淺談如何選擇數(shù)控銑加工的刀具和切削用量

劉洪志

摘要： 在借助CAM軟件進(jìn)行數(shù)控編程的過程中，刀具的選擇和切削用量的確定是十分重要，它不僅對被加工零件的質(zhì)量影響巨大，甚至可以決定著機(jī)床功效的發(fā)揮和安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。所以，在編制加工程序時，選擇合理的刀具和切削用量，是編制高質(zhì)量加工程序的前提。

關(guān)鍵詞：刀具；種類；要求；選擇；切削用量

現(xiàn)在，如Pro/ENGINEER、UG、Cimatron、MasterCAM等許多CAD/CAM軟件包都提供自動編程功能，這些軟件一般是在編程界面中提示工藝規(guī)劃的有關(guān)問題，比如，刀具選擇、加工路徑規(guī)劃 、切削用量設(shè)定等，編程人員只要設(shè)置了有關(guān)的參數(shù)，就可以自動生成NC程序并傳輸至數(shù)控機(jī)床完成加工。因此，數(shù)控加工中的刀具選擇和切削用量確定是在人機(jī)交互狀態(tài)下完成的，這與普通機(jī)床加工形成鮮明的對比，同時也要求編程人員必須掌握刀具選擇和切削用量確定的基本原則，在編程時充分考慮數(shù)控加工的特點(diǎn)。眾所周知，在借助CAM軟件進(jìn)行數(shù)控編程的過程中，刀具的選擇和切削用量的確定是十分重要，它不僅對被加工零件的質(zhì)量影響巨大，甚至可以決定著機(jī)床功效的發(fā)揮和安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。所以無論是手工編程或計(jì)算機(jī)輔助編程，在編制加工程序時，選擇合理的刀具和切削用量，是編制高質(zhì)量加工程序的前提。本文對數(shù)控編程中必須面對的刀具選擇和切削用量確定問題進(jìn)行了探討，給出了若干原則和建議，并對應(yīng)該注意的問題進(jìn)行了討論。

1 刀具的選擇

1.1 數(shù)控銑加工常用刀具的種類

數(shù)控銑加工刀具種類很多，為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床高速、高效和自動化程度高的特點(diǎn)，所用刀具正朝著標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化的方向發(fā)展，主要包括銑削刀具和孔加工刀具兩大類。為了滿足高效和特殊的銑削要求，又發(fā)展了各種特殊用途的專用刀具。數(shù)控銑刀具的分類有多種方法，根據(jù)刀具結(jié)構(gòu)可分為：①整體式；②鑲嵌式，采用焊接或機(jī)夾式連接，機(jī)夾式又可分為不轉(zhuǎn)位和可轉(zhuǎn)位兩種；③特殊型式，如復(fù)合式刀具，減震式刀具等。根據(jù)制造刀具所用的材料可分為：①高速鋼刀具；②硬質(zhì)合金刀具；③金剛石刀具；④其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。從切削工藝上可分為：平端立銑刀、圓角立銑刀、球頭刀和錐度銑刀等。

1.2 數(shù)控銑加工對刀具的要求

為了保證數(shù)控銑機(jī)床的加工精度，提高數(shù)控銑機(jī)床的生產(chǎn)效率及降低刀具材料的消耗，在選用數(shù)控銑機(jī)床刀具和刀具材料時，除滿足普通機(jī)床應(yīng)具備的基本條件外，還要考慮在數(shù)控銑機(jī)床中刀具工作條件等多方面因素，如切屑的斷屑性能、刀具快速調(diào)整與更換，因此對刀具和刀具材料提出更高的要求。

銑刀剛性要好 一是為提高生產(chǎn)效率而采用大切削用量的需要；二是為適應(yīng)數(shù)控銑床加工過程中難以調(diào)整切削用量的特點(diǎn)。當(dāng)工件各處的加工余量相差懸殊時，通用銑床遇到這種情況很容易采取分層銑削方法加以解決，而數(shù)控銑削就必須按程序規(guī)定的走刀路線前進(jìn)，遇到余量大時無法象通用銑床那樣“隨機(jī)應(yīng)變”，除非在編程時能夠預(yù)先考慮到，否則銑刀必須返回原點(diǎn)，用改變切削面高度或加大刀具半徑補(bǔ)償值的方法從頭開始加工，多走幾刀。但這樣勢必造成余量少的地方經(jīng)常走空刀，降低了生產(chǎn)效率，如刀具剛性較好就不必這么辦。

