数控编程时巧用刀具半径补偿指令.doc

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数控编程时巧用刀具半径补偿指令

董小金（…    文章来源：CAD世界网    点击数：2064    更新时间：2006-6-20

    摘要：阐述了如何灵活和合理地运用刀补值，并结合刀补原理正确编制加工程序以保证数控加工的有效性和准确性等问题。
    关键词：刀具半径补偿；编程；数控加工

0 前言
    在数控铣床上进行轮廓加工时，因为铣刀有一定的半径，所以刀具中心（刀心）轨迹和工件轮廓不重合，如不考虑刀具半径，直接按照工件轮廓编程是比较方便的，而加工出的零件尺寸比图样要求小了一圈（加工外轮廓时），或大了一圈（加工内轮廓时），为此必须使刀具沿工件轮廓的法向偏移一个刀具半径，这就是所谓的刀具半径补偿指令。应用刀具半径补偿功能时，只需按工件轮廓轨迹进行编程，然后将刀具半径值输入数控系统中，执行程序时，系统会自动计算刀具中心轨迹，进行刀具半径补偿，从而加工出符合要求的工件形状，当刀具半径发生变化时也无需更改加工程序，使编程工作大大简化。实践证明，灵活应用刀具半径补偿功能，合理设置刀具半径补偿值，在数控加工中有着重要的意义。
1 改变刀补值适应刀具的变化
    在零件的自动加工过程中，刀具的磨损、重磨甚至更换经常发生，应用刀补值的变化可以完全避免在刀具磨损、重磨或更换时重新修改程序的工作。在零件加工过程中，刀具由于磨损而使其半径变小，若造成工件误差超出其工件公差，则不能满足加工要求。假设原来设置的刀补值为r，经过一段时间的加工后，刀具半径的减小量为，此时，可仅修改该刀具的刀补值：由原来的r改为，而不必改变原有的程序即可满足加工要求。同样，当刀具重磨后亦可照此处理。当需要更换刀具时可以用新刀具的半径值作为刀补值代替原有程序中的刀补值进行加工。由此可见，正是由于刀补值的变化适应了刀具的变化，在不改变原有程序的情况下，可满足其加工要求。由此，编程人员还可在未知实际使用刀具尺寸的情况下，先假设一定刀具尺寸来进行编程，实际加工时，对于半径补偿可用实际刀具半径代替假设刀具半径。
2 改变刀补值实现零件的粗、精加工
    刀具半径补偿功能还有一个很重要的用途。如果人为地使刀具中心与工件轮廓偏置值不是一个刀具半径，而是某一给定值，则可以用来处理粗、精加工问题。在粗加工时，可将刀具实际半径再加上精加工余量作为刀具半径补偿值输入，而在精加工时只输入刀具实际半径值，这样可使粗、精加工采用同一个程序，其补偿方法为：设精加工余量为，刀具半径为r，如图1所示：首先，人工输入刀具偏置值为，即可完成粗加工到图示点划线的位置；在精加工时，输入刀具的半径值r，即可完成最终的轮廓精加工。

图1
3 改变刀补值对零件进行加工修正
    将刀具半径补偿与子程序结合应用，不但可简化编程，进行粗、精加工，而且可以进行加工的修正，以保证加工品质。下面用一个加工程序进行说明，零件图如图2所示。

图2

子程序

    在主程序中用M01使程序暂停，此时测量工件尺寸，计算出其与零件图尺寸的差值，并将差值补偿输入D05,精加工刀具补偿中，这样加工出的工件可满足实际要求，确保加工品质。
4 使用刀具半径补偿注意事项
    前面阐述了灵活应用刀具半径补偿功能、合理设置刀具半径补偿值在数控加工中的重要意义，然而在实际使用时必须注意以下几个事项：
    a）使用刀具半径补偿时应避免过切削现象：使用刀具半径补偿和去除刀具半径补偿时，刀具必须在所补偿的平面内移动，且移动距离应大于刀具半径补偿值。若加工半径小于刀具半径的内圆弧，进行半径补偿将产生过切削，只有过渡圆角刀具半径 r + 精加工余量的情况下才能正常切削；若被铣削槽底宽小于刀具直径，此时也将产生过切削；
    b）G41、G42、G40必须在G00或G01模式下使用。G41、G42不能重复使用，且在使用时不允许有两句连续的非移动指令；
    c）D00 - D99为刀具补偿号，D00意味着取消刀具补偿。刀具补偿值在加工或运行之前必须设定在补偿存储器中。
    总之，刀补值在数控加工中有着非常重要的作用，灵活、合理地运用刀补值并结合刀补原理正确编制程序是保证数控加工有效性、准确性的重要因素。

