第章数控刀具及其工具系统
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第一章 数控机床概述
第一节 数控机床的加工特点及其应用
6)数控机床加工的自动化程度很高，除刀具的进给运动外， 对零件的装夹、刀具的更换、切屑的排除等工作均能自动 完成。 7)采用数控机床加工，能通过选用最佳工艺路线和切削用 量，有效地减少加工中的辅助时间，较大地提高生产效率。 8)在数控机床上加工零件，一般可省去前期划线、中间检 验等工作，通常还可省去复杂的工装，减少对零件的安装、 调整等工作，故能明显缩短加工的准备时间，降低生产费 用。
新型数控车床的空转动时间大为缩短。
第三节 数控车床概述
(3)高柔性 数控车床具有高柔性，适应70%以上的多品 种、小批量零件的自动加工。 (4)高可靠性 随着数控系统的性能提高，数控机床的无故 障时间迅速提高。 (5)工艺能力强 数控车床既能用于粗加工又能用于精加工， 可以在一次装夹中完成其全部或大部分工序。 (6)模块化设计 数控车床的制造采用模块化原则设计。 三、数控车床的组成及布局
第一章
第一节 数控机床的加工特点及其应用
一、数控机床的加工特点 1)能加工超精零件。 2)能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件。 3)能加工普通机床不能(或不便)加工的多种零件。 4)能加工经一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件。 5)一台数控机床可同时加工两个或多个相同的零件，也可 同时加工多工序的不同零件。
一、数控机床的组成
图1-16 数控机床的组成
第二节 数控机床的组成及工作原理
1.输入装臵 (1)控制介质输入 所谓控制介质就是数控信息的物质载体， 通常有穿孔纸带、磁带、磁盘等；相应的输入装臵是光电 纸带阅读机、录音机、磁盘驱动器等。 (2)手工输入 利用键盘和显示屏，输入控制机床运动和刀 具运动的指令。 (3)直接输入存储器 从自动编程机上、其他计算机上或网 络上，将编制好的加工程序通过通信接口直接输入数控装 臵的存储器，这是现代数控机床的发展趋势。
数控刀具及其选用(共31张PPT)
常用数控刀具的材料
高速钢
普通高速钢 高性能高速钢
数
控
刀
硬质合金
具
的
材
料
金属陶瓷
YG类硬质合金〔ISO-K类〕
YT类硬质合金〔ISO-P类〕
YW类硬质合金〔ISO-M类〕 纯氧化铝类〔白色陶瓷〕 TiC添加类〔黑色陶瓷〕
聚晶金刚石〔PCD〕
聚晶立方碳化硼〔PCBN〕
2.2 可转位刀片的应用及代码
可转位刀具是将预先加工好并带有假设干个切 削刃的多边形刀片，用机械夹固的方法夹紧在刀体 上的一种刀具。由刀片和刀体组成。
刀具选择的根本原那么：安装调整方便、刚 性好、耐用度和精度高；在满足加工要求的前提 下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚 性。
具体应用见P62-63数控车削、数控铣削刀具的选择。
数控刀具的选择
刀具选择应考虑的主要因素有：
被加工工件的材料、 性能
如金属、非金属，其硬度、刚度、塑性、韧性及耐 磨性等。
2.1.1 数控刀具的种类
按刀具 材料分
高速 钢刀具
硬质合 金刀具
聚晶金 刚石刀具
立方氮 化硼刀具
陶瓷刀具
涂层刀具
2.1.1 数控刀具的种类
车刀
按加工 工艺来分
钻削刀具
镗刀
铣刀
外圆、内孔、螺纹、 钻头、铰刀、 整体式、模块式、 面铣、立铣、
车槽、车成型面
丝锥
镗头类
成型铣刀
2.1.2 数控刀具的特点
