数控刀具系统及机床夹具

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1、数控加工工艺学第5章 数控刀具系统及机床夹具5.1 数控加工刀具的种类及特点 5.2 可转位刀片及其代码 5.3 数控机床的主传动系统5.4 数控机床刀具系统 5.5 数控机床夹具 一、数控加工刀具的种类数控加工刀具的分类方法很多，具体见表5-1。5.1 数控加工刀具的种类及特点 二、数控加工刀具的特点相对于普通金属切削刀具，数控加工刀具有如下特点：（1）刀片或刀具几何参数和切削层参数规范化、典型化。（2）刀片或刀具材料及切削层参数与被加工材料对应匹配。（3）刀片或刀具的耐用度及经济寿命指标的合理化。（4）刀片及刀柄高度的通用化、规格化、系列化。5.1 数控加工刀具的种类及特点（5）刀具应具有

2、较高的精度，如刀片及刀柄对机床主轴的相对位置精度、刀柄的转位、装拆和重复精度。（6）刀柄应具有较高的强度、刚性和耐磨性。（7）刀柄或工具系统的装机重量有限度。（8）刀片及刀柄切入的位置和方向有要求。（9）刀片及刀柄定位基准、自动换刀系统的优化。5.1 数控加工刀具的种类及特点 三、数控加工机床对刀具的要求（1）高强度及高可靠性。（2）高精度。（3）适应高速切削，有良好的切削性能。（4）使用寿命长。（5）能精确而迅速的调整。（6）断屑及排屑性能好。（7）具有刀具工作状态检测装置。5.1 数控加工刀具的种类及特点 一、可转位刀具的优点数控机床使用的可转位刀具有如下的优点：（1）刀具可转位，减少辅助

3、时间，提高劳动生产率。（2）刀片可更换，延长刀具寿命。（3）刀杆使用时间长，有利于降低刀具成本。5.2 可转位刀片及其代码二、可转位刀片的代码及其标记方法从刀具结构的应用方面看，数控机床主要采用镶嵌式机夹可转位刀片的刀具。按国际标准ISO 1832-1985,机夹可转位刀片代码由10位字符串组成，其排列如下：5.2 可转位刀片及其代码其中，第1位代表刀片的几何形状及夹角；第2位代表刀片主切削刃后角(法后角)；第3位代表刀片内接圆d和厚度s的精度等级；第4位代表刀片形式、紧固方法或断屑槽；第5位代表刀片边长、切削刃长；第6位代表刀片厚度；第7位代表刀尖圆角半径r或主偏角kr或修光刃后角n；第8位

4、代表切削刃状态、刀尖切削刃或倒棱切削刃；第9位代表进刀方向或倒刃宽度；第10位代表制造商的补充符号或倒刃角度。一般情况下，第8位和第9位代码不被使用，当有要求时才予以填写。第10位代码因厂商而异。图5-1为可转位车刀片、铣刀片的标记方法。5.2 可转位刀片及其代码5.2 可转位刀片及其代码三、可转位刀片的夹紧方式可转位刀片的夹紧方式有很多种，为使刀具达到良好的切削性能，对刀片的夹紧方式有如下基本要求：（1）夹紧可靠，不发生松动或移动。（2）定位准确，确保定位精度和拆装、转位的重复精度。（3）排屑流畅，有足够的排屑空间。（4）结构简单，工艺性好。（5）定位夹紧元件有足够的强度和耐磨性。5.2 可

5、转位刀片及其代码一般的夹紧方式有上压式（代码为C）、上压与销孔夹紧（代码为M）、销孔夹紧（代码为P）和螺钉夹紧（代码为S），如图5-2所示。5.2 可转位刀片及其代码图5-2 可转位刀片的夹紧方式四、可转位刀片的选择1刀片材料的选择目前应用最多的刀片材料为硬质合金及带有涂层的硬质合金。2刀片外形的选择刀片外形对切削性能产生的影响，如图5-3所示。5.2 可转位刀片及其代码图5-3 刀片外形对切削性能产生的影响3刀尖圆弧半径选择刀尖圆弧半径大，表面粗糙度值增大，切削力增大且容易产生振动，但刀刃强度增加，刀具前后面磨损减少。对于小余量、小进给量车削加工，应采用小的刀尖圆弧半径。反之，宜采用较大的刀