数控机床定位精度的补偿方法简述
北京亚崴技术服务有限责任公司 路宝新
    由于机械电子技术的飞速发展，数控机床做为一种高精度、高效率、稳定性强的自动化加工装备，已经成为机械行业必不可少的现代化技术装置。数控机床的定位精度是影响其高精度性能的一个重要方面，因而也是数控机床验收时的一个重要项目。利用数控系统的螺距误差补偿功能进行调整，可以大大提高数控机床的定位精度，而电气控制系统不同，其定位精度的补偿方法也不尽相同，本文将以FANUC-0系统和SIEMENS-880系统为例，简单介绍数控系统螺距误差补偿的方法。
    螺距误差补偿这项工作应该是在机床几何精度(床身水平、平行度、垂直度等)调整完成后进行的，这样可以尽量减少几何精度对定位精度的影响。另外，进行螺距误差补偿时应使用高精度的检测仪器(如激光干涉仪)，这样可以先测量再补偿，补偿后再测量，并按照相应的分析标准(如VDI3441、JIS6330、GB10931-89等)对测量数据进行分析，直到达到机床对定位精度的要求范围。
    机床的螺距误差补偿功能包括线性轴和旋转轴两种方式，分别可以对直线轴和旋转工作台的定位精度进行补偿。但有一点需要注意，就是在补偿旋转轴时应注意：在0°～360°之间各补偿点的补偿值总和应为0，以使0°和360°的绝对位置保持一致，否则旋转轴旋转角度每超过360°一次，就产生一次累积误差，从而影响机床的加工精度。另外，螺距误差补偿功能的实现方法又有增量型和绝对型之分。所谓补偿就是指通过特定方法对机床的控制参数进行调整，其参数调整方法也依各数控系统不同而各有差异。所谓增量型是指以被补偿轴上相领两上补偿点间的误差差值为依据来进行补偿，而绝对型是指以被补偿轴上各个补偿点的绝对误差值为依据来进行补偿。
    FANUC-0数控系统的螺距误差补偿功能是一种增量型补偿方法，FANUC-0数控系统与螺距误差补偿功能有关的参数如下：

7
6
5
4
3
2
1
0

0011

PML2
PML1

7
6
5
4
3
2
1
0

7011

PML2S
PML1S

PML2和PML1的组合决定误差补偿倍率，它对X、Y、Z和第四轴有效。
PML2S和PML1S的含义与PML2和PML1相同，它对第5、第6轴有效。设定的补偿值乘以此倍率即 为应补偿的误差值。
PML2(S)
PML1(S)
补偿倍率
1
0
×1
0
1
×2
1
0
×4
1
1
×8

0535
BKLX
0536
BKLY
0537
BKLZ
0538
BKL4
7535
BKL5
7536
BKL6
7537
BKL7
7538
BKL8
    BKLX、BKLY、BKLZ，BKL4～BKL8依次为X、Y、Z和第4～第8轴的反向间隙补偿量，其设定范围为0～2550(检测单位)
0712
PRSX
0713
PRSY
0714
PRSZ
0715
PRS4
7713
PRS5
7714
PRS6
    PRSX、PRSY、PRSZ和PRS4～PRS6依次为X、Y、Z和第4～第6轴的各螺距误差补偿点间的距离 。其设定范围为：
8000～99999999   （单位：0.001mm）
4000～99999999（单位：0.0001inch）
1000
PECORGX
2000
PECORGY
3000
PECORGZ
4000
PECORG4
5000
PECORG5
6000
PECORG6
    FANUC-0M系统要求机床各轴的机械坐标参数考点必须是一个补偿点，PECORGX、PECORGY、PE CORGZ和PECORG4～PECORG6依次为X、Y、Z和第4～第6轴的螺距误差补偿零点的编号。
1001
X轴第1号补偿点的补偿值

