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
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
指基本上能维持刀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、有色金属等
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，又可加工铸铁和有色金屑，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
切削黑色金屑。目前人造金刚石主要用于磨料，磨削硬质合金：也可用于有色金屑及其合金的高速精细车
削和镗削。
刀具表面上有多排刀齿，各排刀齿的尺寸和形状从切入端至切出端顺次增加和变化。当拉刀作拉削运动时，每一个刀齿就从工件上切下1定厚度的金属，终究得到所要求的尺寸和形状。键槽拉刀表示，拉刀经常使用于成批和大量生产中加工圆孔、花键孔、键槽、平面和成形表面等，生产率很高本文以曲轴加工为例，介绍用于加工外回转表面的硬质合金可转位拉刀的工作原理、设计特点和拉刀角度的设计要点。
1、拉刀的工作原理
采取拉削方式加工回转体外表面时，拉刀工作原理加工时，工件固定在夹具上随主轴1起高速旋转，拉刀沿工件圆周切线方向作直线进给运动。拉刀的每一个刀齿都可看做1把切向成形车刀。键槽拉刀称由于拉刀各刀齿的切削刃与拉刀支持平面的距离各不相同，当各刀齿顺次切入工件时，从切削刃到工件轴线的最小距离也逐齿变化，从而决定了各刀齿切除金属层的厚度。拉刀可在1次工作行程中完成粗、半精和精加工，且每加工阶段可安排不同的加工余量。由于工件的径向尺寸由刀具安装位置决定，与进给运动的时间无关，因此加工精度易于保证。
2、拉刀的设计特点
加工具有复杂廓形的外表面时，通常将拉刀设计为组合式，行将若干把拉刀安装在1个刀体上，使其分别加工同1零件的各部份表面。组合拉刀中的各把拉刀既可同时工作也可顺次工作。设计组合拉刀时，首先需将待加工表面廓形划分成若干简单的单元。为使加工每单元的拉刀设计最简化，同时又能提高拉削效力和缩短拉刀长度，在廓形分段及拉刀配置时应斟酌尽量让几把拉刀同时参与工作，但这样常常会造成拉刀结构过于复杂、拉刀及其紧固件布置困难、拉床过载、零件加工时变形过大、排屑困难等问题，因此在多数情况下采取同时加工与顺次加工相结合的方式来安排拉刀位置，公道拉削复杂表面。
3、拉刀角度的设计要点
在切削进程中，切削刃上任意点的工作前角和后角都在不断变化。现在讨论切削刃在直线段AB上的任意位置C点时(C点位置可用半径Ri=OC和角度h来表示)垂直于工件轴线的剖面。在设计组合拉刀时，其结构应能实现拉刀高度可调，以保证在加工复杂零件廓形时能取得所需加工精度。
键槽拉刀称采取硬质合金可转位刀片的拉刀可大大提高拉削效力和刀具使用寿命。在长刀座6上顺次布置了若干刀槽，为满足齿升量的不同要求，各刀槽的底面高度尺寸各不相同。加工时，切削平面与工件的回转轴线相互平行。由于可转位刀片的刃长较窄，而需加工的轴颈较宽，因此需将多个可转位刀片沿轴颈轴线方向并排布置，以到达轴颈宽度，两相邻刀片应在相交处的左右各堆叠1部份，以保证加工后不留刀痕。
拉刀高度的调剂通常在装配新拉刀时进行，通过用厚度1致的垫片垫入刀座与进给滑台之间或采取可沿拉刀长度方向移动的专用调剂楔铁都可实现拉刀高度调剂。调剂楔铁的斜角为1°30′～2°，其长度应比拉刀总长大1个最大调理行程，其宽度等于拉刀底面宽度，楔铁上的紧固螺钉孔应做成长条形，其长度应大于楔铁的行程长度。
