一、能力目标
1．知识要求
（1）掌握数控车削常用刀具的种类。
（2）掌握数控车削常用刀具的使用场合。
（3）掌握数控车床常用工装的种类及结构。
（4）掌握数控车床常用夹具的夹紧原理。
2．技能要求
（1）能根据不同车削工艺要求合理选用车刀。
（2）能合理选用数控车床夹具。
二、任务说明
1．教学媒体
多媒体教学设备、网络、数控实训基地的机床。
2．教学说明
教师应提供数控车床常用车刀及工装的实物，展示给学生。同时，通过图片、视频展示更多的工装。在观看这些视频的过程中，逐一解释相关的设备构成和适用条件，在此基础上，完成车刀及工装的介绍。
3．学习说明
通过实物、图片及视频的观看以及教师的讲解认识车刀及工装，同时掌握刀具的使用和工装的选择。
三、相关知识
（一）数控车削常用刀具
1．车刀的分类和选用
由于工件的材料、生产批量、加工精度以及机床类型、工艺方案的不同，车刀的种类也异常繁多。车刀在结构上可分为整体式、焊接式、机夹式、可转位式车刀4种形式，如图3－1所示，其结构特点及适用场合见表3－1。
图3－1 车刀结构
表3－1 车刀结构类型特点及用途
2．常用焊接式车刀的种类和用途
根据车刀的形状及车削加工内容，常用车刀有外圆车刀、端面车刀、切断刀、内孔车刀、圆头车刀和螺纹刀等，其形状和用途见表3－2。
表3－2 常用车刀的种类和用途车刀
续 表
3．机夹可转位车刀及选用
1）数控车削机夹刀具介绍
目前，数控机床上大多使用系列化、标准化刀具，可转位机夹外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都已标准化、系列化。
在使用前，需对所选择的刀具尺寸进行严格的测量以获得精确的刀具几何参数，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，才能加工出合格的工件。为了减少换刀时间和方便对刀，便于实现机械自动化，数控车削加工时，应尽量采用机夹刀和机夹刀片，常用的数控车刀如图3－2所示。
图3－2 常用数控车刀
2）常用ISO车削用刀片及刀具的型号
（1）ISO车削用刀片型号表示规则 范例：
（2）ISO外圆、端面车刀的型号表示规则 范例：
（3）ISO内孔车刀的型号表示规则 范例
3）刀片材质的选择
常见刀片材料有高速钢、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。选择刀片材质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因素。
4）可转位车刀的选用
由于刀片的形式多种多样，并采用多种刀具结构和几何参数，因此可转位车刀的品种越来越多，使用范围很广。
（1）刀片的紧固方式 在国家标准中，一般紧固方式有压板压紧式（C）、复合压紧式（M）、杠杆压紧式（P）和螺钉压紧式（S）4种。图3－3所示为P型杠杆压紧式紧固方式。
（2）刀片外形的选择 刀片外形与加工的对象、刀具的主偏角、刀尖角和有效刃数等有关。一般，外圆车削常用80°凸三边形（W）、四方形（S）和80°菱形（C）的刀片，仿形加工常用55°（D）、35°（V）菱形和圆形（R）刀片，如图3－4所示。
图3－3 P型杠杆式夹紧系统
图3－4 常用刀片的形状
90°主偏角常用三角形（T型）刀片。不同的刀片形状有不同的刀尖强度，一般刀尖角越大，刀尖强度越大；反之亦然。圆刀片（R）刀尖角最大，35°菱形刀片（V）刀尖角最小。应根据加工条件恶劣与否，按重、中、轻切削有针对性地选用。在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、粗加工应选用刀尖角较大的刀片；反之，机床刚性和功率小、小余量、精加工时宜选用较小刀尖角的刀片。
