任务二 机夹可转位车刀及其选用
任务导入
世界制造业发达的国家无一例外都是刀具工业先进的国家。先进刀具不但是推动制造技术发展进步的重要动力，还是提高产品质量、降低加工成本的重要手段。刀具与机床一直是相互制约、相互促进的。今天先进的数控机床已经成为现代制造业的主要装备，它与同步发展起来的先进刀具一起，共同推动了加工技术的进步，使制造技术进入了数控加工的新时代。
一、任务布置
本任务以机夹可转位车刀为对象，学习数控车床常用车刀的名称、结构、作用和工艺范围，掌握机夹可转位车刀的基本选用技能、安装技能和试切法对刀技能。
（一）知识目标
（1）熟悉机夹可转位车刀的类型。
（2）了解机夹可转位车刀的结构。
（3）掌握刀片形状、夹紧方式、刀具几何角度、刀片宜切材质的选择原则。
（二）技能目标
（1）会正确选择刀片形状、夹紧方式、刀具几何角度、刀尖圆弧半径、刀片宜切材质。
（2）会正确选择刀具类型。
（3）会正确在刀架上安装刀具。
（4）会正确采用试切法对刀。
二、知识链接
（一）机夹可转位车刀的类型
机夹可转位车刀被广泛应用于数控车削加工中，按其用途，可分为外圆车刀、内孔车刀、切断（槽）刀、螺纹车刀等（见图1-8）；按车削方向，可分为右手车刀、左手车刀、中置车刀等；按切削工艺步骤，又可分为粗车刀、精车刀等。
图1-8 机夹可转位车刀
（二）机夹可转位车刀的结构
如图1-9所示，机夹可转位车刀是将可转位硬质合金刀片用机械的方法夹持在刀杆上形成的车刀，一般由刀片、刀垫、夹紧螺钉和刀体组成。
图1-9 机夹可转位车刀（上压夹紧式）组成
根据夹紧结构的不同，机夹可转位车刀可分为以下几种形式。
1．偏心夹紧式可转位车刀
如图1-10所示，偏心夹紧式结构利用螺钉上端的一个偏心轴将刀片夹紧在刀杆上，该结构依靠偏心夹紧，螺钉自锁，结构简单，操作方便。当偏心量过小时，要求刀片制造的精度高，若偏心量过大时，在切削力冲击作用下刀片易松动，因此偏心夹紧式结构适于连续平稳切削的场合。
图1-10 偏心夹紧式结构
2．杠杆夹紧式可转位车刀
如图1-11所示，杠杆夹紧式结构应用杠杆原理对刀片进行夹紧。当旋动螺钉时，通过杠杆产生夹紧力，从而将刀片定位在刀槽侧面上，旋出螺钉时，刀片松开，半圆筒形弹簧片可保持刀垫位置不动。该结构特点是定位精度高、夹固牢靠、受力合理、使用方便，但制造工艺性较差。
图1-11 杠杆夹紧式结构
3．楔块夹紧式可转位车刀
如图1-12所示，楔块夹紧式结构将刀片内孔定位在刀片槽的销轴上，带有斜面的压块由压紧螺钉下压时，楔块一面靠紧刀杆上的凸台，另一面将刀片推往刀片中间孔的圆柱销上压紧刀片。楔块夹紧式结构的特点是操作简单方便，但定位精度较低，且夹紧力作用方向与切削力方向相反。
图1-12 楔块夹紧式结构
此外，上压夹紧式（见图1-9）、螺钉压孔夹紧式（见图1-13）、螺钉上压复合夹紧式（见图1-14）、刚性夹紧式（见图1-15）、弹性刀片槽夹紧式（见图1-16）也是机夹可转位车刀常见的夹紧结构类型。
图1-13 螺钉压孔夹紧式结构
图1-14 螺钉上压复合夹紧式结构
图1-15 刚性夹紧式结构
图1-16 弹性刀片槽夹紧式结构
不论采用何种夹紧方式，刀片在夹紧时必须满足以下条件：
（1）切削力的合力必须作用在刀片支承面区域内。
（2）刀片定位可靠，符合定位原理。
（3）切削力与装夹力的合力在定位基面（刀片与刀体）上所产生的摩擦力必须大于切削振动等引起的使刀片脱离定位基面的交变力。
三、任务分析
（一）刀片夹紧方式的选择
机夹可转位车刀刀片的各种夹紧方式是为适用不同的应用范围而设计的。为了选择外圆与内孔切削具体工序的最佳刀具，表1-6按照适合性对它们进行分类，分为1～3个等级，其中3级为最佳选择。
表1-6 外圆、内孔车刀刀片夹紧方式的选择
对于切断、切槽刀刀片的夹紧方式，主要有弹性刀片槽夹紧、螺钉夹紧两种形式，其中螺钉夹紧式适合于大部分切槽工序的刀具夹紧选择，而弹性刀片槽夹紧式则主要适合于部分采用刀板式可伸缩切断刀的刀具夹紧选择，如图1-17所示。
图1-17 切断（槽）刀刀片夹紧方式的选择