6、尖圆弧半径。4刀片后角的选择常用的刀片后角有N(0)、C(7)、P（11）、E(20)等。一般粗加工、半精加工可用N型；半精加工、精加工可用C型、P型；加工铸铁、硬钢可用N型；加工不锈钢可用C型、P型；加工铝合金可用P型、E型；一般孔加工刀片可用C型、P型，大尺寸孔可用N型。5.2 可转位刀片及其代码一、选择数控加工刀具应考虑的因素选择数控加工刀片或刀具应考虑的因素是多方面的，如机床的种类、型号、被加工的材料等，大致可归纳为以下几点。(1)被加工材料及性能。(2)切削工艺的类别。(3)被加工工件的几何形状、零件精度和加工余量等因素。(4)刀具所能承受的切削用量。(5)其他因素，如生产现场条件及

7、生产量等。5.3 数控加工刀具的选择二、数控车削刀具的选择1车刀的种类常用数控车削刀具的种类有尖形车刀、圆弧车刀和成形车刀等。(1)尖形车刀。一般称带有直线切削刃的车刀为尖形车刀。这类刀具主要依靠其刀尖或直线形切削刃对零件进行加工。5.3 数控加工刀具的选择(2)圆弧车刀。圆弧车刀的特征是其主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或轮廓误差很小的圆弧，如图5-4所示。5.3 数控加工刀具的选择图5-4 圆弧车刀(3)成形车刀。成形车刀的特征是其刃形根据被加工零件轮廓设计。图5-5所示为常用车刀的种类、形状和用途。5.3 数控加工刀具的选择图5-5 常用车刀的种类、形状和用途(4)车刀类型的确认。车刀类型

8、的确认，必须考虑到车削切削部分的形状及零件轮廓的形成原理（包括编程因素）这两方面。当车刀刀尖的圆弧半径与零件上最小的凹形圆弧半径相同且在加工程序中无此圆弧程序段时，则可认为该车刀为成形车刀；当车刀刀尖为圆弧状且编程时对刀具圆弧半径进行半径补偿，则可认为该车刀为圆形车刀；当车刀刀尖上标注的圆弧尺寸为倒棱性质时，该车刀为尖形车刀。(5)车刀类型的选择。加工普通外圆及内孔或精度不高的曲面时，可选用尖形车刀；对于某些精度要求较高的凹曲面车削或大外圆弧面的批量车削以及尖形车刀所不能完成的加工，宜选用圆弧车刀；成形车刀在数控加工中应尽量避免使用。5.3 数控加工刀具的选择2常用数控车削刀具几何参数的选择(

9、1)尖形车刀几何参数的选择。尖形车刀几何参数的选择主要指车刀几何角度的选择。选择方法基本与普通车削时基本相同。(2)圆弧形车刀几何参数的选择。圆弧形车刀前、后角的选择在原则上与普通车刀相同，只不过形成其前角（大于时）的前刀面一般都为凹球面，形成其后角的后刀面一般为圆锥面。圆弧形车刀的几何参数除了前角和后角外，主要几何参数还有车刀圆弧切削刃的形状及半径。选择车刀圆弧半径的的大小时，应考虑两点：车刀切削刃圆弧半径应当小于或等于零件凹形轮廓上的最小半径，以免发生干涉；车刀圆弧半径不宜太小，否则车刀制造困难且极易损坏。5.3 数控加工刀具的选择三、数控铣削刀具的选择1铣刀的类型(1)面铣刀。如图5-6

10、所示5.3 数控加工刀具的选择图5-6 面铣刀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3种（图5-7）。5.3 数控加工刀具的选择图5-7硬质合金面铣刀(2)立铣刀。立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀，其结构如图5-8所示。5.3 数控加工刀具的选择5.3 数控加工刀具的选择图5-8 立铣刀(3)模具铣刀。5.3 数控加工刀具的选择图5-9 高速钢模具铣刀5.3 数控加工刀具的选择图5-10 硬质合金模具铣刀(4)键槽铣刀。键槽铣刀，如图5-11所示5.3 数控加工刀具的选择图5-11 键槽铣刀(5)鼓形铣刀。如图5-12 所示是一种典型鼓形铣刀5.3