:
:

1128
X轴第128号补偿点的补偿值

:
:

2001
Y轴第1号补偿点的补偿值

:
:

2128
Y轴第128号补偿点的补偿值

:
:

3001
Z轴第1号补偿点的补偿值

:
:

3128
Z轴第128号补偿点的补偿值

:
:

4001
第4轴第1号补偿点的补偿值

:
:

4128
第4轴第128号补偿点的补偿值

:
:

5001
第5轴第1号补偿点的补偿值

:
:

5128
第5轴第128号补偿点的补偿值

:
:

6001
第6轴第1号补偿点的补偿值

:
:

6128
第6轴第128号补偿点的补偿值

    FANUC-0M系统规定各第一号补偿点应在各轴负方向最远端，即补偿点的编号从最负端开始，逐一向正方向编号。各补偿点补偿值的设定范围为-7～+7。
    例：某机床X轴(线性轴)行程为-1000mm到0mm，机床参考点设在0mm处。设定螺距误差补偿基准点编号为20(即参数1000=20，也就是说设定机床参考点在参数1021处)，螺距误差补偿间隔为100mm(即参数712=100000)，补偿倍率为1(即参数11位0=0,11位1=0)。
    在机床行程负方向补偿点号为：
    螺距误差补偿点基准编号-(机床在负方向行程/螺距误差补偿间隔)+1=20-(1000/100)+1=11
    在机床行程正方向补偿点号为：
    螺距误差补偿点基准编号+(机床在正方向行程/螺距误差补偿间隔)+1=20+(0/100)+1=21
    机床坐标与补偿点号对应关系如下：
    机床坐标mm - 1000 - 900 - 800 ～ - 300 - 200 - 100 0
    补偿点号 1011 1012 1013 ～ 1018 1019 1 1021
    如果各点误差值如下：
    -1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
    -3 -5 -2 0 2 3 1 4 2 -1 0
    则各点补偿值如下：
    1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1 1021
    -2 3 2 2 1 -2 3 -2 -3 1 0
    SIEMENS-880数控系统的螺距误差补偿功能也是一种增量型补偿方法，其补偿方法与FANUC-0 数控系统略有不同。FANUC-0系统只能进行单方向补偿，而SIEMENS-880系统可以按运行方向进行双向补偿，两个方向的补偿参数分别设定。FANUC-0系统的补偿倍率为1、2、4、8，各点补偿值范围为-7～+7，故各点可补偿的误差范围为-56～+56μm，各点可不同；而SIEMENS-880系统的补偿倍率(即补偿当量)为0～100，但各点要么不补，要么补一个正的当量，要么补一个负的当量，故各点可补偿的误差范围为-100～+100μm，但补偿当量在同一轴内必须相同。
    SIEMENS-880数控系统的螺距误差补偿功能相关参数只有在电源重开及参考点返回之后才能生效，具体参数含义如下：(*代表各轴轴号，0：X轴，1：Y轴，2：Z轴，等等)
    NC MD220*背隙补偿值。设定范围：-255～+255μm。
    NCMD316*正方向补偿指针，设定范围：0～249(第一伺服CPU)指针是机械坐标参考点 对应的补偿点位置。
    NC MD320*负方向补偿指针，设定范围：0～249(第一伺服CPU)
    NC MD324*两个螺距误差补偿点间距，设定范围：0～32000μm。
    NC MD328*补偿当量，即倍率，设定范围：0～100。
    NC MD6000～6999螺距误差补偿点，具体分布如下：
    6000～6249第一个伺服CPU的各轴。
    6250～6499第二个伺服CPU的各轴。
    6500～6749第三个伺服CPU的各轴。
    6750～6999第四个伺服CPU的各轴。
MD No.
位
7
6
5
4
3
2
1
0

6000
补偿点4
Yes/No +/-
补偿点3
Yes/No +/-
补偿点2
Yes/No +/-
补偿点1
Yes/No +/-
6001
补偿点8
Yes/No +/-
补偿点7
Yes/No +/-
补偿点6
Yes/No +/-
补偿点5
Yes/No +/-
6002
补偿点12
Yes/No +/-
补偿点11
Yes/No +/-
补偿点10
Yes/No +/-
补偿点9
Yes/No +/-

