车刀材料
王通-晨昏诺日朗
2023年3月20日发(作者：证婚人发言稿)数控车床可转位刀具简介
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。
目前数控机床用刀具的主流是可转位刀片的机夹刀具。下面对可转位刀具作简要的介绍：
(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
点如表5-1所示。
表5-1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。
刀杆截刀杆较多采用正方形刀杆，但因刀架系统结构差异
刀杆与刀架系统匹配。
形大，有的需采用专用刀杆。
(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5-2。
表5-2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)
常用车刀及刀片外型图
车刀刀头
外圆车刀内孔车刀
螺纹车刀切断刀和切槽刀焊接式车刀
刀片铝加工刀片车刀和镗刀片金属陶瓷刀片
螺纹车刀刀片切断刀和切槽刀可焊式刀片
对车刀材料的基本要求：
在车削的过程中，车刀的切削部分是在较大的切削抗力，较高的切削温度和剧烈的摩擦条件
下进行工作的。车刀的切削部分是否具备优良的切削性能，直接影响了车刀的寿命长短和切
削效率的高低，也影响加工质量的好坏，因此车刀的切削部分材料应该满足以下的要求：
1，应该具有高硬度刀具材料的硬度高于工件的硬度1.3—1.5倍
2，应该具有的耐磨性
3，应该具有耐热性
4，应该具有足够的强度和韧性
5，应该具有良好的工艺性
车刀切削部分常用的材料;
近代金属切削刀具材料从碳素工具钢、高速钢发展到今日的硬质合金、立方氮化硼等超硬刀
具材料，使切削速度从每分钟几米飚升到千米乃至万米。随着数控机床和难加工材料的不断
发展，刀具实有难以招架之势。要实现高速切削、干切削、硬切削必须有好的刀具材料。在
影响金属切削发展的诸多因素中，刀具材料起着决定性作用。
高速钢
高速钢自1900年面世至2000年，尽管各种超硬材料不断涌现，但始终未能动摇其切削
刀具的霸主地位，2000年以后硬质合金已成为高速钢的“天敌”，正在持续不断地侵蚀着高速
钢刀具的市场份额，但对于某些如螺纹刀具、拉削刀具等对韧性要求较高的刀具，高速钢仍
可与硬质合金“分庭抗礼”，甚至占明显优势。
人们习惯上将高速钢分为四大类：
1)通用高速钢(HSS)
以W18Cr4V为代表的HSS曾辉煌过一个世纪，为我国刀具行业做出过杰出的历史性贡
献，但由于还存在不少弊端，现已逐步淡出市场；M2钢的市场份额已由上世纪90年代的
60%～70%下降到目前的20%～30%；9341是我国自行研制的HSS，市场份额占20%左右，
W7、M7等其他HSS产量比较低。HSS已占高速钢总量60%以上。由于HSS的强韧性和较
高的耐磨性、红硬性等优异性能，在丝锥、拉刀等刀具领域，还会牢牢守住一块地盘，不过
阵地在逐年减少。
2)高性能高速钢(HSS-E)
HSS-E是指在HSS成分基础上加入Co、Al等合金元素，并适当增加含碳量，以提高耐
热性、耐磨性的钢种。这类钢的红硬性比较高，经625℃×4h后硬度仍保持60HRC以上，刀
具的耐用度为HSS刀具的1.5～3倍。
以M35、M42为代表的HSS-E产量逐年在增加，501是我国自产的高性能高速钢，在成
形铣刀、立铣刀等方面应用十分普遍，在复杂刀具方面应用也比较成功。由于数控机床、加
工中心、高难加工材料发展迅速，HSS-E刀具材料亦逐步增加。
3)粉末高速钢(HSS-PM)
和冶炼高速钢相比，HSS-PM力学性能有显著的提高。在硬度相同的条件下，后者的强
度比前者高20%～30%，韧性提高1.5～2倍，在国外应用十分普遍。我国在上世纪70年代
曾研制出多种牌号的HSS-PM，并投入市场，但不知何故夭折，现在各工具厂所用材料均系
进口。值得欣喜的是，河冶科技股份有限公司(原河北冶金研究院)已能生产HSS-PM，并小
批量供货，效果不错。由于资源日益枯竭和HSS-PM自身优良的综合性能及市场的需求，
HSS-PM必将会有一个长足的进步。
3)低合金高速钢(DH)
由于合金资源越来越少、成套麻花钻出口及低速切削工具的需要，钢厂和工具厂共同开