11、数控加工刀具的选择图5-12 鼓形铣刀(6)成型铣刀。如图5-13所示为几种常见的成型铣刀类型5.3 数控加工刀具的选择图5-13 常见成型铣刀类型2铣刀类型的选择加工较大平面应选择面铣刀；加工凹槽、较小的台阶面及平面轮廓零件应选择立铣刀；曲面加工常采用球头铣刀；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；加工封闭的键槽应选择键槽铣刀；加工变斜角零件的变斜角面应选择鼓形铣刀；加工各种直的或圆弧形的凹槽、斜角面、特殊孔等应选用成型铣刀。目前数控机床中使用最多的是可转位面铣刀和立铣刀。5.3 数控加工刀具的选择3铣刀主要参数的选择(1)面铣刀主要参数的选择。标准可转位面铣刀直径为1663

12、0mm。粗铣时，选用直径较小的铣刀；精铣时，选用直径较大的铣刀。可转位面铣刀分粗齿、细齿和密齿3种。粗车铣刀一般用于粗铣钢件；粗铣带断续表面的铸件或平稳条件下铣削钢件时，可选用细齿铣刀；而密齿铣刀一般用于薄壁铸件的加工。5.3 数控加工刀具的选择由于铣削时有冲击，面铣刀的前角一般比车刀略小。前角的数值主要根据刀具材料与工件材料来选择，其具体数值可参见表5-2。5.3 数控加工刀具的选择(2)立铣刀主要参数的选择。立铣刀的前、后角一般选择正值，具体情况参见表5-3。5.3 数控加工刀具的选择四、孔加工刀具的选择1钻孔刀具的选择孔加工刀具有麻花钻、可转位浅孔钻及喷吸钻等。在加工30mm以下的孔时，

13、麻花钻为主要的加工工具（如图5-14），直径为880mm的麻花钻多为莫氏锥柄，直径为0.120mm的麻花钻多为圆柱刀柄；加工直径为2060mm、l/d3的中浅孔时，可选用可转位浅孔钻，其外形如图5-15所示；对于5l/d100（深径比）的深孔，应选用深孔加工刀具进行加工，如喷吸钻（图5-16）；5.3 数控加工刀具的选择5.3 数控加工刀具的选择1主后刀面；2前刀面；3副切削刃4横刃；5主切削刃；6副后刀面图5-14 麻花钻的结构图5.3 数控加工刀具的选择图5-15 直柄浅孔钻5 5.3 数控加工刀具的选择1工件；2钻套；3外钻管；4喷嘴；5内钻管；6钻头图5-15 直柄浅孔钻2扩孔刀具的选

14、择扩孔钻是主要的扩孔刀具，用于扩大孔径并提高孔的加工精度。扩孔钻的结构形式有高速钢整体式（图5-17(a)）、镶齿套式（图5-17(b)）及硬质合金可转位式（图5-17(c)）等。扩孔直径较小或中等时，选用高速钢整体式扩孔；扩孔直径较大时，选用镶齿式扩孔；扩孔直径在2060mm之间，且机床刚性好、功率大时，可选用硬质合金可转位式。5.3 数控加工刀具的选择5.3 数控加工刀具的选择图5-17 扩孔钻3铰孔刀具的选择数控加工机床一般选用通用标准铰刀，其结构如图5-18所示。通用标准铰刀分直柄、锥柄和套式3种。5.3 数控加工刀具的选择图5-18 铰刀4镗孔刀具的选择镗刀一般用于箱体孔的加工，加工

15、精度可达IT7IT6，表面粗糙度值Ra为6.30.8m，精镗可达0.4m。镗刀一般可分为单刃镗刀和多刃镗刀两大类，如图5-19所示。5.3 数控加工刀具的选择图5-19 单刃镗刀、多刃镗刀和浮动镗刀的结构一、数控刀具刀柄刀柄是机床主轴和刀具之间的连接工具，是数控机床工具系统的重要组成部分。1数控刀具刀柄的结构特点在我国制订的标准中，刀柄有直柄（JE）和锥柄（JT）两种形式，如图5-20所示。加工中心上一般刀柄均采用7 24圆锥工具柄。目前在我国多采用国际标准ISO73881983，中国标准GB109441989，日本标准MAS4041982，美国标准ANSI/ASMB5.501985。5.4

16、数控机床刀具系统5.4 数控机床刀具系统图5-20 刀柄结构示意图2常用数控刀具刀柄及拉钉结构我国数控刀柄结构（GB109441989）如图5-21所示。相应的拉钉国际标准GB10945-89包括两种形式：A型用于不带钢球的拉紧装置，其结构如图5-22(a)所示；B型用于带钢球的拉紧装置，其结构如图5-22(b)所示。如图5-23和图5-24所示分别为日本标准刀柄及拉钉结构和美国标准刀柄及拉钉结构。5.4 数控机床刀具系统5.4 数控机床刀具系统图5-21 中国标准刀柄结构5.4 数控机床刀具系统5.4 数控机床刀具系统图5-22 中国标准刀柄拉钉结构5.4 数控机床刀具系统5.4 数控机床刀

