CNC常用刀具简介

CNC常用刀具簡介刀具材質&鍍層Ⅰ、刀具材質-近代機製生產能力不斷的大幅提高，尤其在大量生產的工作要求下，從事於大量且高速的切削工作。為發揮高性能工作母機應有之生產工作效能，則切削刀具尤須密切的配合。為了發揮刀具之切削能力，故刀具材料需有顯著之進展與改良，目前使用之各種刀具材料均有其特性以適應各種不同加工的要求。一般刀具材料必須具備的性能為生產製造費用須最低、具有高溫之抵抗軟化的能力、低的摩擦係數、較高的抵抗磨耗性質，導熱性良好、充分的韌性以及耐衝擊性等等，一般使用的刀具材料有下列幾種：A:高速鋼B:燒結式碳化物(硬質合金)C:陶瓷刀具D:多晶鑽石刀具CBN刀具Ⅱ、鍍層-由於工程材料不斷持續的發展，在1960年之後，陸續開發出新一代的合金材料。這些新材料不僅有高強度，而且具有高磨損性甚至有極高的化學性質，在切削時會與切削刀具產生化學作用造成侵蝕現象。除此之外，在時間及成本降低的要求下，高速切削正逐漸被人們廣泛的接受。因此以往的刀具材料已不敷人們的需求。在因應如此嚴格的需求下，發展出刀具材料再加上鍍層保護。具有鍍層保護的刀具其壽命將近是一般沒有鍍層刀具的10倍，常見的刀具鍍層有下列幾種：A:uncoated未鍍層B:TiN氮化鈦C:TiCN氮碳化鈦D:TiAlN氮鋁鈦E:Al2O3氧化鋁刀具材料&鍍層與加工時間碳鋼高速鋼鑄造合金超硬合金新超硬合金鍍層雙鍍層複合鍍層加工時間年代1002615631.510.71900,10,20,30,40,50,60,70,80左邊的圖表顯示出自1900年後至今，由於刀具技術的發展使得切削時間縮短了100倍。而在1960年之後，因為鍍層刀具的出現，縮短了4倍的加工時間。刀具之能切削金屬的基本要件乃為刀具須比被切削材硬，且被切削材要有足夠之力量予以固定，以使刀具施力時能切入工件。這些要件滿足後其次就是有足夠之動力以克服工件材料之阻力，除此之外，刀具的幾何形狀也會影響實際的切削效果甚至結果。選擇適當的刀具幾何可以增加刀具的壽命、維持加工精度、減少切削之動力…等等。常見之刀具相關幾何如下：Ⅰ、刀具刃角Ⅱ、排屑槽Ⅲ、過中心、未過中心刀具Ⅳ、刀刃數目刀具幾何刀具刀具刀具工件工件工件切屑切屑切屑正斜角零斜角負斜角斜角的改變可由正值變化到負值，如下圖所示。以切削力與所需之動力來看，正斜角所形成的刀尖角度較小，刀具能夠輕易切入工件，而且切屑流出排除順暢，可減少切削壓力，所以切削效率較大。但太大的正斜角形成尖銳的刀尖，故刀口較脆弱易於磨耗或崩裂。負斜角則反之具有較強之切刃，刀口強度較大適合切削高強度的材料。刀具刃角斜角RakeAngle又稱之為離隙角，均為正值。其作用為刀具切入工件時，避免刀腹與工件表面產生麼擦或物理現象之干擾現象，如下圖。小的間隙角給予切刃有較大的支撐，一般用於有高強度機械性質的工件材料。大的間隙角可使刀刃尖銳，但刀口強度減低，易於磨耗或崩裂，適合較軟或低強度的工件材料。間隙角ReliefAngle較小之間隙角具有較強之切刃。零或負的間隙角會使刀腹在工件表面上拖滯而阻止刀具之切入。較大間隙角之切刃會較尖銳但是脆弱。螺旋角HelixAngleFHFVFγ此為銑刀之刀槽成螺旋狀，可分為左螺旋及右螺旋兩種，如下。在切削時當刃刃進入工件時，如右下圖切削力F會瞬間增至最大，當刀刃離開工件時，切削力急速降低，此為造成切削時發生震動的原因。螺旋角此時的作用可避免切削力過於集中某個方向，讓切削力分散於其他兩個方向-水平分力FH以及垂直分力FV。