（二）刀片形状的选择
外圆、内孔加工常用的可转位车刀片的形状有三角形、正方形、菱形和圆形等（见图1-18），由硬质合金厂压模成形，使刀片具有供切削时选用的几何参数。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。
图1-18 可转位车刀片的形状
刀片的形状是根据被加工工件的形状和尺寸来决定的。刀尖角（主切削刃与副切削刃之间的夹角）越大，刀片的强度越大，也越有利于传导切削热，但会增加切削的法向力。一般地，在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选择刀尖角较大的刀片，反之则可选择刀尖角较小的刀片。刀片形状与刀片强度的关系如图1-19所示。
图1-19 刀片形状与刀片强度的关系
常规外圆和内孔切削中，可参考表1-7选择刀片形状。
表1-7 外圆、内孔车刀刀片形状的选择
（三）刀具几何角度的选择
1．前角的选择
前角对切削力、切屑排出、刀具耐用度等影响都很大。前角增大，切削刃变得锋利，但刀刃强度下降。前角减小，切削力则会增大。经验认为，前角每增加1°，切削功率随之减小1%。
若同为负刃倾角的外圆车刀切削塑性材料，刀片前角对切屑流向的影响如图1-20所示。可见，正型前角刀片使切屑更易带离工件表面，不易刮伤零件已加工表面。
图1-20 刀片前角类型与切屑流向的关系
前角大小选择遵循以下基本原则：
（1）工件材料的强度和硬度越大，产生的切削力越大，切削热越多。为使刀具有足够的强度和散热体积，防止崩刃和磨损，应采用小前角；反之，前角应选大些。
（2）切削塑性材料时，为减小切削变形，降低切削温度，应选用大的前角。
（3）切削脆性材料时，为保证刀具有足够的强度，防止崩刃，应选用较小的前角。
（4）刀具材料的抗弯强度和冲击韧性较低时，应选用较小的前角。如陶瓷刀片、金刚石刀片的合理前角应选得比硬质合金刀片更小些。
（5）粗加工时，特别是断续切削，不仅切削力大，切削热多，且承受冲击载荷，为保证刀具有足够的强度和散热体积，应选用较小的前角。精加工时，对切削刃强度要求较低，为使切削刃锋利，减小切削变形和获得较高的表面质量，前角应取得较大些。
（6）工艺系统刚性差和机床功率较小时，宜选用较大的前角，以减小切削力和振动。
一般地，对于内轮廓加工、小型机床加工、软质材料或易切削材料、工艺系统刚性较差和工件结构形状较复杂等工况，应优先选择正型前角刀片。而对于外圆加工、金属切除率高、断续切削、切削含黑皮表面层等加工条件较差的工况，应优先选择负型前角刀片。常规外圆和内孔切削中，可参考表1-8选择刀片前角的正负类型，其中“··”为推荐方案，“·”为可选方案。
表1-8 外圆、内孔车刀刀片前角类型的选择
2．后角的选择
后角的功用是减小刀具的后刀面或副后刀面与工件之间的摩擦。后角的大小与后刀面磨损量有直接关系，如图1-21所示，在相同切削条件下，后角小的刀具，后刀面磨损量大。但后角不宜过大，过大的后角会减弱切削刃强度，并恶化散热条件，反而使刀具寿命下降。
图1-21 后角大小与后刀面磨损量的关系
后角的选择，一般需遵循以下原则：
（1）精加工时，切削厚度薄，磨损主要发生在后刀面，取较大后角；粗加工时，切削厚度大，负荷重，前、后刀面均发生磨损，取较小后角。
（2）被加工工件刚性差（如细长轴或薄壁工件）时，应取较小后角，以增大后刀面与工件的接触面积，减少或消除振动。
（3）工件材料较软、黏，加工硬化倾向大，弹性模量小时，后刀面摩擦严重，则取较大后角；工件材料硬度高、强度高，为保证刃口强度，取较小后角；对加工硬材料的负前角刀具，后角应稍微大些，以便刀刃易于切入工件；加工脆性材料，负荷集中在刃口处，取较小后角。
（4）对进给运动速度较大的硬质合金刀片（如螺纹车刀），后角的选择应充分考虑到工作后角与标准后角之间的差异。
3．主偏角的选择
主偏角主要影响刀具强度、耐用度和工艺系统加工稳定性。如图1-22所示，当主偏角K r=90°时，切削力作用于轴向；当主偏角K r≠90°时，切削力产生径向Fa和轴向Ff两个分力，所以，主偏角的选择要考虑以下基本原则：
