2.2　数控车削刀具及选择

（1）数控刀具的特点

数控刀具的特点是标准化、系列化、规格化、模块化和通用化。

为了达到高效、多能、快换、经济的目的，对数控机床使用的刀具有如下要求。

①具有较高的强度、较好的刚度和抗振性能。

②高精度、高可靠性和较强的适应性。

③能够满足高切削速度和大进给量的要求。

④刀具耐磨性及刀具的使用寿命长，刀具材料和切削参数与被加工件材料之间要适宜。

⑤刀片与刀柄要通用化、规格化、系列化、标准化，相对主轴要有较高位置精度，转位、拆装时要求重复定位精度高，安装调整方便。

（2）车削刀具的材料

刀具切削部分的材料应具备如下性能：高的硬度，足够的强度和韧性，高的耐磨性，高的耐热性，良好的加工工艺性。

常见的刀具材料：高速钢（俗称白钢刀条）、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金刚石（PCD）。

数控机床上常用高速钢刀具和硬质合金刀具。

材料的强度越高，其塑性越差，越耐磨，在切削时，需要高速平稳，防止冲击和振动。

①高速钢　具有良好的工艺性，能制成复杂的刀具。由于高速钢容易磨出锋利的切削刃、能锻造，同时高速钢刀具使用前可以进行刃磨，因此，适合用于复杂刀具及特殊需要的非标准刀具。典型的高速钢牌号有W18Cr4V（简称W18）、W6Mo5Cr4V2（简称M2）、W9Mo3Cr4V（简称W9）。

②硬质合金　硬质合金钢的硬度高（89～93HRA），耐磨性能好，其切削性能比高速钢高得多。允许的切削速度比高速钢高4～10倍，切削速度可达100m/min以上。

按国际标准化组织规定，切削加工用硬质合金按其排屑类型和被加工材料分为三大类：K类、P类和M类，类似于国家标准中的YG类、YT类和YW类。根据被加工材料及适用的加工条件，每大类中又分为若干组，用两位阿拉伯数字表示，每类中组号数字越大，其耐磨性越低、韧性越高，因此，组号数字越大，可选用越大的进给量和切削深度，而切削速度则应越小。从另一个方面讲，组号数字越小，硬度越高，韧性越差，适用于精加工；反之，组号数字越大，适用于粗加工。K类硬质合金，主要用于加工铸铁及有色金属；P类硬质合金，主要用于加工黑色金属，即钢铁材料。M类硬质合金，主要用于加工长切屑或短切屑的黑色金属和有色金属。

③陶瓷材料　陶瓷材料特耐高温，在2000℃条件下，仍具有高的硬度，非常耐磨，耐磨性是硬质合金的5倍，但是，韧性很低，不能承受冲击，适用于精加工和高速切削。其最大优点是与被加工材料的亲和性极低，不易产生粘刀和积削瘤，使加工表面光洁平滑。

④立方氮化硼（CBN）　有极好的耐磨性，极高的热稳定性和优良的化学稳定性。

立方氮化硼是在高温、高压条件下人工合成的新型刀具材料，其性能与金刚石相似，能高速切削淬火钢和耐热钢，是高速切削的首选刀具材料。

立方氮化硼刀具适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，通常采用负前角的高速切削。

⑤聚晶金刚石（PCD）　其为人工合成的金刚石，是在高温、高压下合成的新型刀具材料。

硬度很高，耐磨性好（硬质合金的60～80倍），在切削中，不易产生积削瘤，刃口可以磨得非常锋利。

其缺点是耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。

它与铁系材料有很强的亲和力，易使碳元素扩散而磨损，只适用于加工有色金属、非金属如陶瓷等极硬的材料。因此，金刚石刀具主要用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料，能实现超精密微量加工和镜面加工。

在数控机床中，目前应用最为广泛的刀具材料是硬质合金。从经济性、适应性、多样性、工艺性等多方面比较，硬质合金的综合效果都优于陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石。

（3）车削刀具的五个主要角度

车削刀具的主要角度为前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角。它们的具体几何意义，如图2-11所示。

前角γo：前刀面与切削平面之间的夹角，表示前刀面的倾斜程度。

后角αo：主后刀面与切削平面之间的夹角，表示主后刀面倾斜的程度。

主偏角κr：主切削刃在基面上的投影与进给方向之间的夹角。

副偏角：副切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角。

刃倾角λs：是主切削刃与基面之间的夹角。

任何车刀都由以上部分组成，只是数目不完全相同，如普通外圆车刀的刀头部分一般由三面、两刃和一尖组成，但切断刀则由两个副切削刃和两个刀尖组成。刀头部分的切削刃可以是直线，也可以是曲线，如样板车刀的切削刃就是曲线。

