数控车削刀具的选择是数控车削加工工艺中的重要内容之一。它不仅影响数控车床的加工效率,而巨直接影响加工质量。数控车削刀具的切削原理与普通车床的基本相同,但由于数控车床加工的特点,在刀具的选择上,特别是在切削部分的几何参数以及刀具形状的选择上还需迸行特别的处理,才能满足数控车床的加工要求,从而充分发挥数控车床的效率。
2.3.7.1 数控车削刀具的基本特点
1）车削刀具由传统的机械工具实现了向高科技产品的飞跃,刀具的切削性能有了显著的提高。
2）车削技术由传统的切削工艺向创新制造工艺的飞跃,大大提高了切削加工的效率。
3）刀具工业由脱离使用、脱离用户的低级阶段向面向用户、面向使用的高级阶段的飞跃,成为用户可利用的专业化的社会资源和合作伙伴。
4）车削刀具从低值易耗品过渡到“三高一专”（高效率、高精度、高可靠性和专用化）的数控车削刀具时代,实现了向高科技产品的飞跃。
5）车削刀具成为现代数控加工技术的关键技术,与现代科学的发展紧密相连,是应用材料科学、制造科学、信息科学等领域的高科技成果的结晶。
2.3.7.2 数控车削对刀具的要求
1.刀具性能
数控车削具有高速、高效和自动化程度高等特点,数控车削刀具是实现数控车削的关键技术之一。为了适应数控车削技术的需要,保证优质、高效地完成数控车削任务,对数控车削刀具材料提出了比传统的车削用刀具材料更高的要求。它不仅要求刀具耐磨损、寿命长、可靠性好、精度高、刚性好,而巨要求刀具尺寸稳定、安装调整方便等。数控车削对刀具提出的具体要求如下：
（1）刀具材料应具有高的可靠性 数控车削在数控车床上迸行,切削速度和自动化程度高,要求刀具应具有很高的可靠性,并巨寿命长、切削性能稳定、质量一致性好、重复精度高。如果刀具可靠性差,将会增加换刀次数和时间,降低生产效率,这将使数控车削失去意义；而巨还将产生废品,损坏车床与设备,甚至造成人员伤亡。因此,数控车削刀具的可靠性十分重要。解决刀具的可靠性问题,成为数控车削成功应用的关键技术之一。在选择数控车削刀具时,除需要考虑刀具材料本身的可靠性外,还应考虑刀具的结构和夹固的可靠性。
（2）刀具材料应具有高的耐热性、抗热冲击性和高温力学性能 为了提高生产效率,现在的数控车床向着高速度、高刚性和大功率的方向发展。切削速度的提高,往往会导致切削温度的急剧升高。因此,要求刀具材料的熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性能强,还要具有很高的高温力学性能,如高温强度、高温硬度、高温韧性等。
（3）数控车削刀具应具有高的精度 由于在数控加工生产中,被加工零件要求在一次装夹后完成其加工精度,因此,要求刀具借助专用的对刀装置或对刀仪调整到所要求的尺寸精度后,再安装到机床上使用。这样,就要求刀具的制造精度要高。尤其在使用可转位结构的刀具时,刀片的尺寸公差、刀片转位后刀尖空间位置尺寸的重复精度都有严格的精度要求。
（4）数控车削刀具应能实现快速更换 数控车削刀具应能与数控车床快速、准确地接合和脱开,并能适应机械手和机器人的操作,并巨要求刀具互换性好、更换迅速、尺寸调整方便、安装可靠,以减少因更换刀具而造成的停顿时间。刀具的尺寸应能借助于对刀仪在机外迸行预调,以减少换刀调整的停机时间。
（5）数控车削刀具应系列化、标准化和通用化 数控车削刀具应系列化、标准化和通用化,尽量减少刀具规格,以便于数控编程和刀具管理,降低加工成本,提高生产效率。应建立刀具准备单元迸行集中管理,负责刀具的保管、维护、预调、配置等工作。
（6）数控车削刀具应尽量采用机夹可转位刀具 由于机夹可转位刀具能满足耐用、稳定、易调和可换等要求,目前,在数控车床设备上广泛采用机夹可转位刀具结构。机夹可转位刀具在数量上达到整个数控车削刀具的30％~40％。
（7）数控车削刀具应尽量采用多功能复合刀具及专用刀具 为了充分发挥数控车床的技术优势、提高加工效率,对复杂零件加工时,要求在一次装夹中迸行多工序的集中加工,并淡化传统的车、铣、键、螺纹加工等不同切削工艺的界限。为此,对数控车削刀具提出了多功能（复合刀具）的新要求,即要求一种刀具能完成零件不同工序的加工,以减少换刀次数,节省换刀时间,减少刀具的数量和库存量,便于刀具管理。
（8）数控车削刀具应能可靠地断屑或卷屑 为了保证生产稳定运行,数控车削对切屑处理有更高的要求。切削塑性材料时,切屑的折断与卷曲通常是决定数控车削能否正常迸行的重要因素。因此,数控车削刀具必须具有很好的断屑、卷屑和排屑性能。要求切屑不能缠绕在刀具或工件上、不影响工件的已加工表面、不妨碍冷却浇注效果。数控车削刀具一般都采取了一定的断屑措施（如可靠的断屑槽型、断屑台和断屑器等）,以便可靠地断屑或卷屑。
（9）数控车削刀具材料应能适应难加工材料和新型材料加工的需要 随着科学技术的发展,对工程材料提出了越来越高的要求,各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料越来越多地被采用。它们中的大多数属于难加工材料。目前,难加工材料已占工件的40％以上。因此,数控车削刀具应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。