（3）刀杆头部形式的选择 刀杆头部形式按主偏角和直头、弯头分有15～18种，各形式可以根据实际情况选择。有直角台阶的工件，可选主偏角大于或等于90°的刀杆。一般粗车可选主偏角45°～90°的刀杆；精车可选主偏角45°～75°的刀杆；中间切入、仿形车则选主偏角45°～107．5°的刀杆。工艺系统刚性好时，可选较小值；工艺系统刚性差时，可选较大值。当刀杆为弯头结构时，则既可加工外圆，又可加工端面。
（4）刀片后角的选择 常用的刀片后角有N（0°）、B（5°）、C（7°）、P（11°）、D（15°）、E （20°）等。一般粗加工、半精加工可用N型；半精加工、精加工可用B、C、P型，也可用带断屑槽形的N型刀片；加工铸铁、硬钢可用N型；加工不锈钢可用B、C、P型；加工铝合金可用P、D、E型等；加工弹性恢复性好的材料，可选用较大一些的后角；一般孔加工刀片可选用C、P型，大尺寸孔可选用N型。
（5）左右手刀柄的选择 左右手刀柄有R（右手）、L（左手）、N（左右手）3种。要注意区分左、右刀的方向。选择时，要考虑车床刀架是前置式还是后置式、前刀面是向上还是向下、主轴的旋转方向以及进给方向等。
（6）刀尖圆弧半径的选择 刀尖圆弧半径不仅影响切削效率，而且关系到被加工表面的粗糙度及加工精度。从刀尖圆弧半径与最大进给量关系来看，最大进给量不应超过刀尖圆弧半径尺寸的80％，否则将恶化切削条件，甚至出现螺纹状表面和打刀等问题。刀尖圆弧半径还与断屑的可靠性有关，为保证断屑，切削余量和进给量有一个最小值。刀尖圆弧半径减小，所得到的这两个最小值也相应减小。因此，从断屑可靠出发，通常对于小余量、小进给车削加工应采用小的刀尖圆弧半径；反之，宜采用较大的刀尖圆弧半径。
粗加工时，注意以下几点：
①为提高刀刃强度，应尽可能选取大刀尖半径的刀片，大刀尖半径可允许大进给；
②在有振动倾向时，则选择较小的刀尖半径；
③常选用刀尖半径为1．2～1．6mm刀片；
④粗车时进给量不能超过表3－3给出的最大进给量，作为经验法则，一般进给量可取为刀尖圆弧半径的一半。
表3－3 不同刀尖半径的最大进给量
精加工时，注意以下几点：
①精加工的表面质量不仅受刀尖圆弧半径和进给量的影响，而且受工件装夹稳定性、夹具和机床的整体条件等因素影响；
②在有振动倾向时，选较小的刀尖半径；
③非涂层刀片比涂层刀片加工的表面质量高。
（7）断屑槽形的选择 断屑槽的参数直接影响着切屑的卷曲和折断，目前刀片的断屑槽形式较多，各种断屑槽刀片使用情况不尽相同。基本槽形按加工类型有精加工（代码F）、普通加工（代码M）和粗加工（代码R）；加工材料按国际标准有加工钢的P类，不锈钢、合金钢的M类和铸铁的K类。这两种情况组合就有了相应的槽形，如FP指用于钢的精加工槽形、MK是用于铸铁普通加工的槽形等。如果加工向两个方向扩展，如超精加工和重型粗加工；如果材料也扩展，如耐热合金、铝合金、有色金属等，就有了超精加工、重型粗加工和加工耐热合金、铝合金等补充槽形。一般可根据工件材料和加工的条件，选择合适的断屑槽形和参数。当断屑槽形和参数确定后，主要靠进给量的改变控制断屑。
（二）工装
在数控车床加工中，大多数情况是使用工件或毛坯的外圆或内孔定位。常用的夹具大体可以分为如下几类。
1．卡爪式夹具
1）三爪自定心卡盘
