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单元4数控车削刀具选用任务4.1数控车削刀具及选用任务4.2数控可转位车刀及刀具系统单元4数控车削刀具选用由机床、刀具和工件组成的切削加工工艺系统中，刀具是一个活跃的因素。切削加工生产率和刀具寿命的长短、加工成本的高低、加工精度和加工表面质量的优劣等，在很大程度上取决于刀具类型、刀具材料、刀具结构及其他因素的合理选择。返回任务4.1数控车削刀具及选用【学习目标】通过本任务学习，达到以下学习目标:熟悉数控加工对刀具的要求;熟悉刀具几何参数对刀具性能的影响及选用;熟悉各种刀具材料的性能特点及选用;初步具备根据车削加工情况合理选用刀具的能力【基本知识】4.1.1了解数控刀具要求为了适应数控加工高速、高效和高自动化程度等特点，数控加工刀具应比传统加工用刀具有更高的要求。数控加工刀具应满足如下要求。下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用1.刀具材料应具有高的可靠性数控加工刀具材料应具有高的耐热性、抗热冲击性和高温力学性能;随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多地被采用，数控加工刀具应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。2.数控刀具应具有高的精度数控加工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，对刀片的尺寸公差、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。3.数控刀具应能实现快速更换数控刀具应能适应快速、准确的自动装卸，要求刀具互换性好、更换迅速、尺寸调整方便、安装可靠、换刀时间短。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用4.数控刀具应系列化、标准化和通用化数控刀具实现系列化、标准化和通用化，可尽量减少刀具规格，便于刀具管理，降低加工成本，提高生产效率。5.为了保证生产稳定进行，数控刀具应能可靠地断屑或卷屑4.1.2认识车削刀具类型及选用1.针对不同加工结构的车刀类型车床主要用于回转表面的加工，如内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等的切削加工。车刀针对不同的加工结构和加工方法，设计成不同的刀具类型。车刀按用途分为外圆车刀、端面车刀、内孔车刀、切断刀、切槽刀等多种形式。常用车削刀具种类及用途参见图4-1-1所示。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用2.整体车刀、焊接车刀、机夹车刀从车刀的刀体与刀片的连接情况看，可分为整体车刀、焊接车刀和机械夹固式车刀，如图4-1-2所示。整体车刀主要是整体高速钢车刀，截面为正方形或矩形，使用时可根据不同用途进行刃磨。整体车刀耗用刀具材料较多，一般只用作切槽、切断刀使用。焊接车刀是将硬质合金刀片用焊接的方法固定在普通碳钢刀体上。它的优点是结构简单、紧凑、刚性好、使用灵活、制造方便，缺点是由于焊接产生的应力会降低硬质合金刀片的使用性能，有的甚至会产生裂纹。机械夹固车刀简称机夹车刀，根据使用情况不同又分为机夹重磨车刀和机夹可转位车刀。可转位车刀的刀片夹固机构应满足夹紧可靠、装卸方便、定位精确等要求。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用3.尖形车刀、圆弧形车刀和成形车刀数控车削时，从刀具移动轨迹与形成轮廓的关系看，常把车刀分为三类，即尖形车刀、圆弧形车刀和成形车刀。(1)尖形车刀以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。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:刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀，左、右端面车刀，切断(车槽)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得到。如图4-1-3(a)所示，尖形车刀刀尖作为刀位点，刀尖移动形成零件的曲面轮廓。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用(2)圆弧形车刀圆弧形车刀是较为特殊的数控加工用车刀，如图4-1-4所示。其特征是:构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或轮廓度误差很小的圆弧;该圆弧刃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。圆弧形车刀特别适宜于车削各种光滑连接(凹形)的成形面。对于某些精度要求较高的凹曲面车削或大外圆弧面的批量车削，以及尖形车刀所不能完成加工的过象限的圆弧面，宜选用圆弧形车刀进行，圆弧形车刀具有宽刃切削(修光)性质，能使精车余量保持均匀而改善切削性能，还能一刀车出跨多个象限的圆弧面。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用如图4-1-3(b)所示，圆弧形车刀圆心作为刀位点，刀位点轨迹与零件的曲面轮廓相距一个圆弧刃半径。(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(圆弧半径等于加工轮廓的圆角半径)、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。在数控加工中选用成形车刀时，应在工艺准备的文件或加工程序单上进行详细的规格说明。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用4.1.3熟悉刀具基本几何参数及选用1.车刀的几何形状金属切削加工所用的刀具种类繁多、形状各异，但是它们参加切削的部分在几何特征上都有相同之处。外圆车刀的切削部分可作为其他各类刀具切削部分的基本形态，其他各类刀具就其切削部分而言，都可以看成是外圆车刀切削部分的演变。因此，通常以外圆车刀切削部分为例来确定刀具几何参数的有关定义。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用外圆车刀切削部分包括:①前刀面:刀具上切屑流过的表面。②后刀面:刀具上与工件过渡表面相对的表面。③副后刀面:刀具上与工件已加工表面相对的表面。