数控车床常用刀具及选择
  1．数控刀具的结构 数控车床刀具种类繁多，功能互不相同。根据不同的加工条件正确选择刀具是编制程序的重要环节，因此必须对车刀的种类及特点有一个基本的了解。在数控车床上使用的刀具有外圆车刀、钻头、镗刀、切断刀、螺纹加工刀具等，其中以外圆车刀、镗刀、钻头最为常用。
    数控车床使用的车刀、镗刀、切断刀、螺纹加工刀具均有整体式和机夹式之分，除经济型数控车床外，目前已广泛使用可转位机夹式车刀。
    (1) 数控车床可转位刀具特点
    数控车床所采用的可转位车刀，其几何参数是通过刀片结构形状和刀体上刀片槽座的方位安装组合形成的，与通用车床相比一般无本质的区别，其基本结构、功能特点是相同的。但数控车床的加工工序是自动完成的，因此对可转位车刀的要求又有别于通用车床所使用的刀具，具体要求和特点如下表所示。
    表2-2 可转位车刀特点
车刀种类
要求
特  点
目    的
精度高
采用M级或更高精度等级的刀片；
多采用精密级的刀杆；
用带微调装置的刀杆在机外预调好。
保证刀片重复定位精度，方便坐标设定，保证刀尖位置精度。
可靠性高
采用断屑可靠性高的断屑槽型或有断屑台和断屑器的车刀；
采用结构可靠的车刀，采用复合式夹紧结构和夹紧可靠的其它结构。
断屑稳定，不能有紊乱和带状切屑；适应刀架快速移动和换位以及整个自动切削过程中夹紧不得有松动的要求。
换刀迅速
采用车削工具系统；
采用快换小刀夹。
迅速更换不同形式的切削部件，完成多种切削加工，提高生产效率。
刀片材料
刀片较多采用涂层刀片。
满足生产节拍要求，提高加工效率。
刀杆截形
刀杆较多采用正方形刀杆，但因刀架系统结构差异大，有的需采用专用刀杆。
刀杆与刀架系统匹配。
    (2) 可转位车刀的种类 可转位车刀按其用途可分为外圆车刀、仿形车刀、端面车刀、内圆车刀、切槽车刀、切断车刀和螺纹车刀等，见表2-3。
    表2-3 可转位车刀的种类
类型
主偏角
适用机床
外圆车刀
900、500、600、750、450
普通车床和数控车床
仿形车刀
930、107.50
仿形车床和数控车床
端面车刀
900、450、750
普通车床和数控车床
内圆车刀
450、600、750、900、910、930、950、107.50
普通车床和数控车床
切断车刀
 