（4）刀具主要角度的选择原则

①增大前角，切屑易流出，可使切削力减少，切削很轻快。但前角过大，刀刃强度降低。

②增大后角可减少刀具后刀面与工件之间的摩擦。但后角过大，刀刃强度降低。

③在切削深度和进给量不变的情况下，增大主偏角，可使切削力沿工件轴向力加大，径向力减小，有利于加工细长轴并减小振动。

④增大刃倾角有利于承受冲击。刃倾角为正值时，切屑向待加工方向流动；刃倾角为负值时，切屑向已加工面方向流动。通常，精车时取0°～4°；粗加工时取-10°～-5°。

（5）数控刀具的分类

数控刀具的分类方法较多，大致可以有以下几种分类方法。

按照刀具材料可分为：高速钢刀具，硬质合金刀具，陶瓷刀具，立方氮化硼刀具和金刚石刀具。

按照刀具结构可分为：整体式，焊接式，机夹式（可转位和不转位），内冷式和减振式。

按照切削工艺分为：车削刀具，孔加工刀具（如钻头、丝锥和镗刀等），铣削刀具等。

按照数控工具系统的发展可分为：由整体式工具系统向模块式工具系统发展。有利于提高劳动生产率，提高加工效率，提高产品质量。

标准化数控刀具已形成了三大系统，即车削刀具系统、钻削刀具系统和镗铣刀具系统。

（6）常见数控刀具的结构

①整体式结构　整体式刀具是指切削部分和夹持部分为一体式结构的刀具。其制造工艺简单，刀具磨损后可以重新修磨。

②机夹式刀具结构　机夹式刀具是指刀片在刀体上的一种定位形式。

机夹式刀具分为机夹可转位刀具和机夹不可转位刀具。数控机床一般使用标准的机夹可转位刀具。

机夹可转位刀具一般由刀片、刀垫、刀体和刀片定位夹紧元件组成，如图2-12所示。

可转位车刀根据刀片夹紧方式，可分为偏心式（图2-13）、杠杆式（图2-14）、砌块式（图2-15）。

可转位车刀对夹紧元件要求：夹紧可靠、定位准确、排屑流畅、结构简单、操作方便。

③几何参数和切削性能　可转位车刀片的形状有三角形、正方形、棱形、五边形、六边形和圆形等，通常采用压模成形，使刀片具有供切削时选用的几何参数（不需刃磨）；同时，刀片具有3个以上供转位用的切削刃，当一个切削刃磨损后，松开夹紧机构，将刀片转位到另一切削刃，即可进行切削，当所有切削刃都磨损后再取下，换上新的同类型的刀片。

可转位车刀片按照用途可分为外圆、端面半精车刀片，外圆精车刀片，内孔精车刀片，切断刀片和内外螺纹车刀片。此外，刀片又分为带孔无后角和不带孔有后角两种，刀片中的孔是为夹持刀片用，若刀片有后角，刀片在装入刀槽时，就不需要安装出后角，若刀片无后角，则在刀片装入刀槽时，就需要将刀片安装出一定后角。下面是两种典型机夹车刀片和车刀的几何参数。

精车机夹车刀刀片：前角=20°，主后角=8°～9°，副后角=6°～8°，主偏角=90°，副偏角=5°，刃倾角=0°～1°，倒刃为−5°×（0.05～0.1），过渡圆弧半径R=0.1～0.2mm（图2-16）。

半精车机夹车刀刀片：前角20°，后角6°～7°，主偏角90°、45°和80°三种，副偏角为10°和45°两种，倒刃为−5°×（0.2～0.5），过渡圆弧半径R=0.2～0.5mm（图2-17）。

精车机夹车刀一般采用工作前角20°，主后角8°～9°，楔角≤62°。通过切削实践可知，增大楔角会使切削抗力增大，反之减小楔角，切削抗力也会减小，在精加工时应采用较小楔角，从而使刀具锋利，切削较快。刃倾角通常选为0°～1°，选择小的刃倾角能使切屑在断屑槽内向刀体后部排出，以免划伤已加工表面。副后角、副偏角较小，使副后刀面与工件已加工面有较长的接触面积，达到修整切削谷峰轨迹、降低表面粗糙度的目的。主偏角为90°，既能降低径向的切削抗力，又能适应多台阶零件的加工。

半精车机夹车刀多用于粗加工和半精加工，切削时多带有冲击负荷，对切削时有冲击负荷的刀具主偏角通常设为45°和80°两种，切削时不带冲击负荷的刀具主偏角通常为90°。主偏角45°和80°的半精车机夹车刀刀尖角为90°，以增强刀尖强度；主偏角为90°的半精车机夹车刀刀尖角为80°。刃倾角为0°～1°，后角为6°～7°，倒刃为-10°×（0.1～0.2），有时可根据切削实际情况刃磨至0.5mm宽。

精加工机夹车刀设计的原则是增强刀具锋利度和获得较理想的表面质量，半精加工机夹车刀设计的原则是增强刀具强度。由于可转位车刀的角度是由刀片的角度和刀杆上刀片槽底面的角度综合而成，因此其值为相关部分几何角度的代数和。

（7）数控车削刀具的选择

数控刀具按照装夹、转换方式可以分为两大类：车削系统刀具和镗铣削系统刀具。

车削系统刀具由刀片（刀具）、刀具体、柄体、刀盘组成，通过刀具的夹持系统固定在数控车床上。普通数控车床刀具主要采用机夹可转位刀片的刀具，在四刀位转位刀架上进行装夹。这里，将以可转位刀片的选择为重点，讲解车削刀具的选择。

根据要加工的工件的材料、表面粗糙度要求和加工余量等条件，选择刀片的类型。

①刀片材料的选择　刀片大多采用硬质合金，其类型取决于被加工工件材料、加工表面精度要求、切削载荷的大小及切削加工中有无冲击和振动等条件。

②刀片的尺寸选择　刀片尺寸的大小取决于有效切削刃的长度。

③刀片形状选择　刀片形状主要依据被加工工件的表面形状、切削方法、刀具寿命和刀片的转位次数等因素。

④刀片尖角圆弧半径的选择　刀尖圆弧半径的大小直接影响刀尖的强度和被加工零件的表面粗糙度。其选择原则为在背吃刀量较小的精加工、细长轴加工或机床刚度较差的情况下，选择较小的刀尖圆弧半径；在需要切削刃强度高、零件直径大的粗加工中，选取较大的刀尖圆弧半径。