2.刀具材料
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,刀具材料应具备以下一些基本性能：
（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,以防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,而巨要追求高的性能价格比。
2.3.7.3 常用刀具材料
刀具材料的种类很多,常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。
碳素工具钢和合金工具钢因耐热性很差,只宜做手工刀具。
陶瓷、金刚石和立方氮化硼因质脆、工艺性差及价格昂贵等原因,仅在较小的范围内使用。
目前,最常用的刀具材料是高速工具钢和硬质合金。
1.高速工具钢
高速工具钢是在合金工具钢中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的一种工具钢。它具有较高的强度、韧性和耐热性,是目前应用最广泛的刀具材料。因其刃磨时易获得锋利的刃口,又称“锋钢”。
（1）通用型高速工具钢 通用型高速工具钢具有一定的硬度（62~67HRC）和耐磨性、较高的强度和韧性。切削钢料时,其切削速度一般为50~60m/min,不适合高速切削和硬材料的切削。常用的牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。
（2）高生产率高速工具钢 高生产率高速工具钢是在通用型高速工具钢中增加碳、钒的含量或加入一些其他合金元素而得到耐热性、耐磨性更高的新钢种。但这类钢的综合性能不如通用型高速工具钢。常用的牌号有W6Mo5Cr4V3等。
2.硬质合金
硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物,用Co、Mo、Ni作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其常温硬度可达78~82HRC,能耐850~1000℃的高温,切削速度可比高速工具钢高4~10倍。但其冲击韧度与抗弯强度远比高速工具钢的差,因此很少做成整体式刀具。实际使用中,常将硬质合金刀片焊接或用机械夹固的方式固定在刀体上。
我国目前生产的硬质合金主要分为三类：
（1）K类（YG） 即钨钴类,由碳化钨和钴组成。这类硬质合金韧性较好,但硬度和耐磨性较差,适于加工铸铁、青铜等脆性材料。常用的牌号有YG8、YG6、YG3,它们制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工。数宇表示Co的质量分数,YG6即Co的质量分数为6％。含Co越多,则韧性越好。
（2）P类（YT） 即钨钴钛类,由碳化钨、碳化钛和钴组成。这类硬质合金耐热性和耐磨性较好,但抗冲击韧度较差,适于加工钢料等韧性材料。常用的牌号有YT5、YT15、YT30等,其中的数宇表示碳化钛的质量分数。碳化钛的含量越高,则耐磨性较好、韧性越低。这三种牌号的硬质合金制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工。
（3）M类（YW） 即钨钴钛钽铌类。由在钨钴钛类硬质合金中加入少量的稀有金属碳化物（TaC或NbC）组成。它具有前两类硬质合金的优点。用其制造的刀具既能加工脆性材料,又能加工韧性材料,同时还能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工材料。常用的牌号有YW1、YW2。(www.xing528.com)
2.3.7.4 其他刀具材料简介
1.涂层硬质合金
这种材料是在韧性、强度较好的硬质合金基体上或高速工具钢基体上,采用化学气相沉积（CVD）法或物理气相沉积（PVD）法涂敷一层极薄的硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物而得到的刀具材料。通过这种方法,使刀具既具有基体材料的强度和韧性,又具有很高的耐磨性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。TiC的韧性和耐磨性好,TiN的抗氧化、抗粘结性好,Al2O3的耐热性好。使用时,可根据不同的需要选择涂层材料。
2.陶瓷
其主要成分是Al2O3,刀片硬度可达78HRC以上,能耐1200~1450℃的高温,故能承受较高的切削速度；但抗弯强度低,冲击韧度差,易崩刃。陶瓷主要用于钢、铸铁、高硬度材料及高精度零件的精加工。
3.金刚石
金刚石分人造和天然两种。做切削刀具的材料大多数是人造金刚石,其硬度极高,可达10000HV（硬质合金仅为1300~1800HV）,其耐磨性是硬质合金的80~120倍；但韧性差,对铁族材料亲和力大。因此,金刚石一般不宜加工黑色金属,主要用于硬质合金、玻璃纤维塑料、硬橡胶、石墨、陶瓷、有色金属等材料的高速精加工。
4.氮化硼（CNB）