TSG整体式镗铣类工具系统
TSG整体式镗铣类工具系统：
把锥柄和刀杆制成一体；
工具系统的柄部形式有直柄和锥柄两种。
TMG镗铣类模块式工具系统
TMG工具系统是把整体式刀具分解成柄部〔主柄模块〕、 中间连接块〔连接模块〕、工作头部〔工作模块〕三个主 要局部，然后通过各种连接结构，在保证刀杆连接精度、 强度、刚性的前提下，将这三局部连接成整体。
数控刀具系统
二、分度工作台
数控机床的分度工作台根据加工要求将工件 回转至所需的角度，以达到加工不同面的目的。 分度工作台主要有两种形式：定位销式分度工作 台和鼠齿盘式分度工作台。
图6－48是ZHS-K63卧式加工中心上的 带有托板交换工件的分度回转工作台，用鼠 齿盘分度结构。
转 塔头的 转位过 程如图 6－18 所示。
二、 刀库式自动换刀装置
刀库式自动换刀装置是由刀库和刀具交 换机构组成。在具有刀库的加工中心上，其 换刀方式又可按有、无机械手分为：有机械 手换刀和无机械手换刀两类。
(一) 无机械手的换刀系统 图6－19所示为一种卧式加工中心无机械手 换刀系统的换刀过程。
2．刀库选刀方式 刀库选刀方式有顺序选择和任意选择二种。 (1) 顺序选刀方式 刀库中的刀具位置严格按 所需加工零件的加工顺序排列。 (2) 任意选刀方式 工作原理是在刀库上 安装位置检测装置，只要将刀具号和刀库地址 对应记忆在数控系统的存储器中，刀库分度、 刀具交换的同时每次改变存储器的内容来控制 换刀装置。
3．换刀机械手 在加工中心的自动换刀系统中，是机械 手具体执行刀具的自动更换，对其要求是迅 速可靠、准确协调。
图6－22为三种单臂机械手的示意图。
图6－23为三双臂种机械手示意图。
4．有机械 手的换刀系统 换刀过程示例
图6－24为 一卧式加工中心， 它的自动换刀装 置由一个链式刀 库和双手交叉式 机械手构成。
第三节 数控夹具系 统
一、 数控夹具的要求
(1) 精度要求 (2) 定位要求 (3) 空间要求 (4) 快速重调要求
二、பைடு நூலகம்控夹具的选用方法
1) 在数控车床、车削中心和磨床上加工 回转体工件，一般采用能适应一定直径范围 工作的通用快速自动夹紧卡盘。
第一章 数控车床简介
2、多功能化： （1）数控机床采用一机多能，以最大限度地提高设备设备的利 用率。 （2）前台加工、后台编辑的后台功能，以充分提高其工作效率 和机床利用率。 （3）具有更高的通讯功能，现代数控机床除具有通讯口、DNC 功能外，还具有网络功能。 DNC是Direct Numerical Control/Distributed Numerical Control英文一词的缩写,中文意思：直接数字控制/分布式控 制。 DNC最早是指分布式数控系统（Distributed Numerical Control），其含义是用一台大型计算机同时控制几台数控机 床。后来随着科学技术的进步，数控系统由NC （Numerical Control）发展为CNC （Computer Numerical Control 计算机 数控系统），每一台数控机床由一台计算机（CNC系统）来 控制,所以过去的DNC概念已失去意义。
为实现更高速度、更高精度的指标，目前主要 在下述几个方面采取措施进行研究： （1）数控系统：数控系统采用位数、频率更高的 微处理器，以提高系统的基本运算速度。 （2）伺服交流伺服系统：全数字交流伺服系统， 大大提高了系统的定位精度、进给速度。所谓数字 伺服系统，是指伺服系统中的控制信息用数字量来 处理。随着数字信号微处理器速度的大幅度提高， 伺服系统的信息处理可完全用软件来完成，这就是 所谓的“数字伺服”。
