提高油腔内的油压，那么封闭油腔中的每个部分都会受到相同的压力，使油腔的内壁均匀而对称地向轴线方向膨胀而夹紧刀具；当松开加压螺钉时，油腔内油压回落，装夹孔内壁在弹性回复力的作用下回复到原始直径而松开刀具。液压刀柄锁紧力矩通常优于弹簧套系统，精度高，可以实现高转速（2 000 r/min以上）。

图5-25　钻夹头刀柄

图5-26　镗刀刀柄

图5-27　液压刀柄

（8）热胀刀柄：如图5-28所示，它具有液压刀柄的精度，克服了液压刀柄易损的缺点，在价格上有很强的优势，近年来在欧美的高速加工领域得到了广泛的使用；与热胀仪配合使用，利用电涡流加热原理，具有快速加热及冷却的特点（加热夹紧时间5 s，冷却时间小于30 s）；可用于直径3～32 mm的刀具。

图5-28　热胀刀柄及热胀仪

3）拉钉的选择

数控机床刀柄常用拉钉如图5-29所示。拉钉是带螺纹的零件，常固定在各种工具柄的尾端机床主轴内的拉紧机构，借助它把刀柄拉紧在主轴中。数控机床刀柄有不同的标准，机床刀柄拉紧机构也不统一，故拉钉有多种型号和规格。正确选择拉钉应根据数控机床说明书或对机床自带的拉钉进行测量后来确定。如果拉钉选择不当，装在刀柄上使用可能会造成事故。

图5-29　数控机床刀柄常用拉钉

5.刀具的管理

加工中心具有自动换刀功能，为了提高加工中心的效率，必须使刀具的供应顺利、及时，就是要在正确的时间将正确的刀具送到需要的加工中心上。在加工中心或FMS上刀具的管理主要有以下四种方法：

1）一种工件采用一组刀具

该方法是对加工不同的工件，各准备一组刀具。当一种工件加工完毕后，则将机床刀库所有刀具取下送到库房。加工另外一种工件时，再换上另一组刀具。这种方法管理简单，但刀具库存量大，费用高，一般在成批生产中采用，不适合于单件小批生产。

2）部分刀具更换及部分刀具共用

在加工完一组工件后，保留一部分共同的刀具，而将其余的专用刀具从刀库中卸下，再装上一部分不同的刀具，以加工另一种工件。因为不同的工件共用一部分刀具，这种方法较节省刀具。

3）数种工件使用同一组刀具

该方法按成组技术相似性原理选出数种相似工件，提供一组刀具进行加工。整组的刀具都安放在刀库中，因而需要机床刀库容量大，一般要求能容纳80～140把刀具。

4）所有刀具为一组机床所共用

上述三种方法均只考虑了一台加工中心的情况，假定按计划加工多种不同的工件，在实际生产中常会发生各种意外的情况。例如机床故障或材料发生问题等，以致必须临时改变加工计划。此时需要一个较有弹性的系统来适应这些意外的情况。这时可将刀具分布在一组加工中心的刀库中，彼此共用，而每一台机床均具有相同的功能，可以完成任一种零件的加工。因此，当有一台机床出现故障时，则立即可由另一台代替。这种方法使用的刀具数量虽然不少但是却有能力应付在FMS生产线上意外发生的情况，在生产期间，每台机床的刀库中装满了刀具，以减少机床之间刀具交换的次数。常用的刀具均装在刀库里，其中部分最常用的刀具在刀库中准备了两把以上，以便刀具磨损时能随时补充。这里需要容量较大的机床刀库，以及能在机床之间运送刀具的无人搬运系统。

另外，有些较先进的加工中心具有刀具寿命管理功能，刀具可按若干组分类，每组中的刀具寿命和刀号可以以表的形式在机床的NC存储器中事先设定。当加工过程中所使用的刀具达到其使用寿命时，机床能自动选择同组中未达到使用寿命的刀具继续加工。使用该功能，可实现刀具寿命管理的自动化。