2.2　數控車削刀具及選擇

（1）數控刀具的特點

數控刀具的特點是標準化、系列化、規格化、模塊化和通用化。

為了達到高效、多能、快換、經濟的目的，對數控機床使用的刀具有如下要求。

①具有較高的強度、較好的剛度和抗振性能。

②高精度、高可靠性和較強的適應性。

③能夠滿足高切削速度和大進給量的要求。

④刀具耐磨性及刀具的使用壽命長，刀具材料和切削參數與被加工件材料之間要適宜。

⑤刀片與刀柄要通用化、規格化、系列化、標準化，相對主軸要有較高位置精度，轉位、拆裝時要求重復定位精度高，安裝調整方便。

（2）車削刀具的材料

刀具切削部分的材料應具備如下性能：高的硬度，足夠的強度和韌性，高的耐磨性，高的耐熱性，良好的加工工藝性。

常見的刀具材料：高速鋼（俗稱白鋼刀條）、硬質合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金剛石（PCD）。

數控機床上常用高速鋼刀具和硬質合金刀具。

材料的強度越高，其塑性越差，越耐磨，在切削時，需要高速平穩，防止沖擊和振動。

①高速鋼　具有良好的工藝性，能制成復雜的刀具。由于高速鋼容易磨出鋒利的切削刃、能鍛造，同時高速鋼刀具使用前可以進行刃磨，因此，適合用于復雜刀具及特殊需要的非標準刀具。典型的高速鋼牌號有W18Cr4V（簡稱W18）、W6Mo5Cr4V2（簡稱M2）、W9Mo3Cr4V（簡稱W9）。

②硬質合金　硬質合金鋼的硬度高（89～93HRA），耐磨性能好，其切削性能比高速鋼高得多。允許的切削速度比高速鋼高4～10倍，切削速度可達100m/min以上。

按國際標準化組織規定，切削加工用硬質合金按其排屑類型和被加工材料分為三大類：K類、P類和M類，類似于國家標準中的YG類、YT類和YW類。根據被加工材料及適用的加工條件，每大類中又分為若干組，用兩位阿拉伯數字表示，每類中組號數字越大，其耐磨性越低、韌性越高，因此，組號數字越大，可選用越大的進給量和切削深度，而切削速度則應越小。從另一個方面講，組號數字越小，硬度越高，韌性越差，適用于精加工；反之，組號數字越大，適用于粗加工。K類硬質合金，主要用于加工鑄鐵及有色金屬；P類硬質合金，主要用于加工黑色金屬，即鋼鐵材料。M類硬質合金，主要用于加工長切屑或短切屑的黑色金屬和有色金屬。

③陶瓷材料　陶瓷材料特耐高溫，在2000℃條件下，仍具有高的硬度，非常耐磨，耐磨性是硬質合金的5倍，但是，韌性很低，不能承受沖擊，適用于精加工和高速切削。其最大優點是與被加工材料的親和性極低，不易產生粘刀和積削瘤，使加工表面光潔平滑。

④立方氮化硼（CBN）　有極好的耐磨性，極高的熱穩定性和優良的化學穩定性。

立方氮化硼是在高溫、高壓條件下人工合成的新型刀具材料，其性能與金剛石相似，能高速切削淬火鋼和耐熱鋼，是高速切削的首選刀具材料。

立方氮化硼刀具適用于加工高硬度淬火鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金材料。它不宜加工塑性大的鋼件和鎳基合金，也不適合加工鋁合金和銅合金，通常采用負前角的高速切削。

⑤聚晶金剛石（PCD）　其為人工合成的金剛石，是在高溫、高壓下合成的新型刀具材料。

硬度很高，耐磨性好（硬質合金的60～80倍），在切削中，不易產生積削瘤，刃口可以磨得非常鋒利。

其缺點是耐熱性差，強度低，脆性大，對振動很敏感。

它與鐵系材料有很強的親和力，易使碳元素擴散而磨損，只適用于加工有色金屬、非金屬如陶瓷等極硬的材料。因此，金剛石刀具主要用于高速條件下精細加工有色金屬及其合金和非金屬材料，能實現超精密微量加工和鏡面加工。