3 智能化：引进了自适应控制技术.自适应控制 （Adaptive Control，简称AC）技术是能调节在 加工过程中所测得的工作状态特性，且能使切削 过程达到并维持最佳状态的技术。 4 高可靠性：通过提高数控系统的硬件质量，采 用模块化、标准化和通用化来提高其可靠性。
二、 数控技术的基本概念 1 数字控制（Numerical Control)，简称NC，它是 采用数字化信息实现加工自动化的控制技术， 用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行 控制的机床称作数控机床。 2 NC机床：早期的数控机床的NC装置是由各种 逻辑元件、记忆元件组成随机逻辑电路由硬件 来实现数控功能，称作硬件数控，用这种技术 实现的数控机床称作NC机床。 3 CNC 机床：现代数控系统采用微处理器或专用 微机的数控系统（Computer Numerical Control） 由事先存放在存储器里的系统程序（软件）来 实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并 通过接口与外围设备进行联接，这样的机床称 作CNC机床。
数控刀具及其工具系统
数控刀具的工具系统—— 用来连接机床主轴和刀具之间的辅助系统（含硬件
和软件）。除刀具本身以外，还包括实现刀具快换所必 需的定位、夹持、拉紧、动力传递和刀具保护等部分。
按使用范围可分为车削类和镗铣类数控工具系统； 按系统的结构特点可分为整体式和模块式工具系统。
数控刀具及其工具系统
第三节 数控刀具的工具系统
化和通用化结构体系。 7 ）应建立刀具及其工具系统信息的数据库及其管理系统。 8）具有完善的刀具组装、预调、编码标识和识别系统。 9）应建立切削数据库以便合理使用机床与刀具。
数控刀具及其工具系统
第二节 刀具快换、自动更换和尺寸预调
一、刀具快换或自动更换 1、刀片转位或更换刀片
——精加工仍需尺寸调整。
二、镗铣类数控工具系统
系统一般由工具柄、刀具装夹和刀具组成，分为整体式和模块 式两大类。
自动换刀机床用7∶24圆锥工具柄部尺寸（GB/T 10944—2006) （单位：mm）
数控刀具及其工具系统
第三节 数控刀具的工具系统
自动换刀机床用7∶24圆锥工具柄部尺寸（GB/T 10944—2006) （单位：mm）
二、镗铣类数控工具系统 2、模块式镗铣类工具系统
（TMG）
（1）圆柱定心径向销钉 锁紧式（TMG21）
1）拆装方便 2）夹紧力大 3）刀柄刚性好 4）制造精度要求高 5）组装方便
圆柱定心径向销钉锁紧结构 数控刀具1及—其定工位具销系统 2—固定螺钉 3—锥端滑销 4—紧固螺钉
第三节 数控刀具的工具系统
示例： 刀具轴向尺寸数显对刀
数控刀具及其工具系统
第二节 刀具快换、自动更换和尺寸预调
二、数控刀具尺寸预调 1、数控刀具尺寸仪
数控光刀学具测及量其工立具式系多统工位刀具预调仪
和软件）。除刀具本身以外，还包括实现刀具快换所必 需的定位、夹持、拉紧、动力传递和刀具保护等部分。
按使用范围可分为车削类和镗铣类数控工具系统； 按系统的结构特点可分为整体式和模块式工具系统。
数控刀具及其工具系统
第三节 数控刀具的工具系统
化和通用化结构体系。 7 ）应建立刀具及其工具系统信息的数据库及其管理系统。 8）具有完善的刀具组装、预调、编码标识和识别系统。 9）应建立切削数据库以便合理使用机床与刀具。
数控刀具及其工具系统
第二节 刀具快换、自动更换和尺寸预调
一、刀具快换或自动更换 1、刀片转位或更换刀片
——精加工仍需尺寸调整。
二、镗铣类数控工具系统
系统一般由工具柄、刀具装夹和刀具组成，分为整体式和模块 式两大类。