发出301、F205、D101等多种牌号的DH。2003年我国生产高速钢6万吨，其中DH两万吨，
占高速钢的1/3；2004年DH占高速钢的40%，2005年、2006年仍呈增长势头。但其中水分
不少，有些根本不属高速钢，硬度也达不到63HRC，也被标以HSS。
硬质合金
机械制造业需要“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的经营理念，在当代刀具制造和
使用领域，“效率第一”的理念已经取代了传统的“性能价格比”老概念，这一变化为高技术含
量的高效刀具的发展扫清了障碍。
硬质合金不仅具有较高的耐磨性，而且韧性也较高(和超硬材料相比)，所以得到广泛的
应用，展望未来，它仍然是应用最广泛的刀具材料。从历届机床工具博览会上可以看出，硬
质合金可转位刀具几乎覆盖了所有的刀具品种。随着科学技术的发展和刀具技术的进步，硬
质合金的性能得到很大改善：一是开发了提高韧性的1～2μm细颗粒硬质合金；二是开发了
涂层硬质合金。与高速钢刀具相比，硬质合金涂层刀具的市场份额增长幅度更大，因为在高
温和高速切削参数下，高强度更为重要。
超硬刀具材料
超硬材料是指以金刚石为代表的具有很高硬度物质的总称。超硬材料的范畴虽没有一个
严格的规定，但人们习惯上把金刚石和硬度接近于金刚石硬度的材料称为超硬材料。
1)金刚石
金刚石是目前世界上已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
导热性等性能，在有色金属和非金属加工中得到广泛的应用，尤其在铝和硅铝合金高速切削
加工中，如轿车发动机缸体、缸盖、变速箱和各种活塞等的加工中，金刚石刀具是难以替代
的主要切削刀具。近年来，由于数控机床的普及和数控加工技术的高速发展，可实现高效率、
高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及。金刚石刀具现在和将来都是数控加工
中不可缺少的重要刀具。
2)立方氮化硼(CBN)
立方氮化硼是氮化硼的同素异构体，其结构与金刚石相似，硬度高达8000～9000HV，
耐热度达1400℃，耐磨性好。近年来开发的多晶立方氮化硼(PCBN)是在高温高压下将微细
的CBN颗粒通过结合相烧结在一起的多晶材料，既能胜任淬硬钢(45~65HRC)、轴承钢
(60~64HRC)、高速钢(63~66HRC)、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材
料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工。3)陶瓷刀具
陶瓷刀具是最有发展潜力的刀具之一，目前已引起世界工具界的重视。在工业发达的德
国，约70%加工铸件的工序是由陶瓷刀具来完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总
量的8%~10%。由于数控机床、高效无污染切削、被加工材料硬等因素，迫使刀具材料必须
更新换代，陶瓷刀具正是顺乎潮流，不断改革创新，在Al2O3陶瓷基体中添加20%~30%的
SiC晶液制成晶须增韧陶瓷材料，SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡
或改变裂纹扩展方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展前途的刀具材料。
为了提高纯氧化铝陶瓷的韧性，加入含量小于10%的金属，构成所谓金属陶瓷，这类刀具材
料具有强大的生命力，正以强劲势头向前发展，也许将来会自成一系，成为刀具材料家族新
成员。
车刀的几何形状：
车刀的切削部分是由“一尖，两刃，三面，六角”组成：
外圆车刀的切削部分可以看作是各类刀具切削部分的基本形态。图2-1
所示是外圆车刀的切削部分，其结构要素及其定义如下：
1）前刀面Ay—切下的切屑沿其流出的表面。
2）主后刀面Aa—与工件上过渡表面相对的表面。
3）副后刀面A＇a—与工件上已加工表面相对的的表面。
4）主切削刀S—前刀面与主后刀面的交线，它承担主要切削工作。
5）副切削刃S＇—前刀面与副后刀面的交线，它协同主切削刃完成切削
工作，并最终形成已加工表面。
6）刀尖—主切削刃与副切削刃连接处的那部分切削刃。