:
6248
补偿点996
Yes/No +/-
补偿点995
Yes/No +/-
补偿点994
Yes/No +/-
补偿点993
Yes/No +/-
6249
补偿点1000
Yes/No +/-
补偿点999
Yes/No +/-
补偿点998
Yes/No +/-
补偿点997
Yes/No +/-

    表中：  -=0    +=1    No=0    Yes=1
    每一个机床参数有8位，每两位是一个补偿点，所以每个参数可以设定四个补偿点，控制器内部规定只有最右边的点(位0和位1)能够被设定为参考点。例如：如果机床某一轴的参考点被设定在793号补偿点，则参考点对应的机床参数号=6000+(793-1)/4=6198 ，即机床参考点下在机床数据6198，所以机床数据3160下为6198-6000=198。另外，机床参考点的补偿值必须为0，其它点的补偿以参考点为依据。例：某机床X轴(线性轴)行程为-35 到205mm，机床参考点设在0mm处，补偿点间的距离为10mm，补偿当量为1μm。则在机床行程负方向补偿点个数为3，在机床行程正方向补偿点个数为20，加上参考点共24个。机床补偿参数设定如下：
    NC MD3160=1
    NC MD3200=1(正反方向补偿曲线重合)
    NC MD3240=10000
    NC MD3280=1
    机床坐标与补偿点号对应关系如下：
MD No.
机床坐标
6000
-10
-20
-30
-40
6001
30
20
10
0(Ref)
6002
70
60
50
40
6003
110
100
90
80
6004
150
140
130
120
6005
190
180
170
160
6006
230
220
210
200
    另外，SIEMENS-840D数控系统螺距误差补偿采用绝对型补偿方法，可以通过执行程序来设定补偿数据，方法直观但操作步骤比较繁琐。MITSUBISHI数控系统螺距误差补偿可以通过参数设置来选择使用增量型还是绝对型补偿方法，具体补偿方法可参照MITSUBISHI系统说明书。