图1-22 主偏角大小与切削力的关系
（1）在工艺系统刚性不足时，取较大主偏角，以减小径向切削分力。
（2）在加工高强度、高硬度材料时，取较小主偏角以提高刀片的耐用度。
当然，选择主偏角也应该考虑工件的形状，如加工台阶轴类的工件，车刀主偏角应选择等于或大于90°，以确保90°台阶的加工。
4．刃倾角的选择
刃倾角的大小影响切削刃强度，改变切屑流出的方向。刃倾角为负时，切削刃强度增大，但切削力也增加，易产生振动。负刃倾角使切屑流向工件已加工表面，而正刃倾角使切屑流向工件待加工表面。刃倾角的选择遵循以下主要原则：
（1）精加工时刃倾角一般取正值，而粗加工时刃倾角取负值。
（2）断续切削时刃倾角应取负值。
（3）工艺系统刚性好时刃倾角可取较大负值。
（四）刀尖圆弧半径的选择
无论怎么尖锐的机夹可转位刀片，其主切削刃与副切削刃交点处经若干倍放大，都可以找到一个过渡圆弧，这个过渡圆弧就是刀尖圆弧。
如图1-23所示，相同切削条件下，刀尖圆弧半径大，工件表面粗糙度下降。刀尖圆弧半径大，使刀刃强度增加，刀具前、后刀面磨损减小，但刀尖圆弧半径过大，会导致切削力增加，易产生切削振动。
图1-23 刀尖圆弧半径与表面粗糙度的关系
刀尖圆弧半径一般适宜值应选取进给量的2～3倍。对切深小的精加工、细长轴加工、机床刚性差的场合宜选择较小的刀尖圆弧半径；而要求刀刃强度高的硬化黑皮切削、断续切削、大直径工件的粗加工、机床刚性好的场合宜选择较大的刀尖圆弧半径。
（五）刀片宜切材质
在数控加工中，切削速度远高于普通加工，为适应因高速而带来的高切削温度及严重摩擦，保证刀具磨损不至于过于迅速，数控车削刀具材质以硬质合金为主。随着涂层材料及涂层技术的迅猛发展，为数控刀具的性能提高提供了良好的条件，机夹可转位刀片越来越多地采用涂层硬质合金。此外，金属复合陶瓷、立方氮化硼（CBN）、人造金刚石等特硬材料也成为机夹可转位刀片的主流材质。
根据ISO国际标准分类，各种牌号的刀片按适宜加工零件的材料分成用颜色标识的六大类，分别用P、M、K、N、S、H表示，如表1-9所示。
表1-9 刀片适宜加工材质分类
四、技能实训
（一）实训准备
（1）轴类、套类零件实物若干。
（2）相关品牌刀具样本书籍若干。
（3）与机床等数量的配套装刀扳手。
（4）机夹可转位车刀、垫刀片若干。
（5）相应数量的∅30mm×50mm毛坯、游标卡尺（或25～50外径千分尺）等。
（二）刀具选择
根据教学现场提供的轴类、套类零件实物，查阅相关品牌刀具样本书籍，选择不同轮廓要素的适用刀具。考虑回转刀架的刀具安装尺寸、工件材料、加工类型、加工要求及加工条件等因素，其步骤大致如下：
（1）根据工件材料和加工内容（外圆、内孔或螺纹等）确定刀具的类型。
（2）根据粗、精加工要求和加工条件确定刀片的牌号和几何槽形。
（3）根据刀架尺寸、刀片类型和尺寸选择刀杆。
（三）刀具安装
刀架主要用来夹持刀具，按位置形式不同分为前置式和后置式，前置式刀架安装在工件与操作者之间，后置式刀架安装在工件和操作者之外。按可装夹刀具数量分为四工位、六工位等刀架形式，如图1-24所示。
图1-24 刀架
选择好合适的刀片和刀杆后，首先将刀片安装在刀杆上，再将刀杆依次安装到车床刀架上（见图1-25），安装过程中应注意以下几点：
图1-25 车刀的安装
（1）安装前保证刀杆及刀片定位面清洁、无损伤。
（2）确保刀片在刀杆上已正确落位，再将其紧固。
（3）车刀刀尖应等高于主轴轴线，若车刀安装时刀尖低于主轴的回转中心，则需加垫刀片使其等高。
（4）将刀杆安装在刀架上时，应保证刀杆方向正确。
（5）刀杆的伸出长度应适当，对于加工外表面的刀具伸出长度应小于刀杆高度的2倍，加工内表面的刀具伸出长度应超出工件加工长度3～5mm。
（6）车刀安装后，刀位号已确定，各车刀对刀、编程时应与刀位号相一致。
（7）装刀过程中，使用装刀扳手拧紧安装螺钉时，拧紧力要适当。过大的拧紧力会导致刀架支撑面变形。
（四）试切法对刀
