第四節 數控車刀和刀具系統

數控車床加工時，能根據程序指令實現全自動換刀。為了縮短數控車床的準備時間，適應柔性加工要求，數控車床對刀具提出了更高的要求，不僅要求刀具耐磨損、壽命長、可靠性好、精度高、剛性好、耐用度高，而且要求安裝、調整、刃磨方便，斷屑及排屑性能好。在全功能數控車床上，可預先安裝8～12把刀具，當被加工工件改變后，一般不需要更換刀具就能完成工件的全部車削加工，為了滿足要求，刀具配備時應注意以下幾個問題。

① 在可能的范圍內，使被加工工件的形狀、尺寸標準化，從而減少刀具的種類，實現不換刀或少換刀，以縮短準備和調整時間。

② 使刀具規格化和通用化，以減少刀具的種類，便于刀具管理。

③ 盡可能采用可轉位刀片，磨損后只需更換刀片，增加了刀具的互換性。

④ 在設計或選擇刀具時，應盡量采用高效率、斷屑及排屑性能好的刀具。

一、數控車削對刀具的要求

1．刀具性能

數控車削對刀具性能的具體要求見表2-22。

2．刀具材料

刀具材料的選擇對刀具壽命、加工效率、加工質量和加工成本等的影響很大。刀具切削時，要承受高壓、高溫、摩擦、沖擊和振動等作用。因此，刀具材料應具備以下一些基本性能。

① 硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必須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 強度和韌性 刀具材料應具備較高的強度和韌性，以便承受切削力、沖擊和振動，以防刀具脆性斷裂和崩刃。

③ 耐熱性 刀具材料的耐熱性要好，能承受高的切削溫度，具備良好的抗氧化能力。

④ 工藝性能和經濟性 刀具材料應具備好的鍛造性能、熱處理性能、焊接性能、磨削加工性能等，而且要追求高的性價比。

二、數控車刀的種類及其選用

1．常用數控車刀的種類和用途

常用數控車刀一般分為尖形車刀、圓弧形車刀和成形車刀三類，其說明見表2-23。

2．機夾可轉位車刀的選用

機夾可轉位車刀是使用可轉位刀片的機夾刀具，如圖2-29所示。它是由刀墊、刀片和套裝在刀桿的夾緊元件（圖2-30）組成。夾緊元件將刀片壓向支承面而緊固，車刀的前、后角靠刀片在刀桿槽中安裝后獲得。一條切削刃用鈍后可迅速轉位換成相鄰的新切削刃繼續切削，直到刀片上所有的切削刃均已用鈍，刀片才報廢回收。更換新刀片后，車刀又可繼續切削工作。

可轉位刀片是各種可轉位刀具最關鍵的部分。正確選擇和使用可轉位刀片是使用可轉位刀具的重要內容。

① 刀片材質的選擇 常見的刀片材料有高速鋼、硬質合金、涂層硬質合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等，其中，應用最多的是硬質合金和涂層硬質合金刀片。選擇刀片材料的主要依據是被加工工件的材料、被加工表面的精度、表面質量要求、切削載荷的大小以及切削過程有無沖擊和振動等。

② 刀片尺寸的選擇 刀片尺寸的大小取決于必要的有效切削刃長度L。有效切削刃長度與背吃刀量ap和車刀的主偏角κr有關，使用時可查閱有關刀具手冊選取。

可轉位刀片的型號及意義如圖2-31所示，代碼的具體含義可查閱GB/T 2076—2007《切削刀具用可轉位刀片型號表示規則》。

③ 刀片形狀的選擇 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選擇。被加工表面形狀及其適用的刀片可參考圖2-32選取，圖中刀片的型號組成見國家標準GB/T 2076—2007《切削刀具用可轉位刀片型號表示規則》。