普通车床和数控车床
螺纹车刀
 
普通车床和数控车床
切槽车刀
 
普通车床和数控车床
    (3) 可转位车刀的结构形式
    ①杠杆式：
    结构见图2-16，由杠杆、螺钉、刀垫、刀垫销、刀片所组成。这种方式依靠螺钉旋紧压靠杠杆，由杠杆的力压紧刀片达到夹固的目的。其特点适合各种正、负前角的刀片，有效的前角范围为-60°～+180°；切屑可无阻碍地流过，切削热不影响螺孔和杠杆；两面槽壁给刀片有力的支撑，并确保转位精度。
    ②楔块式：
    其结构见图2-17，由紧定螺钉、刀垫、销、楔块、刀片所组成。这种方式依靠销与楔块的挤压力将刀片紧固。其特点适合各种负前角刀片，有效前角的变化范围为-60～+180。两面无槽壁，便于仿形切削或倒转操作时留有间隙。
    ③楔块夹紧式：
    其结构见图2-18，由紧定螺钉、刀垫、销、压紧楔块、刀片所组成。这种方式依靠销与楔块的压下力将刀片夹紧。其特点同楔块式，但切屑流畅不如楔块式。
    此外还有螺栓上压式、压孔式、上压式等形式。
 2、刀片材料
    刀具材料切削性能的优劣直接影响切削加工的生产率和加工表面的质量。刀具新材料的出现，往往能大大提高生产率，成为解决某些难加工材料的加工关键，并促使机床的发展与更新。
  （1）对刀具切削部分材料的要求
    金属切削过程中，刀具切削部分受到高压、高温和剧烈的摩擦作用；当切削加工余量不均匀或切削断续表面时，刀具还受到冲击。为使刀具能胜任切削工作，刀具切削部分材料应具备以下切削性能：
    ① 高硬度和耐磨性
    刀具要从工件上切下切屑，其硬度必须大于工件的硬度。在室温下，刀具的硬度应在60HRC以上。刀具材料的硬度愈高，其耐磨性愈好。
    ② 足够的强度与韧性
    为使刀具能够承受切削过程中的压力和冲击，刀具材料必须具有足够的强度与韧性。
    ③ 高的耐热性与化学稳定性
    耐热性是指刀具材料在高温条件下仍能保持其切削性能的能力。耐热性以耐热温度表示。耐热温度是指基本上能维具切削性能所允许的最高温度。耐热性愈好，刀具材料允许的切削温度愈高。
化学稳定性是指刀具材料在高温条件下不易与工件材料和周围介质发生化学反应的能力，包括抗氧化和抗粘结能力。化学稳定性愈高，刀具磨损愈慢。耐热性和化学稳定性是衡量刀具切削性能的主要指标。
刀具材料除应具有优良的切削性能外，还应具有良好的工艺性和经济性。它们包括：工具钢淬火变形要小，脱碳层要浅和淬硬性要好；高硬材料磨削性能要好；热轧成形的刀具高温塑性要好；需焊接的刀具材料焊接性能要好；所用刀具材料应尽可能是我国资源丰富、价格低廉的。
  （2）常用刀具材料
    常用刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷材料和超硬材料四类。
    ① 高速钢
    高速钢是一种含钨、钼、铬、钒等合金元素较多的合金工具钢，其碳的质量分数在l％左右。高速钢热处理后硬度为62—65HRC，耐热温度为550～600°C，抗弯强度约为3500MPa，冲击韧度约为每平方米0.3MJ。高速钢的强度与韧性好，能承受冲击，又易于
刃磨，是目前制造钻头、铣刀、拉刀、螺纹刀具和齿轮刀具等复杂形状刀具的主要材料。高速钢刀具受耐热温度的限制，不能用于高速切削。
    ② 硬质合金
    硬质合金是由高硬度、高熔点的碳化钨(WC)，碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、碳化铌(NbC)粉末用钻(Co)粘结后压制、烧结而成。它的常温硬度为88～93HRA，耐热温度为800～1000℃，比高速钢硬、耐磨、耐热得多。因此，硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具大5～10倍。但它的抗弯强度只有高速钢的l／2～1／4，冲击韧度仅为高速钢的几十分之—。硬质合金性脆，怕冲击和振动。
由于硬质合金刀具可以大大提高生产率，所以不仅绝大多数车刀、刨刀、面铣刀等采用了硬质合金，而且相当数量的钻头、铰刀、其他铣刀也采用了硬质合金。现在，就连复杂的拉刀、螺纹刀具和齿轮刀具，也逐渐用硬质合金制造了。
我国目前常用的硬质合金有三类：
    钨钻类硬质合金 由WC和Co组成，代号为YG，接近于ISO的K类，主要用于加工铸铁、
有金属等脆性材料和非金属材料。常用牌号有YG3、YG6和YG8。数字表示含Co的百分比，其余为含WC的百分比。硬质合金中Co起粘结作用，含Co愈多的硬质合金韧性愈好，所以YG8适于粗加工和断续切削，YG6适于半精加工，YG3适于精加工和连续切削。
    钨钛钴类硬质合金由WC、TiC和Co组成，代号为YT，接近于ISO的P类。由于TiC比WC还要硬，耐磨、耐热，但是还要脆，所以YT类比YG类硬度和耐热温度更高。不过更不耐冲击和振动。因为加工钢时塑性变形很大，切屑与刀具摩擦很剧烈，切削温度很高；但是切屑呈带状，切削较平稳，所以YT类硬质合金适于加工钢料。钨钛钻类硬质合金常用牌号有YT30、YTl5和YT5。数字表示含TiC的百分比。所以YT30适于对钢料的精加工和连续切削，YTl5适于半精加工，YT5适于粗加工和断续切削。
    钨钛钽(铌)类硬质合金 由YT类中加入少量的TaC或NbC组成，代号为YW，接近于ISO的M类．YW类硬质合金的硬度、耐磨性、耐热温度、抗弯强度和冲击韧度均比YT类高一些，其后两项指标与YG类相仿。因此，YW类既可加工钢，又可加工铸铁和有金屑，称为通用硬质合金。常用牌号有YWl和YW2，前者用于半精加工和精加工，后者用于粗加工和半精加工。
现在硬质合金刀具上，常采用TiC C、TiN、等高硬材料的涂层。涂层硬质合金刀具的寿命比不涂层的提高2～10倍。
    ③ 陶瓷材料
陶瓷材料的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性均忧于硬质合金，但比硬质合金更脆，目前主要用于精加工。现用的陶瓷刀具材料有氧化铝陶瓷、金属陶瓷、氮化硅陶瓷(Si3N4)和Si3N4—复合陶瓷四种。20世纪80年代以来，陶瓷刀具迅速发展，金属陶瓷、氮化硅陶瓷和复合陶瓷的抗弯强度和冲击韧度已接近硬质合金，可用于半精加工以及加切削液的粗加工。
    ④ 超硬材料
人造金刚石是在高温高压下，借金属的触媒作用，由石墨转化而成。人造金刚石用于制造金刚石砂轮以及经聚晶后制成以硬质合金为基体的复合人造金刚石刀片作刀具使用。金刚石是自然界最硬的材料，有极高的耐磨性，刃口锋利，能切下极薄的切屑；但极脆，与铁系金属有很强的亲合力，不能用于粗加工，不能切削黑金屑。目前人造金刚石主要用于磨料，磨削硬质合金：也可用于有金屑及其合金的高速精细车削和镗削。
    立方氮化硼(CBN) 是在高温高压下，由六方晶体氮化硼(又称白石墨)转化为立方晶体而成。立方氮化硼具有仅次于金刚石的极高的硬度和耐磨性，耐热温度高达1400～1500°C，与铁系金属在1200～1300°C时还不起化学反应。但在高温时与水易起化学反应，所以一般用于干切削。立方氮化硼适于精加工淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料。