當螺旋角γ越小時，水平分力FH會變大，造成切削時刀具擺動；螺旋角γ越大時，垂直分力FV會變大，在切削時要是挾持刀具的力量不夠時，刀具可能會從刀把中脫離，當刀具在高速旋轉時這是非常危險的。常見的螺旋角有30˚、38˚、45˚、60˚。右旋切削及右螺旋角銑刀左旋切削及左螺旋角銑刀適中太大太小切削加工中切屑之排出，理想的切屑處理狀況是切屑流出時不致干擾或刮傷工件表面或撞擊刀具和傷害到工作者，所以切屑要能夠自然斷裂成小碎段並且排出至其他地方。故切屑之控制不僅要考慮切屑的流向，而且須使切屑自動斷裂。為達到此要求，一般會在刀頂面上作一種設計，能夠自動限制切屑長度的機構稱之為排屑槽或斷屑槽〈ChipBreaker〉。其目的為使切屑能夠急速捲曲，藉捲曲的應力迫使切屑斷裂。一般的排屑槽設計如右下：槽寬W：使產生切屑時形成捲曲，若槽寬太大，則捲曲半徑較大，產生的捲曲應力不足以折斷切屑；若太小，則反之，產生之應力過大時，易使切刃崩裂。槽深H：影響切屑流出的穩定性，若太深則切屑流向槽肩時之捲曲所需的力量較大，易引起刀刃破裂；若太淺則切屑可能未流至槽肩時即自行離去，使切屑流向不易控制。槽肩R：為切屑由斷屑槽捲起作用之部位，關係捲起時之順暢與否，直接影響捲曲力之大小，若半徑太大則切屑易滑上，捲曲應力可能不足以將切屑折斷；若半徑太小，切屑易被堵塞滑上不易，將產生極大的擠壓應力。排屑槽排屑槽之寬度排屑槽之構造過中心、未過中心刀具捨棄式圓鼻刀在製作時，通常刀具直徑D會比刀刃R角大上許多，所以在其底部中間的位置刀刃會未過中心而出現無刀刃區域，也就是說這個區域無切削能力，如左下圖。當碰到在加工孔或凹槽形狀的工件時，這時會發生右下圖的加工問題。雖然刀具的大小可以進入這些區域，但是因為刀刃未過中心，所以刀刃會切削不到中間的料而留下圖中黃色柱狀的餘料，隨著越往深處加工，此餘料的高度會增加，最後撞到刀具的底部造成刀具損壞。而過中心刀具則是其刀刃過中心，所以沒有這樣的問題，因此又稱鑽孔刀具。無刀刃區域未過中心過中心刀刃數目銑刀的刀刃數目與切削效果的關係會受工件材料，銑刀形狀以及加工面光度等等之影響而異，刃數較多之銑刀，因有較多之切刃產生切削作用，故可獲得更光潔平滑之加工面，不過因為無充分之切屑空間以容納切屑，易受切屑之干擾，且刀刃之強度會較弱。所以一般粗切削，高進給，尤其是較軟之材料時，需有較大的切屑空間，而提供切屑空間的最佳方法，即是減少刃數、增大刀刃，不僅能加大切屑空間，亦可增大刀刃之強度，而且銑刀之再研磨次數與壽命也可增加。因此考慮加工方法時，重及粗切削宜選用刃數少、粗齒之銑刀；細及精加工宜選擇刃數多、較細齒之銑刀。Ⅰ、依幾何形狀區分a、端銑刀b、球刀c、圓鼻刀Ⅱ、依刀具結構區分a、捨棄式刀具b、整體式刀具銑刀種類R=0D端銑刀之外形如右圖所示，銑刀之外緣及底面均有銑齒以構成切刃，所以可以用來銑削工件之垂直面以及垂直面。端銑刀之刀形變化非常複雜，適用於各類加工，如：銑平面、溝槽或輪廓面…等等，可說是被運用最為廣泛的一種銑刀。一般來說端銑刀非常適用於2D形狀的工件，但是應用於3D形狀的模具加工時，就不是那麼的適用。我們就以下原因說明端銑刀應用於模具加工時所發生的問題：一、如右圖框框所指出的區域，你可以看到此處為一尖點。所以甚為脆弱，一但此處尖點崩壞，那麼銑刀壽命也就隨之完結。所以端銑刀的壽命不甚穩定。二、在銑削2D形狀的工件時，由於與工件接觸的區域為外緣與底面，所以不論是刀間距或是切削深度都可以使用極有效率的數值。