自动换刀机床用7∶24圆锥工具柄部尺寸（GB/T 10944—2006) （单位：mm）
数控刀具及其工具系统
第三节 数控刀具的工具系统
自动换刀机床用7∶24圆锥工具柄部尺寸（GB/T 10944—2006) （单位：mm）
二、镗铣类数控工具系统 2、模块式镗铣类工具系统
（TMG）
（1）圆柱定心径向销钉 锁紧式（TMG21）
1）拆装方便 2）夹紧力大 3）刀柄刚性好 4）制造精度要求高 5）组装方便
圆柱定心径向销钉锁紧结构 数控刀具1及—其定工位具销系统 2—固定螺钉 3—锥端滑销 4—紧固螺钉
第三节 数控刀具的工具系统
示例： 刀具轴向尺寸数显对刀
数控刀具及其工具系统
第二节 刀具快换、自动更换和尺寸预调
二、数控刀具尺寸预调 1、数控刀具尺寸仪
数控光刀学具测及量其工立具式系多统工位刀具预调仪
第一章 数控机床的基本知识
驱动系统
南通航院
其作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移 动部件的运动，包括信号放大和驱动元件。其性能好坏 动部件的运动，包括信号放大和驱动元件。 直接决定加工精度、表面质量和生产率。 直接决定加工精度、表面质量和生产率。 脉冲当量δ 相对于每个脉冲信号， 脉冲当量δ ——相对于每个脉冲信号，机床移动部 相对于每个脉冲信号 件的位移，常见的有：0.01mm、0.005mm、 件的位移，常见的有：0.01mm、0.005mm、 0.001mm
第一章、 第一章、数控机床概述
三、数控机床的基本概念
南通航院
数控机床是由普通机床发展而来的， 数控机床是由普通机床发展而来的，它们之间最主 是由普通机床发展而来的 要的区别是： 要的区别是： 前者可以按事先编制好的加工程序自动地对工件进 行加工； 行加工；而后者的整个加工过程必须通过技术工人的手 工操作来完成。 工操作来完成。 示例：
第一章 数控机床概述
步进电机 常用的伺服元件 直流伺服电机 交流伺服电机
南通航院
编码盘 常用的检测元件 光栅 磁珊
（2）主轴驱动系统
第一章 数控机床概述
4、机床
南通航院
早期采用通用机床，现在采用了新的加强刚性、 早期采用通用机床，现在采用了新的加强刚性、减 小热变形、提高精度等方面的设计措施， 小热变形、提高精度等方面的设计措施，使其发生了很 大的变化。 大的变化。 目前已模块化生产， 目前已模块化生产，分为六大块
第一章
数控机床概述
南通航院
二、自动化加工与数控机床 机床数控技术是以数字化的信息处理实现机床自 动控制的一门技术。 动控制的一门技术。 数控机床把刀具和工件之间的相对位置，机床电 数控机床把刀具和工件之间的相对位置， 动机的启动和停止，主轴变速，工件松开夹紧， 动机的启动和停止，主轴变速，工件松开夹紧，刀具 的选择，冷却泵的启动、 的选择，冷却泵的启动、停止等各种操作和顺序动作 等信息用数码化的数据送入数控装置或计算机， 等信息用数码化的数据送入数控装置或计算机，经过 译码、运算， 译码、运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其他 执行元件，使机床自动加工出所需工件。 执行元件，使机床自动加工出所需工件。
哈量数控刀具及工具系统
Ｐｕｌｌ Ｓｔｕｄ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｊａｐａｎ 日本 ＭＡＳ ４０３ ＢＴ
拉钉型号 Ｄ Ｄ１ Ｄ２ Ｄ３ Ｌ Ｌ１ Ｌ２ 重量（ｋｇ）
２０
ＢＴ４０
４４．４５
６３
Ｍ１６
６５．４
２５
ＢＴ５０
６９．８５
１００
Ｍ２４ １０１．８
３５
ＢＴ６０
１０７．９５ １５５