A thesis subm
itted to
in partial fu
lfillment

3．3 数控刀具材料及选用
先进的加工设备与高性能的数控刀具相配合，才能充分发挥其应有的效能，取得良好的经济效益。随着刀具材料迅速发展，各种新型刀具材料，其物理、力学性能和切削加工性能都有了很大的提高，应用范围也不断扩大。
3．3．1刀具材料应具备基本性能
刀具材料的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用。因此，刀具材料应具备如下一些基本性能：
(1) 硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。
(2) 强度和韧性。刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动,防止刀具脆性断裂和崩刃。
(3) 耐热性。刀具材料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。
(4) 工艺性能和经济性。刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能；磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。
3．3．2刀具材料的种类、性能、特点、应用
1．金刚石刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用
金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具品种。可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具是现代数控加工中不可缺少的重要工具。
⑴ 金刚石刀具的种类
①天然金刚石刀具：天然金刚石作为切削刀具已有上百年的历史了，天然单晶金刚石刀具经过精细研磨，刃口能磨得极其锋利，刃口半径可达0.002μm，能实现超薄切削，可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度，是公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。
②PCD金刚石刀具：天然金刚石价格昂贵，金刚石广泛应用于切削加工的还是聚晶金刚石(PCD)，自20世纪70年代初，采用高温高压合成技术制备的聚晶金刚石(Polycrystauine diamond，简称PCD刀片研制成功以后，在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石所代替。PCD原料来源丰富，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一。
PCD刀具无法磨出极其锋利的刃口，加工的工件表面质量也不如天然金刚石，现在工业中还不能方便地制造带有断屑槽的PCD刀片。因此，PCD只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。
③CVD金刚石刀具：自从20世纪70年代末至80年代初，CVD金刚石技术在日本出现。 CVD金刚石是指用化学气相沉积法(CVD)在异质基体(如硬质合金、陶瓷等)上合成金刚石膜，CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构和特性。
CVD金刚石的性能与天然金刚石相比十分接近，兼有天然单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点，在一定程度上又克服了它们的不足。
⑵ 金刚石刀具的性能特点：
①极高的硬度和耐磨性：天然金刚石是自然界已经发现的最硬的物质。金刚石具有极高的耐磨性，加工高硬度材料时，金刚石刀具的寿命为硬质合金刀具的lO～100倍，甚至高达几百倍。
②具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其他刀具都低，摩擦系数低，加工时变形小，可减小切削力。
③切削刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具可高达0.002～0.008μm，能进行超薄切削和超精密加工。
④具有很高的导热性能：金刚石的导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，刀具切削部分温度低。
⑤具有较低的热膨胀系数：金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，由切削热引起的刀具尺寸的变化很小，这对尺寸精度要求很高的精密和超精密加工来说尤为重要。
⑶金刚石刀具的应用。
金刚石刀具多用于在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削及镗孔。适合加工各种耐磨非金属，如玻璃钢粉末冶金毛坯，陶瓷材料等；各种耐磨有色金属，如各种硅铝合金；各种有色金属光整加工。
金刚石刀具的不足之处是热稳定性较差，切削温度超过700℃～800℃时，就会完全失去其硬度；此外，它不适于切削黑色金属，因为金刚石(碳)在高温下容易与铁原子作用，使碳原子转化为石墨结构，刀具极易损坏。
2．立方氮化硼刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用
用与金刚石制造方法相似的方法合成的第二种超硬材料—立方氮化硼(CBN)，在硬度和热导率方面仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至10000C也不发生氧化。CBN对于黑色金属具有极为稳定的化学性能，可以广泛用于钢铁制品的加工。
⑴ 立方氮化硼刀具的种类