三、裝夾刀具的工具系統選擇

數控車床的刀具系統，常用的有兩種形式：一種是刀塊形式，用凸鍵定位，螺釘夾緊，該結構定位可靠，夾緊牢固，剛性好，但換裝費時，不能自動夾緊，如圖2-33所示。另一種是圓柱柄上銑齒條的結構，可實現自動夾緊，換裝也快捷，剛性較刀塊形式的稍差，如圖2-34所示。

四、裝刀與對刀

裝刀與對刀是數控機床加工中極其重要并十分棘手的一項基本工作。對刀的好與差，將直接影響到加工程序的編制及零件的尺寸精度。通過對刀或刀具預調，還可同時測定各號刀的刀位偏差，有利于設定刀具補償量。

（一）車刀的安裝

在實際切削中，車刀安裝得高低，車刀刀桿軸線是否垂直，對車刀角度有很大影響。以車削外圓（或橫車）為例，當車刀刀尖高于工件軸線時，因其車削平面與基面的位置發生變化，使前角增大，后角減小；反之，則前角減小，后角增大。車刀安裝得歪斜，對主偏角、副偏角影響較大，特別是在車螺紋時，會使牙形半角產生誤差。因此，正確地安裝車刀，是保證加工質量、減小刀具磨損、提高刀具使用壽命的重要步驟。

如圖2-35所示為車刀安裝角度示意。圖2-35（a）為“-”的傾斜角度，增大刀具切削力；圖2-35（b）所示為“+”的傾斜角度，減小刀具切削力。

（二）數控車床對刀

對刀是數控機床加工中極其重要和復雜的工作。對刀精度的高低將直接影響到零件的加工精度。

在數控車床車削加工過程中，首先應確定零件的加工原點，以建立準確的工件坐標系；其次要考慮刀具的不同尺寸對加工的影響，這些都需要通過對刀來解決。

1．刀位點

刀位點是指程序編制中，用于表示刀具特征的點，也是對刀和加工的基準點。對于各類車刀，其刀位點如圖2-36所示。

2．刀補的設置與測量（表2-24）

3．試切法對刀的步驟

設1號刀為90°外圓車刀，并作為基準刀；2號刀為切槽刀；3號刀為螺紋刀，4號刀為內孔鏜刀。其對刀的步驟見表2-25。

4．工件坐標系建立的步驟

假定程序中工件坐標系設定指令為：G50（G92） X100.0 Z100.0，工件坐標系設置在工件軸線和右端面的交點處。

（1）方法一

① 用1號刀（基準刀）車削工件右端面和工件外圓。

② 讓基準刀尖退到工件右端面和外圓母線的交點A，見圖2-39所示。

③ 讓刀尖向Z軸正向退100mm。

④ 停止主軸轉動。

⑤ 用外徑千分尺測量工件外徑尺寸d。

⑥ 讓刀尖向Z軸正向退100-d。

⑦ 則刀尖現在的位置就為程序中G50（G92）規定的X100.0，Z100.0的位置。

（2）方法二

① 讓1號刀（基準刀）車削工件外圓，X向不動，刀具沿Z軸正向退出后置零。

② 停止主軸轉動。

③ 用外徑千分尺測量工件外徑尺寸d。

④ 讓基準刀刀尖和工件右端面對齊或車削右端面，讓刀尖向工件中心運動d數值（若測得工件外徑為38mm，刀尖向工件中心運動時，在手動狀態下注意CRT顯示器上X軸坐標值向工件中心增量進給-38mm時，停止進給）。

⑤ 然后再次將當前X、Z坐標數值置零。

⑥ 將刀尖運動到程序G50（G92）規定的X、Z坐標值。如主程序中編制G50（G92）X100.0 Z100.0，則將刀尖運動到CRT顯示器上X、Z軸的坐標值均為100處，當前點即為程序的起始點。

當程序運行加工工件時，執行G50（G92）程序后，系統內部即對當前刀具點（X、Z）進行記憶并顯示在顯示器上，這就相當于在系統內部建立了一個工件原點為坐標原點的工件坐標系，當前刀具點位于工件坐標系的X100.0，Z100.0處。