在數控機床中，目前應用最為廣泛的刀具材料是硬質合金。從經濟性、適應性、多樣性、工藝性等多方面比較，硬質合金的綜合效果都優于陶瓷、立方氮化硼和聚晶金剛石。

（3）車削刀具的五個主要角度

車削刀具的主要角度為前角、后角、主偏角、副偏角和刃傾角。它們的具體幾何意義，如圖2-11所示。

前角γo：前刀面與切削平面之間的夾角，表示前刀面的傾斜程度。

后角αo：主后刀面與切削平面之間的夾角，表示主后刀面傾斜的程度。

主偏角κr：主切削刃在基面上的投影與進給方向之間的夾角。

副偏角：副切削刃在基面上的投影與進給運動方向之間的夾角。

刃傾角λs：是主切削刃與基面之間的夾角。

任何車刀都由以上部分組成，只是數目不完全相同，如普通外圓車刀的刀頭部分一般由三面、兩刃和一尖組成，但切斷刀則由兩個副切削刃和兩個刀尖組成。刀頭部分的切削刃可以是直線，也可以是曲線，如樣板車刀的切削刃就是曲線。

（4）刀具主要角度的選擇原則

①增大前角，切屑易流出，可使切削力減少，切削很輕快。但前角過大，刀刃強度降低。

②增大后角可減少刀具后刀面與工件之間的摩擦。但后角過大，刀刃強度降低。

③在切削深度和進給量不變的情況下，增大主偏角，可使切削力沿工件軸向力加大，徑向力減小，有利于加工細長軸并減小振動。

④增大刃傾角有利于承受沖擊。刃傾角為正值時，切屑向待加工方向流動；刃傾角為負值時，切屑向已加工面方向流動。通常，精車時取0°～4°；粗加工時取-10°～-5°。

（5）數控刀具的分類

數控刀具的分類方法較多，大致可以有以下幾種分類方法。

按照刀具材料可分為：高速鋼刀具，硬質合金刀具，陶瓷刀具，立方氮化硼刀具和金剛石刀具。

按照刀具結構可分為：整體式，焊接式，機夾式（可轉位和不轉位），內冷式和減振式。

按照切削工藝分為：車削刀具，孔加工刀具（如鉆頭、絲錐和鏜刀等），銑削刀具等。

按照數控工具系統的發展可分為：由整體式工具系統向模塊式工具系統發展。有利于提高勞動生產率，提高加工效率，提高產品質量。

標準化數控刀具已形成了三大系統，即車削刀具系統、鉆削刀具系統和鏜銑刀具系統。

（6）常見數控刀具的結構

①整體式結構　整體式刀具是指切削部分和夾持部分為一體式結構的刀具。其制造工藝簡單，刀具磨損后可以重新修磨。

②機夾式刀具結構　機夾式刀具是指刀片在刀體上的一種定位形式。

機夾式刀具分為機夾可轉位刀具和機夾不可轉位刀具。數控機床一般使用標準的機夾可轉位刀具。

機夾可轉位刀具一般由刀片、刀墊、刀體和刀片定位夾緊元件組成，如圖2-12所示。

可轉位車刀根據刀片夾緊方式，可分為偏心式（圖2-13）、杠桿式（圖2-14）、砌塊式（圖2-15）。

可轉位車刀對夾緊元件要求：夾緊可靠、定位準確、排屑流暢、結構簡單、操作方便。

③幾何參數和切削性能　可轉位車刀片的形狀有三角形、正方形、棱形、五邊形、六邊形和圓形等，通常采用壓模成形，使刀片具有供切削時選用的幾何參數（不需刃磨）；同時，刀片具有3個以上供轉位用的切削刃，當一個切削刃磨損后，松開夾緊機構，將刀片轉位到另一切削刃，即可進行切削，當所有切削刃都磨損后再取下，換上新的同類型的刀片。