任何车刀都是由上述这几个部分组成的，但是数量不完全一样，如切断刀就有两个副切削刃
和人两个副后刀面
几种常见刀具安装及注意事项：
1外圆车刀安装：
A称刀伸出刀架部分的长度应尽量短，以增强其刚性，（一般为刀柄厚度1～1。5倍）车刀
垫片一般不要超过两片。并于刀架边缘对起，且至少用两个螺钉压紧。
B;车刀刀尖与工件中心等高。刀尖高于工件的轴线，刀具实际前角增大切削力降低
2切断刀的安装：
A切断刀一定要垂直工件的轴线，刀体不能倾斜，以免副后刀面与工件摩擦，影响加工质量
B刀体不宜伸出过长，同时主切削刃要与工件回转中心等高，否则如切削无孔工件时，不能
切削到中心，且容易折断车刀
C刀体底面如果不平，会引起副后角的变化。
3螺纹刀的安装：
车螺纹时，为了保证齿形正确，对安装螺纹刀提出了严格的要求
A刀尖高装夹螺纹刀时，刀尖位置一般应与车床主轴轴线等高，特别是内螺纹车刀的刀尖
高必须严格保证，以免出现扎刀阻刀让刀及螺纹面不光等现象。
高速切削时螺纹时，为了振动和扎刀，其硬质合金刀的刀尖应略高与车床主轴轴线0.1—0.3
B刀头伸出的长度刀头一般不要伸出过长，约为刀杆厚度1—1.5倍。内螺纹刀的刀头加上
刀杆后的径向长度应该比螺纹孔直径小3—5倍，以免退刀时碰伤牙顶
数控车床对刀：
在数控加工中，工件坐标系确定后，还要确定刀尖点在工件坐标系中的位置，即常说的对刀
问题。在数控车床上，前，常用的对刀方法为试切对刀。下面以FANUC—6T系统为例，介
绍试切对刀的方法。将工件安装好之后，先用MDI方式操纵机床，用已选好的刀具将工件
端面车一刀，然后保持刀具在纵向(Z向)尺寸不变，沿横向(X向)退刀。当取工件右端面O
为工件原点时，对刀输入为ZO；当取工件左端面O，为工件原点时，需要测量从内端面到
加工面的长度尺寸J，此时对刀输入为Zδ，用同样的方法，再将工件外圆表面车一刀，然后
保持刀具在横向上的尺寸不变，从纵向退刀，停止主轴转动，再量出工件车削后的直径值φ
v
，
根据β和φ
v
值即可确定刀具在工件坐标系中的位置。其它各刀都需要进行以上操作，从
而确定每把刀具在工件坐标系中的位置。
具几何参数刀具几何参数对数控车床加工精度的影响
一引言
在数控加工中，为下降加工工件表面粗糙度、减缓刀具磨损、进步刀具应用寿命、选择合适
的切削力等因素，通常车刀会存在刀尖圆弧半径r，主偏角kr，车刀刀尖距零件中心高的偏
差等刀具几何参数的影响，一定引起被加工零件的轴向尺寸误差和径向尺寸误差，由此使得
加工中的运行轨迹与被加工零件的表面外形发生差别。因被加工零件表面外形各异，所以引
起的差别也各不雷同。
二误差剖析及改良办法
下面依次剖析车削加工各类零件表面外形引起的差别以及采用的办法。
1.车刀刀尖圆弧半径对加工圆柱类零件表面的影响
众所周知，被加工零件表面的成形是由车刀与零件表面接触间切点的运行轨迹保证的。
对于主偏角kr=90度的车削加工，参见图1.1示，被加工零件表面的轴向尺寸由刀尖圆弧顶
点A保证。
图1.1当(D-d)/2=ap>r时，由图可知，由刀尖圆弧半径引起的轴向尺寸变化量Δa为
Δa=b-a=r
式中：b——零件轴向尺寸;a——实际轴向位移量;r——刀尖圆弧半径。
此时，刀具实际轴向位移是长度a为：
a=b-Δa=b-r
当(D-d)/2=ap车刀处于初始加工点即地位I时，刀尖圆弧上B’点与锥体小端出发点相切，因
为编程一般是以车刀刀尖圆弧中心位置为准进行的，所以锥体小端部的轴向尺寸变化量为
B′C′,无聊！！！;当完成锥体加工即车刀处于位置II时，刀尖圆弧上B点与锥体相切，而此时须
使刀尖圆弧顶点处于圆柱体部请求的半径位置上。由此剖析可知:当刀具位移a时，形成锥体
轴向长度b′，大端半径R=BH，而此时当转人加工圆柱体时，刀尖顶点A形成的零件加工半
径R′=EG，锥体部的轴向长度减短，从而使得锥体部轴向长度由b′变为b，所以锥体轴向变
化量Δa为：
Δa＝a-b
由于Ｂ′Ｃ′＝ＢＣ＝rsinα
所以a=b′
即Δa＝b′－b＝ＢＦ
因为刀尖圆弧同时相切于锥体和圆柱体的Ｂ、Ａ两点，由几何关系得：
Δa＝rcosαtg（α/２）
此时刀具实际轴向位移是长度a为：
a=b=rcosαtg（α/２）
由此可得结论：
对于单段外锥体零件的加工，由于车刀刀尖圆弧半径的存在，锥体的轴向尺寸、径向尺寸均
产生变化，且轴向尺寸的变化量随刀尖圆弧半径的增大而增大，随锥体锥角的增大而增大，