加工一个零件往往需要几把不同的刀具，它们在转至切削方位时，其刀尖所处的位置并不相同。而系统要求在加工一个零件时，无论使用哪把刀具，其刀尖位置在切削前应处于同一点，否则，零件加工程序很难编制。为使零件加工程序不受刀具安装位置影响，必须在加工程序执行前调整每把刀具用于编程的刀位点（如外圆车刀假想刀尖点等），使其尽量重合于刀具上的某一理想基准点，这一过程称为对刀。
1．对刀点设置原则
在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则是：
（1）便于数值处理和简化程序编制。
（2）易于找正并在加工过程中便于检查。
（3）引起的加工误差小。
对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基准上。例如，以外圆或孔定位零件，可以取外圆或孔的中心与端面的交点作为对刀点。
实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即“刀位点”与“对刀点”的重合。“刀位点”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心。采用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。
2．试切法对刀
采用试切法对刀，先将工件在卡盘上装夹好，用手动方法操作机床，一般步骤如下：
（1）回参考点操作，建立机床坐标系。
（2）试切对刀。先用已选好的刀具将工件外圆表面车一刀，保持X向尺寸不变，Z向退刀，如图1-26所示，而后停止主轴测量试车后的工件外圆直径D，将此值输入刀具偏置画面下的相应参数中。再将工件端面车一刀，保持Z向尺寸不变，X向退刀，将刀具偏置画面下的相应参数设为“0”，此时，系统经自动运算后，编程坐标系原点被设置在工件右端面中心处。当然，输入的数值不一定为“0”，也可以是其他有利于基准统一和减少编程计算工作量的数值，这时候的编程原点在哪个位置，完全由操作者输入的数值决定。
图1-26 试切法对刀
上述步骤完成了一把车刀的对刀工作，其他在加工过程中使用的刀具也要按照上述步骤一一对刀，所不同的在于第二次对刀的时候不用再进行切削，只需以第一次切削过后的已加工表面为基准进行对刀即可。系统对于每把刀的位置差，于建立工件坐标系的过程中自动计算。
五、任务评价
根据技能实训情况，客观进行质量评价，评价表如表1-10所示。各项目配分分别为10分，按“好”计100%、“较好”计80%、“一般”计60%、“差”计40%的比例计算得分。
表1-10 刀具选择与安装练习任务评价
六、知识拓展
数控车刀安装过程中的调试、测量等环节不可避免地存在偏差，导致对刀后的刀具产生了一定程度的对刀误差，限制了车削加工精度的提高。如刀具刀尖点与主轴轴线不等高，就存在以下问题：
（1）对不平行于零件轴线的斜线来说，在直径方向的进给量随轴向位置不同而不同，加工误差也随轴向位置不同而不同，此时加工误差对斜线形状有影响。具体来说，若斜线段的最大直径小于对刀直径，其零件的实际加工形状呈内凹形，且实际形状尺寸大于理想形状尺寸，如图1-27（a）所示；反之，其零件的实际加工形状呈外凸形，且实际形状尺寸小于理想形状尺寸，容易出现废品，如图1-27（b）所示；若对刀直径处于斜线段的最大值与最小值之间，此时实际加工形状是凸凹叠加的复合形状，也容易出现废品，如图1-27（c）所示。
图1-27 刀尖与主轴轴线不等高对加工斜线的影响
（2）对于圆弧，其各点到零件轴线的距离不一，加工误差不一。现以圆弧最大直径小于对刀直径探讨对刀高度误差对圆弧形状的影响，距轴线最远的点其进给量最小，加工误差最小，而距轴线最近的点其进给量最大，加工误差最大，致使圆弧的实际加工形状有扁平变化趋势，如图1-28所示。同理可知，若圆弧最小直径大于对刀直径，则有中凸变化趋势。
图1-28 刀尖与主轴轴线不等高对加工圆弧的影响
对刀高度误差会引起零件加工误差，且加工误差随对刀高度误差增大而增大。对刀高度误差一定时，加工误差随对刀直径的增大而减少，随进给量的增大而增大。