17、具系统图5-23 日本标准刀柄及拉钉结构5.4 数控机床刀具系统图5-24 美国标准刀柄及拉钉结构3数控刀具刀柄的选择方法(1)直柄工具的刀柄。直柄工具的刀柄主要有立铣刀刀柄和弹簧夹头刀柄。立铣刀刀柄的定位精度好，刚性强，能夹持相应规格的直柄立铣刀和其他直柄工具；弹簧夹头刀柄因有自动定心、自动消除偏摆的优点，在夹持小规格的直柄工具时被广泛采用。(2)各种铣刀刀柄。三面刃铣刀选用三面刃铣刀刀柄（XS）系列，套式立铣刀选用套式立铣刀刀柄（XM）系列，可转位面铣刀选用可转位面铣刀刀柄（XD）系列。刀柄的选用应按铣刀的装刀孔直径来选取刀柄的规格。莫氏锥柄立铣刀应选用无偏扁尾莫氏孔刀柄。5.4 数控机床

18、刀具系统(3)钻孔工具刀柄。钻孔工具刀柄主要有钻夹头刀柄，配上相应的钻夹头，可夹持直柄钻头、中心钻等。莫氏锥柄钻头可选用带扁尾莫氏孔刀柄。套式扩孔钻选用套扩、铰刀柄。(4)攻螺纹工具刀柄。攻螺纹工具刀柄主要选用攻螺纹夹头，它是由攻螺纹夹头刀柄和攻螺纹夹套两部分组成。5.4 数控机床刀具系统二、工具系统1车削类工具系统目前已出现的几种车削类刀具系统具有换刀速度快、刀具重复、定位精度高、连接刚度高等特点，其中被广泛采用的一种整体式车削工具系统为CZG车削工具系统。2镗铣类工具系统镗铣类工具系统一般由与机床主轴连接的锥柄、延伸部分的连杆和工作部分的刀具组成。镗铣类工具系统又分整体式工具系统和模块式工

19、具系统两大类。5.4 数控机床刀具系统(1)整体式工具系统。如图5-25所示为镗铣类整体式工具系统。5.4 数控机床刀具系统图5-25 整体式工具系统的组成我国研制的TSG82工具系统就属于整体式结构工具系统，如图5-26所示。5.4 数控机床刀具系统图5-26 TSG82工具系统表5-4是TSG82工具系统的代码和意义。5.4 数控机床刀具系统SG工具系统中的刀柄，其代号由5部分组成，各部分的含义如下：JT 45Q32120JT为代表工具柄部型式；45为对圆锥柄表示锥度规格，对圆柱柄表示直径；Q为工具用途代号；32为工具的规格；120为刀柄的工作长度。上述代号表示的工件为自动换刀机床用7 2

20、4圆锥工件柄，锥柄号45号，前部为弹簧夹头，最大夹持直径32mm，刀柄工作长度120mm。5.4 数控机床刀具系统（2）模块式工具系统。镗铣类模块式工具系统是把整体式刀具分解成主柄模块、连接模块和工作模块，然后通过不同规格的中间模块组成不同用途和不同规格的模块式刀具，如图5-27所示。5.4 数控机床刀具系统图5-27 模块式工具系统的组成国产TMG10、TMG21工具系统即为模块式工具系统，图5-28所示即为TMG21工具系统示意图。5.4 数控机床刀具系统图5-28 TMG21工具系统铣镗类模块式工具系统的型号及表示方法说明如下：主柄模块：XXA(H)XXXX其中，第1位X表示模块间的定心

21、方式；第2位X表示模块间的锁紧方式；第3位A(H)中A表示主柄模块，A（H）表示带冷却环主柄模块；第4位X代表柄部形式；第5位X代表主柄锥度规格；第6位X代表模块连接处外径D值；第7位X代表从圆锥大端直径到前端面距离L1 值。5.4 数控机床刀具系统中间模块（连接杆）：XXBX/XX其中，第1位X和第2位X所代表的内容与主柄模块前两位表示的意义相同；第3位B表示此模块为中间模块；第4位X表示靠近主柄模块一端的模块外径；第5位X表示靠近工作模块一端的模块外径；第6位X表示中间模块的接长长度L2值。5.4 数控机床刀具系统工作模块（工作头）：XXC(D)XXXX其中，第1位X和第2位X所代表的内容