径向尺寸随刀尖圆弧半径的增大而减小，随锥体增大减小。
3.车刀刀尖圆弧半径对加工球体类零件表面的影响
车削加工中，车刀刀尖与被加工零件的地位关系如图1.3所示。
图1.3设定由内向外走刀。当加工整半球时，刀尖处于位置I。由于加工是按刀具圆弧的中心
轨迹运行的，所以此时轴向尺寸的变更量均为Δa=b-a=r而当加工非整半球面时，刀具处于
地位II，由于此时刀尖圆弧是B点而不是A点与零件相切，所以加工中轴向尺寸的变化量Δa
为：
Δa＝b-a=ＥＦ＝rsinα
α——零件球面夹角
此时刀具的实际轴向位移长度a为：
a=b-Δa＝（Ｒ－r）sinα
同理可知，当加工外球面时，Δa应取负值。
因为在加工中，刀具各点依次陆续进进切削，其轴向尺寸的变化量Δa=EF，当完成球体加工
而进行球体大端面加工时，则应使刀尖圆弧顶点A与端面相切,forgive，此时，轴向应移动
EF+AE而非EF，否则一定使得球面的径向尺寸产生变化，并造成零件报废。由此引起的径
向尺寸变化量Δd为：
Δd=2BF=2bcosα
此时球体实际最大盲径Dmax为：
Dmax=D-Δd=D-2bcosα
由于b′＝b-ＡＥ
所以b′当刀具处于图示位置时，刀尖圆弧与锥体部相切于B点，同时
与球体部相切于E点，图中DBLEF为理论请求轨迹，由于刀尖圆弧半径的存在，准确的实
际形成轨迹为DBEF，其中BE由刀尖圆弧形成,完美世界sf913外挂。刀尖圆弧半径的存在，必使
零件的轴向尺寸、径向尺寸发生变化。图示中，设定∠BO1A=∠α,80后做到这些就成熟了，为锥
体部斜角，∠LOO′==∠θ为理论球面出发点与轴线夹角，∠ＥＯＯ′=∠β为实际球面出发点
与轴向夹角，则锥体部轴向尺寸的变化量Δa为：
Δa=b１-a１=LC=(R+r)cosβ-Rcosθ-rsinα
所以锥体部的实际轴向位移长度a1为：
a１=b１-Δa１=b１-(R+r)cosβ+Rcosθ+rsinα
此时球体部轴向尺寸的变化量Δa2为
Δa2=b2-a2=R(cosθ-cosβ)
球体部的实际轴向位移长度a2为
a2=b2-Δa2=b2-R(cosθ-cosβ)
由于轴向尺寸的变化，使得零件径向尺寸也随之产生变化，锥体径向尺寸的变化量Δdl为
Δdl=2BC=2[(R+r)cosβ－Rcosθ－rsinα]tgα
所以锥体部最大直径d1max为
dlmax=d-Δdl=d-[(R+r)cosβ－Rcosθ－rsinα]tgα
同理球体部径向尺寸的变更量Δad2为
Δad2=2R[sinβ-sinθ]
所以球体部最小直径d2min为d2min＝2Rsinβ
由此可得结论:图1.4
对于锥体接球体类零件的加工，由于车刀刀尖圆弧半径的存在，使得被加工零件的轴向尺寸、
径向尺寸均发生变化;且锥体部轴向尺寸的变化量随刀尖圆弧半径的增大而增大，随体斜角的
增大而增大;球体部轴向尺寸的变化量随刀尖圆弧半径的增大而增大，随刀尖零件切点处与轴
线间夹角的增大而增大;其径向尺寸的变化量为：锥体部大真个径向尺寸随刀尖圆弧半径的增
大而减小，随锥体斜角的增大而减小;球体部小端径向尺寸随刀尖圆弧半径的增大而增大，随
刀尖零件切点处与轴线间夹角的增大而增大。所以加工中应随之变换其位移长度。
同理可得加工凹球面、内球面与锥体部相接时轴向尺寸、径向尺寸的变更量及其位移长
度。此处略。
5.误差的打消方式
打消办法(1)：编程时，调剂刀尖的轨迹，使得圆弧形刀尖实际加工轮廓与幻想轮廓相符。即
通过简略的几何盘算，将实际须要的圆弧形刀尖的轨迹换算出设想、刀尖的轨迹。
打消方式(2)：以刀尖圆弧中心为刀位点编程步骤如下:
绘制件草图→以刀尖圆弧半径r和工件尺寸为根据绘制刀尖圆弧活动轨迹→盘算圆弧中心轨
迹特点点→编程。
在这个进程中刀尖圆弧中心轨迹的绘制及其特点点盘算略显繁琐，假如应用CAD软件中等
距线的绘制功效和点的坐标查询功效来完成此项操作则显得十分便利。
另外，采取这种方式加工时，注意以下两点:
1.检讨所应用刀具的刀尖圆弧半径的r-值是否与程序中的r值相符；
2.对刀时，要把r值斟酌进往。
三停止语
本文重要是以刀尖圆弧的加工为例进行讨论的，其它类型的参数也存在相似的问题，本文限
于篇幅不再赘述。以上只是生产者在实践工作中的一点拙见，难免有不当之处，看读者不吝
赐教，倘若本文能对您的工作有些许辅助，则将是笔者莫大的欣慰。