Ｍ３０ １６１．８
４５
日本标准拉钉
Ｐｕｌｌ Ｓｔｕｄ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｊａｐａｎ 日本ＪＩＳ Ｂ ６３３９－１９９８
Ｌ２
Ｌ３
１３．６ １６．３
１６．６ ２２．６
２３．２ ３５．４
２８．２ ６０．１
ＬＤＡ－３０ M12
13
12
16
44
24
19
0.04
ＬＤＡ－４０ M16
17
19
23
54
26
20
0.08
ＬＤＡ－５０ M24
25
28
36
74
34
25
0.23
国际标准Ｂ型拉钉
Ｐｕｌｌ Ｓｔｕｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｙｐｅ Ｂ 国际 ＩＳＯ ７３８８／２－１９８４（Ｅ）
端面铣刀定位芯轴… … … … … … … … … … … … … … ２ ０ 过度套… … … … … … … … … … … … … … … … … … … ２ ０
精密莫氏变径套… … … … … … … … … … … … … … ２ ０
７：２４圆锥检验棒………………………………………２１ 莫氏圆锥检验棒………………………………………２１ ７：２４工具圆锥工作塞规………………………………２２
11数控刀具及其工具系统
第13章数控刀具 第一节 对数控刀具的要求
第一节 对第一节 对数控刀具的 对数控刀具的要求
数控刀具
数控刀具
数控刀具
数控刀具
数控刀具
数控刀具
第一节对数控刀具的要求
1.刀具切削性能稳定可靠 2.要求刀具有很高的耐用度 3.保证可靠的卷屑断屑和排屑 4.实现刀具尺寸的预调--快速换刀和自动换刀 4. -5.数控刀具有高的精度和重复定位精度 6.具有一个比较完善的工具系统， 实现三化 7.建立刀具信息管理系统 8.应有刀具在线监控及尺寸补偿系统 9.建立切削数据库，以便合理利用机床与刀具
直接检测与监控
Hale Waihona Puke 13.4.2刀具磨损检验与控制
刀具磨损的间接测量与控制 1.以刀具寿命为判据 2.以切削力为判据 3.以表面粗糙度为判据 刀具破损的检测 光电式刀具的破损检测 气动式刀具破损检测
刀具破损的检测
思考：13-1、2、3、4
模块式镗铣类工具系统
模块式镗铣类工具系统即TMG工具系统。 组成：柄部(主柄模块)、 中间连接块(连接模块)、 工作头部(工作模块) ， 通过各种连接结构，在保证刀杆连接精度、 强度、刚性的前提下，将这三部分连接成整体。 TMG后面2位数字，第一位表示定心方式； 第二位表示锁紧方式。例如 TMG21
圆柱定心径向销钉锁紧结构
圆锥定心轴向螺栓拉紧
HSK刀柄
KM刀柄
BIG-PLUS刀柄
高精度液压夹头
13.4刀具尺寸控制系统与刀具磨损、破损检测
刀具尺寸控制系统: 对已加工表面进行在线自动检测，并操纵补偿装置，补偿工件 尺寸变化，满足精度要求的系统。 一、刀具尺寸控制系统
13.4.2刀具磨损检验与控制
CZG车削类数控工具系统
第一节 对第一节 对数控刀具的 对数控刀具的要求
数控刀具
数控刀具
数控刀具
数控刀具
数控刀具
数控刀具
第一节对数控刀具的要求
1.刀具切削性能稳定可靠 2.要求刀具有很高的耐用度 3.保证可靠的卷屑断屑和排屑 4.实现刀具尺寸的预调--快速换刀和自动换刀 4. -5.数控刀具有高的精度和重复定位精度 6.具有一个比较完善的工具系统， 实现三化 7.建立刀具信息管理系统 8.应有刀具在线监控及尺寸补偿系统 9.建立切削数据库，以便合理利用机床与刀具
直接检测与监控
Hale Waihona Puke 13.4.2刀具磨损检验与控制