22、与主柄模块前两位表示的意义相同；第3位C(D)用C表示需另配刀具的工作模块，用C(D)表示自身带有刀具的工作模块；第4位X代表模块连接端外直径；第5位X代表工作模块的用途；第6位X代表工作模块的规格；第7位X代表工作模块的有效长度L3值。5.4 数控机床刀具系统一、数控机床夹具的基本要求及特点数控机床的夹具特点是：（1）具有较高的精度。(2)数控机床夹具具有柔性，经适当调整即可夹持多种形状和尺寸的工件。(3)由于数控机床一般都配有刀具预调仪及对刀仪等设备，可以由机床解决对刀问题(4)具有足够的刚度，适应大切削用量切削。(5)使用气动、液压、电动等自动夹紧装置快速夹紧，辅助时间短。5.5 数控加

23、工用夹具二、数控加工常用夹具1数控车床夹具数控车床常用的夹具主要有三爪自定心夹盘、四爪夹盘和花盘等。三爪自定心夹盘，如图5-29所示，可自动定心，夹紧力较小，夹持工件时一般不需要找正，装夹迅速；四爪夹盘如图5-30所示，其四个爪都可单独移动，夹紧力大，装夹精度高，不受卡爪磨损的影响，但夹持工件时需要找正，适合装夹毛坯及截面不规则和不对称的较重大的工件；花盘通常用于装夹不对称和形状复杂的工件，装夹时需反复找正和平衡。5.5 数控加工用夹具5.5 数控加工用夹具1-卡盘体2-卡爪3-丝杆图5-29 三爪自定心夹盘5-30 四爪夹盘2数控铣床夹具数控铣床常用的夹具是平口钳，如图5-31所示。5.5

24、数控加工用夹具图5-31 平口钳3加工中心夹具加工中心常用的夹具有组合夹具、专用夹具、拼装夹具和成组夹具等。(1)组合夹具。组合夹具由一套预先制造好的不同形状、不同规格、不同尺寸的标准元件及部件组装而成。组合夹具分槽系和孔系两大类。如图5-32所示为一槽系组合夹具，图5-33为一孔系组合夹具。5.5 数控加工用夹具5.5 数控加工用夹具图5-32 槽系组合夹具5.5 数控加工用夹具图5-33 孔系组合夹具组合夹具具有以下优点：组合夹具一般是为某一工件的某一道工序组装的专用夹具，也可组装成通用夹具或成组夹具，适应性较广；节约夹具的设计制造工时，缩短生产周期；组合夹具的元件精度高，一般可达IT6I

25、T7级，用组合夹具加工的工件，位置精度一般可达IT8IT9级。组合夹具的主要缺点是体积大，刚性较差，一次投资多，成本高，这使得组合夹具在应用范围上受到一定限制。5.5 数控加工用夹具(2)专用夹具。专用夹具是根据某一零件的结构特点专门设计的夹具，具有结构合理、刚性强、装夹稳定可靠、操作方便等优点，但由于专用夹具只能用于一种零件的加工，有很大的狭隘性，而其设计和制造周期都较长，成本高，加工简单零件时不太经济。(3)可调夹具。可调夹具是在成组工艺的基础上，用标准化、系列化的零件拼装而成的夹具。它具有组合夹具的优点，比组合夹具有更好的精度和刚度，更小的体积和效率，因而更适合柔性加工要求，常用作数控机

26、床夹具。如图5-34所示为镗箱体孔的拼装夹具。5.5 数控加工用夹具5.5 数控加工用夹具1、2-定位孔；3定位销孔；4数控机床工作台；5液压基础平台6工件；7通油孔；8液压缸；9活塞；10定位键11、13-压板；12-螺钉图5-34 可调夹具（4）成组夹具。成组夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷发展起来的，它是在加工某种工件后，经过调整或更换个别定位元件或夹紧元件，即可加工另外一种工件的夹具。成组夹具的基础是对零件进行分类总之，加工中心一般的选择顺序是单件生产中尽量用卡盘、平口钳等通用夹具，批量生产时优先考虑组合夹具，其次考虑可调夹具，最后选用专用夹具和成组夹具。在选择时要综合考虑各种因素，选择最经济、最合理的夹具形式。5.5 数控加工用夹具