④主切削刃:前刀面与后刀面相交而得到的刃边(或棱边)，用于切出工件上的过渡表面，完成主要的金属切除工作。⑤副切削刃:前刀面与副后刀面相交而得到的刃边，它配合主切削刃完成切削工作，最终形成工件已加工表面。外圆车刀切削部分的名称和刀具几何角度如图4-1-5所示。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用2.正交平面参考系刀具切削部分的几何角度是在刀具静止参考系定义的(即刀具设计、制造、刃磨和测量时几何参数的参考系)。下面介绍刀具静止参考系中常用的正交平面参考系。正交平面参考系如图4-1-6所示。(1)基面通过切削刃选定点垂直于主运动方向的平面。对车刀，其基面平行于刀具的底面。(2)切削平面通过切削刃选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。(3)正交平面通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用3.车刀主要几何参数规定选择刀具切削部分的合理几何参数，就是指在保证加工质量的前提下，能满足提高生产率和降低生产成本的几何参数。合理选择刀具几何参数是保证加工质量、提高效率、降低成本的有效途径。表4-1-1为几个主要角度的定义和作用。4.前角、后角的选用前角增大，使刃口锋利，利于切下切屑，能减少切削变形和摩擦，降低切削力、切削温度，减少刀具磨损，改善加工质量等。但前角过大，会导致刀具强度降低、散热体积减小、刀具耐用度下降，容易造成崩刃。减小前角，可提高刀具强度，增大切屑变形，且易断屑。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用前角值不能太小也不能太大，应有一个合理的参数值。选择前角可从表4-1-2列出的几个方面考虑。后角的主要功用是减小刀具后面与工件的摩擦，减轻刀具磨损。后角减小使刀具后面与工件表面间的摩擦加剧，刀具磨损加大，工件冷硬程度增加，加工表面质量差。后角增大使摩擦减小，刀具磨损减少，提高了刃口锋利程度。但后角过大会减小刀刃强度和散热能力。粗加工时以确保刀具强度为主，后角可取较小值;当工艺系统刚性差，易产生振动时，为增强刀具对振动的阻尼作用，宜选用较小的后角。精加工时以保证加工表面质量为主，后角可取较大值。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用5.主偏角、副偏角选用调整主偏角可改变总切削力的作用方向，适应系统刚度。如增大主偏角，使背向力(总切削力吃刀方向上的切削分力)减小，可减小振动和加工变形。主偏角减小，刀尖角增大，刀具强度提高，散热性能变好，刀具耐用度提高。还可降低已加工表面残留面积的高度，提高表面质量。副偏角的功用主要是减小副切削刃和已加工表面的摩擦。使主、副偏角减小，同时刀尖角增大，可以显著减小残留面积高度，降低表面粗糙度值，使散热条件好转，从而提高刀具耐用度。但副偏角过小，会增加副后刀面与工件之间的摩擦，并使径向力增大，易引起振动。同时还应考虑主、副切削刃干涉轮廓的问题。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用6.刃倾角选用刃倾角表示刀刃相对基面的倾斜程度，刃倾角主要影响切屑流向和刀尖强度。切削刃刀尖端倾斜向上，刃倾角为正值，切削开始时刀尖与工件先接触，切屑流向待加工表面，可避免缠绕和划伤已加工表面，对精加工和半精加工有利。切削刃刀尖端倾斜向下，刃倾角为负值，切削开始时刀尖后接触工件，切屑流向已加工表面;在粗加工开始，尤其是断续切削时，可避免刀尖受冲击，起保护刀尖的作用，并可改善刀具散热条件。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用4.1.4熟悉刀具材料选择1.刀具材料应具备的基本性能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，刀具材料应具备如下一些基本性能。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，防止刀具脆性断裂和崩刃。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用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，而且要追求高的性能价格比。2.各种刀具材料性能特点及应用(1)金刚石刀具材料性能特点及应用金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其他刀具都低，具有很高的导热性能和较低的热膨胀系数，切削刃可以磨得非常锋利，能进行超薄切削和超精密加工。多用于在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削及撞孔。金刚石刀具的不足之处是热稳定性较差，切削温度超过700~800℃时，就会完全失去其硬度;此外，它不适于切削黑色金属，因为金刚石(碳)在高温下容易与铁原子作用，使碳原子转化为石墨结构，刀具极易损坏。(2)立方氮化硼刀具材料性能特点及应用用与金刚石制造方法相似的方法合成的第二种超硬材料—立方氮化硼(CBN)，在硬度和热导率方面仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至1000℃也不发生氧化。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用CBN的突出优点是热稳定性比金刚石高得多，可达1200℃以上(金刚石为700~8000C，另一个突出优点是化学惰性大，与铁元素在1200~1300℃下也不起化学反应。CBN对于黑色金属具有极为稳定的化学性能，可以广泛用于钢铁制品的加工。适于用来精加工各种悴火钢、硬铸铁、高温合金、硬质合金、表面喷涂材料等难切削材料。立方氮化硼刀具材料韧性和抗弯强度较差。因此，立方氮化硼车刀不宜用于低速、冲击载荷大的粗加工;同时不适合切削塑性大的材料(如铝合金、铜合金、镍基合金、塑性大的钢等)，因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤，而使加工表面恶化。上一页下一页返回任务4.1数控车削刀具及选用(3)陶瓷刀具材料性能特点及应用陶瓷刀具材料使用的主要原料是地壳中最丰富的元素，因此，陶瓷刀具的推广应用对提高生产率、降低加工成本、节省战略性贵重金属具有十分重要的意义，也将极大促进切削技术的进步。陶瓷刀具已成为高速切削及难加工材料加工的主要刀具之一。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工上一