立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物质，有单晶体和多晶体之分，即CBN单晶和聚晶立方氮化硼(Polycrystalline cubic bornnitride，简称PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素异构体之一，结构与金刚石相似。
PCBN（聚晶立方氮化硼）是在高温高压下将微细的CBN材料通过结合相(TiC、TiN、Al、Ti等)烧结在一起的多晶材料，是目前利用人工合成的硬度仅次于金刚石的刀具材料，它与金刚石统称为超硬刀具材料。PCBN主要用于制作刀具或其他工具。
PCBN刀具可分为整体PCBN刀片和与硬质合金复合烧结的PCBN复合刀片。
PCBN复合刀片是在强度和韧性较好的硬质合金上烧结一层O.5～1.0mm厚的PCBN而成的，其性能兼有较好的韧性和较高的硬度及耐磨性，它解决了CBN刀片抗弯强度低和焊接困难等问题。
⑵ 立方氮化硼的主要性能、特点
立方氮化硼的硬度虽略次于金刚石，但却远远高于其他高硬度材料。CBN的突出优点是热稳定性比金刚石高得多，可达1200℃以上(金刚石为700～800℃)，另一个突出优点是化学惰性大，与铁元素在1200～1300℃下也不起化学反应。立方氮化硼的主要性能特点如下。
① 高的硬度和耐磨性：CBN晶体结构与金刚石相似，具有与金刚石相近的硬度和强度。PCBN特别适合于加工从前只能磨削的高硬度材料，能获得较好的工件表面质量。
② 具有很高的热稳定性：CBN的耐热性可达1400～1500℃，比金刚石的耐热性(700～800℃)几乎高l倍。PCBN刀具可用比硬质合金刀具高3～5倍的速度高速切削高温合金和淬硬钢。
③ 优良的化学稳定性：与铁系材料到1200—1300℃时也不起化学作用，不会像金刚石那样急剧磨损，这时它仍能保持硬质合金的硬度；PCBN刀具适合于切削淬火钢零件和冷硬铸铁，可广泛应用于铸铁的高速切削。
④ 具有较好的热导性：CBN的热导性虽然赶不上金刚石，但是在各类刀具材料中PCBN的热导性仅次于金刚石，大大高于高速钢和硬质合金
⑤ 具有较低的摩擦系数：低的摩擦系数可导致切削时切削力减小，切削温度降低，加工表面质量提高。
⑶ 立方氮化硼刀具应用：
立方氮化硼适于用来精加工各种淬火钢、硬铸铁、高温合金、硬质合金、表面喷涂材料等难切削材料。加工精度可达IT5(孔为IT6)，表面粗糙度值可小至Ra1.25～0.20μm。
立方氮化硼刀具材料韧性和抗弯强度较差。因此，立方氮化硼车刀不宜用于低速、冲击载荷大的粗加工；同时不适合切削塑性大的材料(如铝合金、铜合金、镍基合金、塑性大的钢等)，因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤，而使加工表面恶化。
3．陶瓷刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用
陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能好、耐热性和化学稳定性优良等特点，且不易与金属产生粘接。陶瓷刀具在数控加工中占有十分重要的地位，陶瓷刀具已成为高速切削及难加工材料加工的主要刀具之一。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。陶瓷刀具可以高效加工传统刀具根本不能加工的高硬材料，实现“以车代磨”；陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高2～lO倍，从而大大提高了切削加工生产效率；陶瓷刀具材料使用的主要原料是地壳中最丰富的元素，因此，陶瓷刀具的推广应用对提高生产率、降低加工成本、节省战略性贵重金属具有十分重要的意义，也将极大促进切削技术的进步。
⑴陶瓷刀具材料的种类
陶瓷刀具材料种类一般可分为氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、复合氮化硅一氧化铝基陶瓷三大类。其中以氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。氮化硅基陶瓷的性能更优越于氧化铝基陶瓷。
⑵陶瓷刀具的性能、特点
陶瓷刀具的性能特点如下：
①硬度高、耐磨性能好：陶瓷刀具的硬度虽然不及PCD和PCBN高，但大大高于硬质合金和高速钢刀具，达到93-95HRA。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，适合于高速切削和硬切削。
②耐高温、耐热性好：陶瓷刀具在1200℃以上的高温下仍能进行切削。陶瓷刀具具有很好的高温力学性能， A12O3陶瓷刀具的抗氧化性能特别好，切削刃即使处于赤热状态，也能连续使用。因此，陶瓷刀具可以实现干切削，从而可省去切削液。
③化学稳定性好：陶瓷刀具不易与金属产生粘接，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减小刀具的粘接磨损。
④摩擦系数低：陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度。
⑶ 陶瓷刀具有应用
陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具适用于切削加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁)和钢材(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬火钢等)，也可用来切削铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。
陶瓷刀具材料性能上存在着抗弯强度低、冲击韧性差问题，不适于在低速、冲击负荷下切削。
4．涂层刀具材料的性能和特点及刀具的应用
