2.4 数控车床加工中刀具的选用

2.4.1 数控车削用车刀的类型

1.刀具材料

为了适应数控车削加工的特点，在生产实际中常常采用以下几种刀具材料。

（1）高速钢。高速钢是常用的刀具材料之一，它具有较好的综合机械性能，在复杂刀具和精加工刀具中，占有主要地位。其常见的典型钢号有：W18Cr4V、W9Cr4V2和W9Mo3Cr4V3Co10。

（2）硬质合金。硬质合金是高速切削时常用的刀具材料，它具有高硬度、高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度和冲击韧性比高速钢差，故不宜用在切削振动和冲击负荷大的加工中。其常用的牌号有：YG类，如YG6和YG8等用于加工铸铁及有色金属，YG6A和YG8A可用于加工铸铁和不锈钢等；YT类，如YT5、YT15和YT30等，主要用于加工钢料；YW类，如YW1和YW2等，可广泛用于加工铸铁、有色金属、各种钢及其合金等。

（3）涂层刀具。为了提高刀具的可靠性，进一步改善其切削性能和提高加工效率，通过“涂镀”这一新工艺，使硬质合金和高速钢刀具性能大大提高。涂层刀具是在高速钢及韧性较好的硬质合金基体上，通过气相沉积法，涂覆一层极薄的、耐磨性高的难熔金属化合物，如TiC、TiN、TiB2、TiAlN等。涂层硬质合金刀片的使用寿命比普通硬质合金刀片的使用寿命至少可以提高1～3倍，而涂层高速钢刀具的使用寿命则可以提高2～10倍。国产硬质合金刀片的牌号有YB215和YB415等。

（4）非金属材料刀具。常用陶瓷、金刚石及立方氮化硼等非金属材料做刀具。

➣ 陶瓷刀具。陶瓷材料具有很高的硬度和耐磨性，以及很好的耐热性和化学稳定性，其摩擦系数较小，常制成可转位机夹刀片。这种刀具特别适合于高速切削铸铁、钛合金及高温合金等难加工材料。

➣ 金刚石刀具。金刚石可分为人造金刚石和天然金刚石两类。一般用于刀具的是人造金刚石，它具有极高的硬度和耐磨性，通常制成普通机夹刀片或可转位机夹刀片，主要用于钛合金和铝合金的高速精车，同时对含有耐磨硬质点的复合材料（如玻璃纤维、碳或石墨制品等）的加工也极为有利。

➣ 立方氮化硼。立方氮化硼是一种硬度和抗压强度都接近金刚石的人工合成超硬材料，它具有很高的耐磨性、热稳定性（转化温度为1370℃）、化学稳定性和良好的导热性等。这种刀具宜于精车各种淬硬钢，也适合高速精车合金钢。

2.车刀的类型

数控车削用的车刀一般分为三类，即尖形车刀、圆弧形车刀和成形车刀。

（1）尖形车刀。以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。这类车刀的刀尖（同时也为其刀位点）由直线形的主、副切削刃构成，如90°内、外圆车刀，左、右端面车刀，切断（车槽）车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。

用这类车刀加工零件时，其零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线形主切削刃位移后得到，它与另两类车刀加工时所得到的零件轮廓形状的原理是截然不同的。

（2）圆弧形车刀。如图2.9所示，圆弧形车刀是数控车削中较为特殊的车刀。其特征是，构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮廓度误差很小的圆弧，该圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上；车刀圆弧半径理论上与被加工零件的形状无关，并可按需要灵活确定或经测定后确认。

当某些尖形车刀或成形车刀（螺纹车刀）的刀尖具有一定的圆弧形状时，也可作为这类车刀使用。

圆弧形车刀可以用于车削内、外表面，特别适宜于车削各种光滑连接（凹形）的曲面。

（3）成形车刀 成形车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。

数控车削加工中，常见的成形车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成形车刀，当确有必要选用时，则应在工艺准备的文件或加工程序单上进行详细说明。

在数控车削中，有时一把车刀可同属不同类型。如螺纹车刀属于成形车刀，但在一般情形下又将其视为尖形车刀。在选用时应根据被加工零件切削部分的形状及零件轮廓的形成原理（包括编程因素）两个方面来考虑。

2.4.2 常用车刀的几何参数及选择

刀具切削部分的几何参数对零件的表面质量及切削性能影响极大，应根据零件的形状、刀具的安装位置以及加工方法等，正确选择刀具的几何形状及有关参数。

1.尖形车刀的几何参数

尖形车刀的几何参数主要指车刀的几何角度。选择方法与使用普通车削时基本相同，但应结合数控加工的特点，如走刀路线及加工干涉等进行全面考虑。

例如，在加工如图2.10所示的零件时，为了使其左右两个45°锥面由一把车刀一次走刀加工出来，并使车刀的主切削刃和副切削刃在车削圆锥面时不与零件发生加工干涉，则必须使尖形车刀的主偏角和副偏角均要大于45°。