可轉位車刀片按照用途可分為外圓、端面半精車刀片，外圓精車刀片，內孔精車刀片，切斷刀片和內外螺紋車刀片。此外，刀片又分為帶孔無后角和不帶孔有后角兩種，刀片中的孔是為夾持刀片用，若刀片有后角，刀片在裝入刀槽時，就不需要安裝出后角，若刀片無后角，則在刀片裝入刀槽時，就需要將刀片安裝出一定后角。下面是兩種典型機夾車刀片和車刀的幾何參數。

精車機夾車刀刀片：前角=20°，主后角=8°～9°，副后角=6°～8°，主偏角=90°，副偏角=5°，刃傾角=0°～1°，倒刃為?5°×（0.05～0.1），過渡圓弧半徑R=0.1～0.2mm（圖2-16）。

半精車機夾車刀刀片：前角20°，后角6°～7°，主偏角90°、45°和80°三種，副偏角為10°和45°兩種，倒刃為?5°×（0.2～0.5），過渡圓弧半徑R=0.2～0.5mm（圖2-17）。

精車機夾車刀一般采用工作前角20°，主后角8°～9°，楔角≤62°。通過切削實踐可知，增大楔角會使切削抗力增大，反之減小楔角，切削抗力也會減小，在精加工時應采用較小楔角，從而使刀具鋒利，切削較快。刃傾角通常選為0°～1°，選擇小的刃傾角能使切屑在斷屑槽內向刀體后部排出，以免劃傷已加工表面。副后角、副偏角較小，使副后刀面與工件已加工面有較長的接觸面積，達到修整切削谷峰軌跡、降低表面粗糙度的目的。主偏角為90°，既能降低徑向的切削抗力，又能適應多臺階零件的加工。

半精車機夾車刀多用于粗加工和半精加工，切削時多帶有沖擊負荷，對切削時有沖擊負荷的刀具主偏角通常設為45°和80°兩種，切削時不帶沖擊負荷的刀具主偏角通常為90°。主偏角45°和80°的半精車機夾車刀刀尖角為90°，以增強刀尖強度；主偏角為90°的半精車機夾車刀刀尖角為80°。刃傾角為0°～1°，后角為6°～7°，倒刃為-10°×（0.1～0.2），有時可根據切削實際情況刃磨至0.5mm寬。

精加工機夾車刀設計的原則是增強刀具鋒利度和獲得較理想的表面質量，半精加工機夾車刀設計的原則是增強刀具強度。由于可轉位車刀的角度是由刀片的角度和刀桿上刀片槽底面的角度綜合而成，因此其值為相關部分幾何角度的代數和。

（7）數控車削刀具的選擇

數控刀具按照裝夾、轉換方式可以分為兩大類：車削系統刀具和鏜銑削系統刀具。

車削系統刀具由刀片（刀具）、刀具體、柄體、刀盤組成，通過刀具的夾持系統固定在數控車床上。普通數控車床刀具主要采用機夾可轉位刀片的刀具，在四刀位轉位刀架上進行裝夾。這里，將以可轉位刀片的選擇為重點，講解車削刀具的選擇。

根據要加工的工件的材料、表面粗糙度要求和加工余量等條件，選擇刀片的類型。

①刀片材料的選擇　刀片大多采用硬質合金，其類型取決于被加工工件材料、加工表面精度要求、切削載荷的大小及切削加工中有無沖擊和振動等條件。

②刀片的尺寸選擇　刀片尺寸的大小取決于有效切削刃的長度。

③刀片形狀選擇　刀片形狀主要依據被加工工件的表面形狀、切削方法、刀具壽命和刀片的轉位次數等因素。

④刀片尖角圓弧半徑的選擇　刀尖圓弧半徑的大小直接影響刀尖的強度和被加工零件的表面粗糙度。其選擇原則為在背吃刀量較小的精加工、細長軸加工或機床剛度較差的情況下，選擇較小的刀尖圓弧半徑；在需要切削刃強度高、零件直徑大的粗加工中，選取較大的刀尖圓弧半徑。