对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，它将刀具基体与硬质涂层相结合，从而使刀具性能大大提高。涂层刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。
新型数控机床所用切削刀具中有80％左右使用涂层刀具。涂层刀具将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种。
⑴ 涂层刀具的种类
根据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相沉积(CVD)涂层刀具和物理气相沉积(PVD)涂层刀具。涂层硬质合金刀具一般采用化学气相沉积法，沉积温度在1000℃左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法，沉积温度在500℃左右；
根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层刀具等。
根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即“硬”涂层刀具和 ‘软”涂层刀具。“硬”涂层刀具追求的主要目标是高的硬度和耐磨性，其主要优点是硬度高、耐磨性能好，典型的是TiC和TiN涂层。“软”涂层刀具追求的目标是低摩擦系数，也称为自润滑刀具，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.1左右，可减小粘接，减轻摩擦，降低切削力和切削温度。
最近开发了纳米涂层 (Nanoeoating)刀具。这种涂层刀具可采用多种涂层材料的不同组合 (如金属／金属、金属／陶瓷、陶瓷／陶瓷等)，以满足不同的功能和性能要求。设计合理的纳米涂层可使刀具材料具有优异的减摩抗磨功能和自润滑性能，适合于高速干切削。
⑵ 涂层刀具的特点
涂层刀具的性能特点如下：
①力学和切削性能好：涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。因此，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具可提高2倍以上，并允许有较高的进给量。涂层刀具的寿命也得到提高。
②通用性强：涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用。
③涂层厚度：随涂层厚度的增加刀具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和，刀具寿命不再明显增加。涂层太厚时，易引起剥离；涂层太薄时，则耐磨性能差。
④重磨性：涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长。
⑤涂层材料：不同涂层材料的刀具，切削性能不一样。如：低速切削时，TiC涂层占有优势；高速切削时，TiN 较合适。
⑶ 涂层刀具的应用
涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力，将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种。涂层技术已应用于立铣刀、铰刀、钻头、复合孔加工刀具、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、成形拉刀及各种机夹可转位刀片，满足高速切削加工各种钢和铸铁、耐热合金和有色金属等材料的需要。
5．硬质合金刀具材料的种类、性能和特点及应用
硬质合金刀具，特别是可转位硬质合金刀具，是数控加工刀具的主导产品,20世纪80年代以来，各种整体式和可转位式硬质合金刀具或刀片的品种已经扩展到各种切削刀具领域，其中可转位硬质合金刀具由简单的车刀、面铣刀扩大到各种精密、复杂、成形刀具领域。
⑴ 硬质合金刀具的种类
按主要化学成分区分，硬质合金可分为碳化钨基硬质合金和碳(氮)化钛(TiC(N))基硬质合金。
碳化钨基硬质合金包括钨钴类(YG)、钨钴钛类(YT)、添加稀有碳化物类(YW)三类，它们各有优缺点，主要成分为碳化钨 (WC)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、碳化铌(NbC)等，常用的金属粘接相是Co。
碳(氮)化钛基硬质合金是以TiC为主要成分(有些加入了其他碳化物或氮化物)的硬质合金，常用的金属粘接相是Mo和Ni。
ISO(国际标准化组织)将切削用硬质合金分为三类：
K类，包括Kl0～K40，相当于我国的YG类(主要成分为WC．Co)。
P类，包括P01～P50，相当于我国的YT类(主要成分为WC．TiC．Co)。
M类，包括M10～M40，相当于我国的YW类(主要成分为WC-TiC-TaC(NbC)-Co)。
各个牌号分别以01～50之间的数字表示从高硬度到最大韧性之间的一系列合金。
⑵ 硬质合金刀具的性能特点
硬质合金刀具的性能特点如下：
①高硬度：硬质合金刀具是由硬度和熔点很高的碳化物(称硬质相)和金属粘结剂(称粘接相)经粉末冶金方法而制成的，其硬度达89～93HRA，远高于高速钢，在5400C时，硬度仍可达82～87HRA，与高速钢常温时硬度(83～86HRA)相同。硬质合金的硬度值随碳化物的性质、数量、粒度和金属粘接相的含量而变化，一般随粘接金属相含量的增多而降低。在粘接相含量相同时，YT类合金的硬度高于YG类合金，添加TaC(NbC)的合金具有较高的高温硬度。
②抗弯强度和韧性：常用硬质合金的抗弯强度在900～1500MPa范围内。金属粘接相含量越高，则抗弯强度也就越高。当粘接剂含量相同时，YG类(WC-Co)合金的强度高于YT类(WC-TiC-Co)合金，并随着TiC含量的增加，强度降低。硬质合金是脆性材料，常温下其冲击韧度仅为高速钢的1／30～1／8。
⑶ 常用硬质合金刀具的应用