又如，车削如图2.11所示大圆弧内表面零件时，所选择尖形内孔车刀的形状及主要几何角度如图2.12所示（前角为0°），这样刀具可将其内圆弧面和右端端面一刀车出，而避免了用两把车刀进行加工。

选择尖形车刀不发生干涉的几何角度，可用作图或计算的方法。如副偏角的大小，大于作图或计算所得不发生干涉的极限角度值6°～8°即可。当确定几何角度困难或无法确定（如尖形车刀加工接近于半个凹圆弧的轮廓）时，则应考虑选择其他类型车刀后，再确定其几何角度。

2.圆弧形车刀的几何参数

（1）圆弧形车刀的选用。在车削某些精度要求较高的凹曲面时，为了提高凹曲面的表面质量，往往采用圆弧形车刀，如图2.13所示。这主要是因为圆弧形车刀具有宽刃切削（修光）性质；能使精车余量保持均匀而改善切削性能；还能一刀车出跨多个象限的圆弧面。

例如，当图2.13所示零件的曲面精度要求不高时，可以选择用尖形车刀进行加工；当曲面形状精度和表面粗糙度均要求较高时，选择尖形车刀加工就不合适了，因为车刀主切削刃的实际切削深度在圆弧轮廓段总是不均匀的，如图2.14所示。当车刀主切削刃靠近其圆弧终点时，该位置上的切削深度（a1）将大大超过其圆弧起点位置上的切削深度（a），致使切削阻力增大，则可能产生较大的线轮廓度误差，并增大其表面粗糙度。

（2）圆弧形车刀的几何参数。圆弧形车刀的几何参数除了前角和后角外，主要几何参数为车刀圆弧切削刃的形状及半径。

选择车刀圆弧半径的大小时，应考虑两点：第一，车刀切削刃的圆弧半径应当小于或等于零件凹形轮廓上的最小半径，以免发生加工干涉；第二，该半径不宜选择太小，否则不仅难于制造，还会因其刀头强度太弱或刀体散热能力差，使车刀容易受到损坏。

当车刀圆弧半径已经选定或通过测量并给予确认之后，应特别注意圆弧切削刃的形状误差对加工精度的影响。现通过图2.15对圆弧形车刀的加工原理分析如下。

在车削时，车刀的圆弧切削刃与被加工轮廓曲线做相对滚动运动。这时，车刀在不同的切削位置上，其“刀尖”在圆弧切削刃上也有不同位置，即切削刃圆弧与零件轮廓相切的切点，也就是说，切削刃对工件的切削，是以无数个连续变化的位置的“刀尖”进行的。为了使这些不断变化位置的“刀尖”能按加工原理所要求的规律（“刀尖”所在半径处处等距）运动，并便于编程，故规定圆弧形车刀的刀位点必须在该圆弧刃的圆心位置上。要满足车刀圆弧刃的半径处处等距，则必须保证该圆弧刃具有很小的圆度误差，即近似为一条理想圆弧，为此需要通过特殊的制造工艺（如光学曲线磨削等），才能将其圆弧刃做得准确。

至于圆弧形车刀前、后角的选择，原则上与普通车刀相同，只不过形成其前角（大于0°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。圆弧形车刀前、后刀面的特殊形状，是为了满足在刀刃的每一个切削点上，都具有恒定的前角和后角，以保证切削过程的稳定性及加工精度。为了制造车刀的方便，在精车时，其前角多选择为0°（无凹球面）。

2.4.3 刀具的标准化

为了适应数控车床自动化加工的需要（如刀具的对刀或预调、自动换刀或转刀、自动检测及管理工作等），并不断提高产品的加工质量和生产效率，节省刀具费用，改善加工环境及实现安全、文明生产，应大力推广使用模块化和标准化刀具。

1.模块化刀具

模块化刀具主要以刀具的刀杆、刀体为主，可以通过拼装和组合而成，并能根据加工的需要对刀体进行接长或拆短，也可以改变其直径，还能按刀具柄部，组合成不同锥孔号数或内径的刀杆模块。

由于精密制造技术的发展，为高精度的模块组件提供了较好的应用环境，使模块化刀具具有组合刚性好，配合紧密可靠，拆卸方便及应变和应急能力强等特点。使用这种模块化刀具，可以较大地降低生产成本，缩短工艺准备的周期。

2.标准化刀具

目前，数控车床大多采用已经系列化、标准化的刀具，这类刀具的标准化主要是针对刀柄和刀头两部分而规定的。它们的装配连接方式如图2.16所示。

（1）刀柄部分。对于车削加工，车刀刀柄部分的形状和尺寸都已标准化，如图2.17所示为可转位机夹外圆车刀，如图2.18所示为可转位机夹内孔车刀。其相关参数可查阅标准化刀具的相应手册。

（2）刀头部分。数控车削中所用刀具的刀头包括多种结构，如可调镗刀头、不重磨刀片等。其中，常用的不重磨刀片已有多种标准形状和系列化的型号（规格）供选用，如图2.19所示为部分可转位机夹车刀的刀片的示意图。