刀具磨损的间接测量与控制 1.以刀具寿命为判据 2.以切削力为判据 3.以表面粗糙度为判据 刀具破损的检测 光电式刀具的破损检测 气动式刀具破损检测
刀具破损的检测
思考：13-1、2、3、4
模块式镗铣类工具系统
模块式镗铣类工具系统即TMG工具系统。 组成：柄部(主柄模块)、 中间连接块(连接模块)、 工作头部(工作模块) ， 通过各种连接结构，在保证刀杆连接精度、 强度、刚性的前提下，将这三部分连接成整体。 TMG后面2位数字，第一位表示定心方式； 第二位表示锁紧方式。例如 TMG21
圆柱定心径向销钉锁紧结构
圆锥定心轴向螺栓拉紧
HSK刀柄
KM刀柄
BIG-PLUS刀柄
高精度液压夹头
13.4刀具尺寸控制系统与刀具磨损、破损检测
刀具尺寸控制系统: 对已加工表面进行在线自动检测，并操纵补偿装置，补偿工件 尺寸变化，满足精度要求的系统。 一、刀具尺寸控制系统
13.4.2刀具磨损检验与控制
CZG车削类数控工具系统
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1 — HSK刀柄
2—主轴
图11-20 HSK整体式镗铣类工具系统
图11-21 BiG-plus刀柄（图上半部）与BT刀柄（图下半部）的比较
图11-22 高精度液压夹头 1 —加压螺栓 2—油腔 3—油腔内壁 4—装刀孔 5—刀具
图11-23 镗孔尺寸控制系统
a)尺寸控制系统工作原理
1—已加工工件 2—测头 3—控制装置 4—补偿装置
6—镗刀
7—待加工工件
b）拉杆一摆块式补偿装置
1—镗刀
2—摆块
3—拉杆
5—镗头
图11-24 镗刀磨损测量 1 —参考表面 2—磨损传感器 3—测量装置 4—刀具触头
图11-25 表面粗糙度与刀具磨损的关系
图11-26 激光检测工件表面粗糙度
1 —参考探测器 2—激光发生器
3—斩波器 4—测量探测器
图11-14 TSG82工具系统图
图11-15 TMG21模块式镗铣类工具系统
图11-16 圆柱定心径向销钉锁紧工具系统
1 —定心销
2—固定螺钉 3—锥端滑销 4—紧固螺钉
图11-17 圆锥定心轴向螺栓拉紧式工具系统
图11-18 在高速运转中离心力使主轴锥孔扩张
图11-19 HSK刀柄与主轴连接结构与工作原理
第十一章 数控刀具及其工具系统
随着各类数控机床使用日益增多，数控刀具 已被逐渐广泛使用。
本章主要介绍各类可转位刀具在数控机床上 使用，应具有的许多特殊的要求，主要有刀具快 换、尺寸预调、自动更换等特点。数控刀具及其 装夹刀具系统均有各国标准。介绍了德国、瑞典 的车削工具系统，我国制定的铣镗类工具系统及 其先进的模块式工具系统，并介绍德国和日本的 刀柄与机床连接形式。
a)四方刀架
图11-9 常见数控车床刀架形式
b）径向装刀盘形刀架
c）轴向装刀盘形刀架
图11-10 动力驱动的钻夹头
图11-11 CZG车削类数控工具系统（DIN69880）
a)非动力刀夹组合形式
b）动力刀夹组合形式
图11-12 CZG车削类数控工具系统安装和夹紧
图11-13 Sandvik模块式车削工具系统 1 —带有椭圆三角短锥接柄的刀头模块 2—刀柄 3—可涨开涨环 4—拉杆
对于数控刀具在数控机床上的尺寸控制系统， 刀具磨损、破损检测及监控也作了一般性介绍刀
图11-4 转塔刀架自动换刀
图11-5 利用刀库和机床运动来自动换刀
图11-6 利用刀库和机械手自动换刀过程
图11-7 光学测量式刀具预调仪
图11-8 刀具预调仪的测量、控制功能模块图
图11-27 光电式检测装置
1 —光源
2—钻头
3—光敏元件
图11-28 气动式检测装置
1 —钻头
2—气动压力开关
3—喷嘴