YG类合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X)在含钴量相同时比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，适用于加工一些特殊的硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钛合金、硬青铜和耐磨的绝缘材料等。
YT类硬质合金的突出优点是硬度高、耐热性好、高温时的硬度和抗压强度比YG类高、抗氧化性能好。因此，当要求刀具有较高的耐热性及耐磨性时，应选用TiC含量较高的牌号。YT类合金适合于加工塑性材料如钢材，但不宜加工钛合金、硅铝合金。
YW类合金兼具YG、YT类合金的性能，综合性能好，它既可用于加工钢料，又可用于加工铸铁和有色金属。这类合金如适当增加钴含量，强度可很高，可用于各种难加工材料的粗加工和断续切削。
6．高速钢刀具的种类和特点及应用
高速钢(High Speed Steel，简称HSS)是一种加入了较多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢。高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，在复杂刀具，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具，高速钢仍占据主要地位。高速钢刀具易于磨出锋利的切削刃。
按用途不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。
⑴通用型高速钢刀具
通用型高速钢。一般可分钨钢、钨钼钢两类。这类高速钢含加(C)为0.7％～0.9％。按钢中含钨量的不同，可分为含W为12％或18％的钨钢，含W为6％或8％的钨钼系钢，含W为2％或不含W的钼钢。通用型高速钢具有一定的硬度(63-66HRC)和耐磨性、高的强度和韧性、良好的塑性和加工工艺性，因此广泛用于制造各种复杂刀具。
①钨钢：通用型高速钢钨钢的典型牌号为W18Cr4V，(简称W18)，具有较好的综合性能，在6000C 时的高温硬度为48.5HRC，可用于制造各种复杂刀具。它有可磨削性好、脱碳敏感性小等优点，但由于碳化物含量较高，分布较不均匀，颗粒较大，强度和韧性不高。
②钨钼钢：是指将钨钢中的一部分钨用钼代替所获得的一种高速钢。钨钼钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2，(简称M2)。M2的碳化物颗粒细小均匀，强度、韧性和高温塑性都比W18Cr4V好。另一种钨钼钢为W9Mo3Cr4V(简称W9)，其热稳定性略高于M2钢，抗弯强度和韧性都比W6M05Cr4V2好，具有良好的可加工性能。
⑵ 高性能高速钢刀具
高性能高速钢是指在通用型高速钢成分中再增加一些含碳量、含钒量及添加Co、Al等合金元素的新钢种，从而可提高它的耐热性和耐磨性。主要有以下几大类：
① 高碳高速钢。高碳高速钢（如95W18Cr4V），常温和高温硬度较高，适于制造加工普通钢和铸铁、耐磨性要求较高的钻头、铰刀、丝锥和铣刀等或加工较硬材料的刀具，不宜承受大的冲击。
② 高钒高速钢。典型牌号，如，W12Cr4V4Mo，（简称EV4），含V提高到3％一5％，耐磨性好，适合切削对刀具磨损极大的材料，如纤维、硬橡胶、塑料等，也可用于加工不锈钢、高强度钢和高温合金等材料。
③ 钴高速钢。属含钴超硬高速钢，典型牌号，如，W2Mo9Cr4VCo8 ，(简称M42)，有很高的硬度，其硬度可达69-70HRC，适合于加工高强度耐热钢、高温合金、钛合金等难加工材料，M42可磨削性好，适于制作精密复杂刀具，但不宜在冲击切削条件下工作。
④ 铝高速钢。属含铝超硬高速钢，典型牌号，如，W6Mo5Cr4V2Al，(简称501)，6000C时的高温硬度也达到54HRC，切削性能相当于M42，适宜制造铣刀、钻头、铰刀、齿轮刀具、拉刀等，用于加工合金钢、不锈钢、高强度钢和高温合金等材料。
⑤ 氮超硬高速钢。典型牌号，如，W12M03Cr4V3N，简称(V3N)，属含氮超硬高速钢，硬度、强度、韧性与M42相当，可作为含钴高速钢的替代品，用于低速切削难加工材料和低速高精加工。
⑶熔炼高速钢和粉末冶金高速钢
按制造工艺不同，高速钢可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。
① 熔炼高速钢：普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法制造的。它们经过冶炼、铸锭和镀轧等工艺制成刀具。熔炼高速钢容易出现的严重问题是碳化物偏析，硬而脆的碳化物在高速钢中分布不均匀，且晶粒粗大 (可达几十个微米)，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产生不利影响。
② 粉末冶金高速钢(PM HSS)：粉末冶金高速钢(PM HSS)是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压氩气或纯氮气使之雾化，再急冷而得到细小均匀的结晶组织(高速钢粉末)，再将所得的粉末在高温、高压下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状。与熔融法制造的高速钢相比，PM HSS具有优点是：碳化物晶粒细小均匀,强度和韧性、耐磨性相对熔炼高速钢都提高不少。在复杂数控刀具领域PM HSS刀具将会进一步发展而占重要地位。典型牌号，如F15、FR71、GFl、GF2、GF3、PT1 、PVN等，可用来制造大尺寸、承受重载、冲击性大的刀具，也可用来制造精密刀具。
3．3．3数控刀具材料的选用原则
目前广泛应用的数控刀具材料主要有金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合