三爪自定心卡盘是数控车床最常用的卡具，如图3－5所示。它的特点是3个卡爪是同步运动的，可以自动定心，夹持工件时一般不需要找正，装夹速度快。但夹紧力较小，定心精度不高，适用于装夹外形规则的中、小型工件（如圆柱形、正三边或正六边形工件），不适合同轴度要求高的工件的二次装夹。
三爪卡盘可装成正爪，也可装成反爪。一般卡爪伸出卡盘圆周不超过卡爪长度的1／3，否则卡爪与平面螺纹只有1～2牙啮合，受力时容易使卡爪上的牙齿碎裂。所以装夹大直径的工件时，尽量采用反爪装夹。此卡爪的夹持范围为60～200mm。
图3－5 三爪卡盘
图3－6 四爪卡盘
三爪卡盘常见的有机械式和液压两种夹紧方式。液压卡盘装夹迅速、方便，但夹持范围变化小、尺寸变化大时需要重新调整卡爪位置。数控车床上经常采用液压或气动式三爪卡盘，其夹紧力由液压或气动机构提供，通过调整油压或气压来改变夹紧力，特别适合于批量生产。
2）四爪单动卡盘
四爪单动卡盘如图3－6所示，其4个卡爪是各自独立运动的，这样就可以调整夹持部位相对于车床主轴的径向位置，使加工表面的回转中心与车床主轴的回转中心重合。用四爪单动卡盘装夹时，夹紧力较大，装夹精度较高，不受卡爪磨损的影响，但夹持工件时需要找正，适于装夹偏心距较小、形状不规则或大型的工件等。
3）软爪装夹
由于三爪自定心卡盘定心精度不高，当加工同轴度要求较高的工件需二次装夹时，常使用软爪。软爪是一种能被切削的卡爪，在使用前可配合被加工工件特别制造。软爪要在与使用条件相同的夹紧状态下加工，以免因在加工过程中的松动和反向间隙而引起定心误差。加工软爪的内定心表面时，要在软爪的尾部夹紧适当直径的棒料，如图3－7所示，以消除卡盘端面螺纹的间隙对加工精度的影响。
图3－7 软爪
2．卡盘式夹具
1）动力卡盘
为了适应自动和半自动加工的需要，中、高档数控车床较多地采用动力卡盘装夹工件。目前，使用较多的是自定心液压动力卡盘，该卡盘主要由卡盘和带引油导套的液压缸两部分组成。
图3－8 动力卡盘
1—卡盘体 2—拉杆 3—滑体
4—卡爪滑座 5—T形滑块 6—卡爪
图3－8所示是卡盘的结构图。卡盘通过过渡法兰安装在机床主轴上，它有两组螺孔，分别适用于带螺纹主轴端部及法兰式主轴端部的机床。滑体3通过拉杆2与液压缸活塞杆相连，当液压缸作往复移动时，拉动滑体3。卡爪滑座4和滑体3是以斜楔接触，当滑体3轴向移动时，卡爪滑座4可在盘体1的3个T形槽内作径向移动。卡爪6用螺钉固定在T形滑块5的齿面上，与卡爪滑座4构成一个整体。当卡爪滑座4作径向移动时，卡爪6将工件夹紧或松开。调整卡爪6在齿面上的位置，可以适应不同的工件直径。这种液压动力卡盘夹紧力较大、性能稳定，适用于强力切削和较高速度切削，其夹紧力可以通过液压系统进行调整。因此，能够适应包括薄壁零件在内的各零件加工。这种卡盘还具有结构紧凑、动作灵敏等特点。
2）高速卡盘
在高速车削加工时，要解决的一个重要技术问题是工件可靠夹紧。高速旋转时，卡盘产生的巨大离心力和应力使传统的三爪卡盘不能胜任，动力卡盘的夹紧油缸结构也限制了旋转速度的提高幅度。因此，要开发用于高速车床的专用卡盘。
图3－9所示是由弹性涨套组成的多层卡盘。这种卡盘缺乏普通三爪卡盘的灵活性，但适于高速切削。当转速上升时，离心力增大，离心块4受力向外滑动，通过夹紧外环3带动右端夹紧螺母7向左移动，并以端面将工件夹紧块1向左压缩，从而把工件夹紧。
图3－9 高速卡盘
1—工件夹紧块 2—夹紧内环 3—夹紧外环
4—离心块 5—定位销 6—防松螺母 7—夹紧螺母
3．弹性自定心夹具
这类夹具的共同特点是：弹性体零件在外加夹紧力的作用下产生均匀弹性变形，依靠该变形实现零件定心夹紧。主要有以下几种。