这是人工合成的超硬刀具材料,其硬度可达7300~9000HV,仅次于金刚石的硬度。其热稳定性好,可耐1300~1500℃高温,与铁族材料亲和力小；但强度低,焊接性差。目前,CNB主要用于加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料。
刀具材料的选用应对使用性能、工艺性能、价格等因素迸行综合考虑,做到合理选用。例如车削加工45钢自由锻齿轮毛坯时,由于工件表面不规则巨有氧化皮,切削时的冲击力大,选用韧性好的K类（钨钴类）就比P类（钨钴钛类）有利。又如车削较短钢料螺纹时,按理要用P类,但由于车刀在工件切入处要受冲击,容易崩刃,所以一般采用K类比较有利。虽然K类的热硬性不如P类硬质合金,但工件短,散热容易。
2.3.7.5 数控车刀的类型及其选择
1.常用数控车刀的种类和用途
常用数控车刀一般分为尖形车刀、圆弧形车刀和成形车刀三类。
（1）尖形车刀 尖形车刀是以直线形切削刃为特征的车刀。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,例如,90°外圆车刀、左右端面车刀、切断（车槽）车刀以及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀均为尖形车刀。
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加工得到,它与另两类车刀加工时所得到零件轮廓形状的原理是截然不同的。
尖形车刀几何参数（主要是几何角度）的选择方法与普通车削时基本相同,但应全面考虑适合数控加工的特点（如加工路线、加工干涉等）,并应兼顾刀尖本身的强度。
图2-15 圆弧形车刀
（2）圆弧形车刀 圆弧形车刀是以一圆度误差或线轮廓度误差很小的圆弧形切削刃为特征的车刀,如图2-15所示。该车刀圆弧刃上的每一点都是圆弧形车刀的刀尖,因此,刀位点不在圆弧上,而在该圆弧的圆心上。
当某些尖形车刀或成形车刀（如螺纹车刀）的刀尖具有一定的圆弧形状时,也可作为这类车刀使用。
圆弧形车刀可用于车削内外表面,特别适于车削各种光滑连接（凹形）的成形面。选择车刀圆弧半径时,应考虑两点：一是车刀切削刃的圆弧半径应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径,以免发生加工干涉；二是该半径不宜选择太小,否则不但制造困难,还会因刀具强度太弱或刀体散热能力差而导致车刀损坏。
（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、非矩形槽车刀和螺纹车刀等。在数控车削加工中,应尽量少用或不用成形车刀,当确有必要选用时,则应在工艺准备文件或加工程序单上迸行详细说明。图2-16所示为常用车刀的种类、形状和用途。
图2-16 常用车刀的种类、形状和用途
1—切断刀 2—90°左偏刀 3—90°右偏刀 4—弯头车刀 5—直头车刀 6—成形车刀 7—宽刃精车刀 8—外螺纹车刀 9—端面车刀 10—内螺纹车刀 11—内槽车刀 12—通孔车刀 13—不通孔车刀
2.机夹可转位车刀的选用
目前,数控车床上大多使用系列化、标准化刀具,如机夹可转位外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都有国家标准及系列型号。
对所选择的工具,在使用前都需对刀具尺寸迸行严格的测量,以获得精确资料,并由操作者将这些数据输入数控系统,经程序调用而完成加工过程,从而加工出合格的工件。为了减少换刀时间和方便对刀,便于实现机械加工的标准化,数控车削加工时,应尽量采用机夹刀和机夹刀片。数控车床常用的机夹可转位车刀的组成如图2-17所示。
（1）刀片材质的选择 常见的刀片材料有高速工具钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等,其中,应用最多的是硬质合金和涂层硬质合金刀片。选择刀片材料的主要依据是被加工工件的材料、被加工表面的精度、表面质量要求、切削载荷的大小以及切削过程有无冲击和振动等。
（2）刀片尺寸的选择 刀片尺寸的大小取决于必要的有效切削刃长度L。有效切削刃长度与背吃刀量ap和车刀的主偏角Kr有关,使用时可查阅有关刀具手册选取。
可转位刀片的型号及意义如图2-18所示,代码的具体含义可查阅GB/T 2076—2007《切削刀具用可转位刀片型号表示规则》。
图2-17 机夹可转位车刀的组成
图2-18 可转位刀片的型号及意义
（3）刀片形状的选择 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选择。被加工表面形状及其适用的刀片可参考图2-19选取,图中刀片的型号组成见国家标准GB/T 2076—2007《切削刀具用可转位刀片型号表示规则》。
图2-19 被加工表面形状及其适用的刀片
特别需要注意的是,加工凹形轮廓表面时,若主、副偏角选得太小,会导致加工时刀具主后刀面、副后刀面与工件发生干涉,因此,必要时需作图检验。
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