反之如果用於銑削3D形狀的模具時，你可以發現與工件接觸的區域幾乎都是靠近尖點的部位，所以你必須要減少刀間距或是切削深度，因此加工效率降低。A、端刀所以在模具加工中，端銑刀一般會被用來加工模具中的2D區域，如：垂直面以及水平面或是模具中尖角的區域會用端銑刀將之加工出來。而在傳統方式的模具加工中，端銑刀也會被用來作粗加工。下面圖示為端銑刀的實際加工範例。銑削袋形工件銑削溝槽輪廓加工銑削垂直壁DRD=2R如左圖所示，底部刀刃為一球形狀的銑刀為球刀。球刀在目前的模具加工使用上相當的頻繁，尤其是在銑削3D的模具時，球刀更是不可缺少的工具。與前者－端銑刀比起來，因為球刀沒有像端銑刀底部為尖點的刀刃，而是帶有R角的刀刃，所以球刀的刀刃更為強壯，不易崩壞；換句話說，球刀的壽命會比端銑刀更為穩定。除此之外，球刀與工件接觸的區域為R角的刀刃，因此在精加工時刀間距可用更大的數值，加工面也有極佳的效果。因此不論是刀具壽命或是加工效率，球刀在模具加工上是不錯的選擇！不過同樣的，球刀在模具加工時也會遭遇一些問題。在銑削3D模具時球刀雖然與工件接觸的區域為R角的刀刃，但是實際的接觸位置卻會隨著工件的形狀而改變，這樣的差異會帶來以下的影響：B球形刀球刀在模具加工中最常用來銑削3D的模具，尤其是在精加工以及清角加工時，但不適合用於銑削較平坦之區域，因與工件接觸面積小，無法加大刀間距。下面圖示為球刀的實際加工範例。精加工粗加工C圓鼻刀DRD2R在銑削3D模具時，圓鼻刀還有另外一項優點是使用球刀所比不上的。球刀本身會隨著與工件接觸的位置不同，切削速度而有非常大的變化，所以加工面品質不穩定。圓鼻刀雖然也有這樣的情形，不過它的切削速度的變化並不像球刀那樣有極大的變化。因此使用圓鼻刀加工的工件，品質當然穩定。以下說明圓鼻刀切削速度穩定的原因。除此之外，圓鼻刀比球刀、端銑刀有更佳的加工效率，尤其是在粗加工時。因為圓鼻刀底部是平的，圓鼻刀的水平刀間距可以用的比球刀更大。在精加工時，它同樣擁有與球刀一樣的優點，所以刀間距也可以可用更大的數值。因此圓鼻刀不論是用於粗加工以至於精加工，都是非常合適的選擇。如左下圖所示，圓鼻刀的外型與端銑刀類似，均為平坦的底部設計，所不同的是圓鼻刀的底部為帶有R角的刀刃而不是尖點的刀刃，所以刀刃的強度比端銑刀好，不易崩壞，因此刀具的壽命會比端銑刀要好。左下圖為使用圓鼻刀進行粗加工，用圓鼻刀粗加工的好處為其水平刀間距可以使用的很大，所以粗加工效率遠比球刀來的好；而右下圖則為用圓鼻刀精加工，圓鼻刀的優點就是切削速度變化穩定，所以你可以看到在精加工後工件的表面呈現出金屬在被切削後的光亮。此種形式刀具，顧名思義，即銑刀之刀刃部分為可更換的設計。通常在設計上分為刀座以及刀片兩部分，刀片即為銑刀中的刀刃用來切削工件，而刀座則做為固定或支撐刀片。刀座的直徑即決定銑刀的大小，此外，刀座也可作成多刃的設計。刀片部分則有許多形狀，材質…等變化。使用者可以視不同的加工情況更換適合的刀片，刀片上所有切刃都使用磨耗後，刀片即拋棄而不重磨，只需更換新的刀片。所以刀具成本、使用彈性為其優點。下列圖示為捨棄式刀具。一、捨棄式刀具捨棄式圓鼻刀捨棄式球刀圓鼻刀球刀端銑刀整體式刀具為刀刃與刀體為一體的設計，銑刀上之刀刃與銑刀身皆由同一材料所製成，所以在精度以及刀刃的強度上整體式刀具會比捨棄式刀具來的高，但是相對的製作刀具的材料成本就會提高，而且刀刃在磨耗後需再重新研磨才可再使用。另外因為考慮刀刃的強度以及製作上的難度，在製作10mm以下的捨棄式刀具極為不易，所以一般10mm以下的銑刀都為整體式刀具。下列圖示為整體式刀具。二、整體式刀具