1）弹簧筒夹式夹头与心轴
这种定心夹紧机构常用于安装轴套类工件。图3－10（a）所示为用于装夹工件以外圆柱面为定位基面的弹簧夹头。旋转螺母4时，其端面推动弹性筒夹2左移，此时锥套3的内锥面迫使弹性筒夹2上的簧瓣向中心收缩，从而将工件定心夹紧。图3－10（b）所示是用于装夹工件以内孔为定位基面的弹簧心轴。因工件的长径比L／d≫l，故弹性筒夹2的两端各有簧瓣。旋转螺母4时，其端面推动锥套3，同时推动弹性筒夹2的两端簧瓣向外均匀扩张，从而将工件定心夹紧；反向转动螺母，带动锥套向右，便可松开工件。弹簧筒夹定心夹紧机构的结构简单、体积小、操作方便迅速，其定心精度可稳定在φ0．04～0．10mm之间，因而应用十分广泛。为保证弹性筒夹正常工作，工件定位基面的尺寸公差应控制在0．02～0．05mm范围内，故一般适用于精加工或半精加工场合。
图3－10 弹簧夹头和弹簧心轴
1—夹具体 2—弹性筒夹 3—锥套 4—螺母
2）波纹套定心夹紧夹具
图3－11所示为波纹套定心心轴。旋紧螺母5时，轴向压力使两薄壁波纹套3径向均匀涨大，将工件4定心涨紧。波纹套3及支撑圈2可以更换，以适应孔径不同的工件，扩大心轴的通用性。这种定心机构结构简单、安装方便、使用寿命长，其定心精度可达φ0．005～0．01mm，适用于定位基准孔D＞20mm且公差等级不低于IT8级的工件，在齿轮、套筒类工件的精加工工序中应用较多。
图3－11 波纹套定心心轴
1—拨杆 2—支撑圈 3—波纹套 4—工件 5—螺母
4．液性塑料定心夹紧夹具
图3－12所示为液性塑料定心夹具的两种结构。其中，图（a）是工件以内孔为定位基面，图（b）是工件以外圆表面为定位基面。虽然两者的定位基面不同，但其基本结构和工作原理是相同的。起直接夹紧作用的薄壁套筒2压配在夹具体1上，在所构成的环槽中注满了液性塑料3。当旋转夹紧螺钉5通过柱塞4向腔内加压时，液性塑料便向各个方向传递压力，在压力作用下薄壁套筒产生径向均匀的弹性变形，从而将工件定心夹紧。图（a）中限位螺钉6用于限制加压螺钉的行程，防止薄壁套筒因超负荷而产生塑性变形。这种定心机构的结构非常紧凑、操作方便、定心精度高，可达φ0．005～0．01mm，主要用于定位基孔径内径D＞18mm或外径d＞18mm、尺寸公差IT8～117级工件的精加工或半精加工。
图3－12 液性塑料定心夹具
1—夹具体 2—薄壁套筒 3—液性塑料 4—柱塞
5—夹紧螺钉 6—限位螺钉
图3－13 数控自定心中心架
5．自定心中心架
图3－13所示为数控车床使用的自定心中心架，可以减少细长轴加工时受径向力而产生的变形，提高加工精度。该中心架可以通过安装架与机床导轨相连，工作时由主机发出信号，通过液压或气动力源夹紧或松开。该中心架与其他机床附件一样，由专业机床附件厂生产，作为机床附件提供。
四、想一想
（1）数控车削刀具有哪几种？
（2）如何选用数控车削刀具？
（3）机床夹具通常由哪几部分组成？每个部分各起什么作用？
（4）数控车床上使用的夹具主要有哪几种？使用上的主要特点是什么？
五、做一做
（1）根据零件图纸，选择相关的车削刀具及工装。
（2）分组进行切削实验，观察机械夹固式车刀刀片车削断削槽的断屑情况。
（3）分组进行机床实际操作，注意车刀、刀片的装夹方法。
（4）了解一些工装的使用方法，并进行工件的夹紧操作。
（5）了解刀具、工装夹具的保养与维护常识。
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