銑刀的耐用度要高 尤其是當(dāng)一把銑刀加工的內(nèi)容很多時，如刀具不耐用而磨損較快，就會影響工件的表面質(zhì)量與加工精度，而且會增加換刀引起的調(diào)刀與對刀次數(shù)，也會使工作表面留下因?qū)Φ墩`差而形成的接刀臺階，降低了工件的表面質(zhì)量。除上述兩點(diǎn)之外，互換性好，便于快速換刀；刀具的尺寸便于調(diào)整，以減少換刀調(diào)整時間； 刀具應(yīng)能可靠地斷屑或卷屑，以利于切屑的排除； 系列化，標(biāo)準(zhǔn)化，以利于編程和刀具管理，等等這些是數(shù)控加工與普通機(jī)床加工對刀具的不同要求。

1.3 數(shù)控銑加工刀具類型的選擇

刀具的選擇是在數(shù)控編程的人機(jī)交互狀態(tài)下進(jìn)行的。應(yīng)根據(jù)機(jī)床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相關(guān)因素正確選用刀具及刀柄。刀具選擇總的原則是：安裝調(diào)整方便，剛性好，耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。生產(chǎn)中，被加工零件的幾何形狀是選擇刀具類型的主要依據(jù)。銑削刀具的選用：加工曲面類零件時，為了保證刀具切削刃與加工輪廓在切削點(diǎn)相切，而避免刀刃與工件輪廓發(fā)生干涉，一般采用球頭刀，粗加工用兩刃銑刀，半精加工和精加工用四刃銑刀；銑較大平面時，為了提高生產(chǎn)效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片鑲嵌式盤形銑刀；銑小平面或臺階面時一般采用通用銑刀；銑鍵槽時，為了保證槽的尺寸精度、一般用兩刃鍵槽銑刀；孔加工刀具的選用：數(shù)控機(jī)床孔加工一般無鉆模，由于鉆頭的剛性和切削條件差，選用鉆頭直徑D應(yīng)滿足L/D≤5（L為鉆孔深度）的條件；鉆孔前先用中心鉆定位，保證孔加工的定位精度；精絞前可選用浮動絞刀，絞孔前孔口要倒角；鏜孔時應(yīng)盡量選用對稱的多刃鏜刀頭進(jìn)行切削，以平衡鏜削振動；盡量選擇較粗和較短的刀桿，以減少切削振動。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控加工中，由于刀具的刃磨、測量和更換多為人工手動進(jìn)行，占用輔助時間較長，因此，必須合理安排刀具的排列順序。一般應(yīng)遵循以下原則：①盡量減少刀具數(shù)量；②一把刀具裝夾后，應(yīng)完成其所能進(jìn)行的所有加工部位；③粗精加工的刀具應(yīng)分開使用，即使是相同尺寸規(guī)格的刀具；④先銑后鉆；⑤先進(jìn)行曲面精加工，后進(jìn)行二維輪廓精加工；⑥在可能的情況下，應(yīng)盡可能利用數(shù)控機(jī)床的自動換刀功能，以提高生產(chǎn)效率等。另外，刀具的耐用度和精度與刀具價格關(guān)系極大，必須引起注意的是，在大多數(shù)情況下，選擇好的刀具雖然增加了刀具成本，但由此帶來的加工質(zhì)量和加工效率的提高，則可以使整個加工成本大大降低。總之，根據(jù)被加工工件材料的熱處理狀態(tài)、切削性能及加工余量，選擇剛性好，耐用度高的銑刀，是充分發(fā)揮數(shù)控銑床的生產(chǎn)效率和獲得滿意的加工質(zhì)量的前提。

2 切削用量的確定

數(shù)控編程時，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫入程序中。切削用量包括切削速度、背吃刀量或側(cè)吃刀量及進(jìn)給速度等。對于不同的加工方法，需要選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是：保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度并充分發(fā)揮機(jī)床的性能，最大限度地提高生產(chǎn)率，降低成本。

切削速度的確定 銑削的切削速度與刀具的耐用度T、每齒進(jìn)給量fz、背吃刀量ap、側(cè)吃刀量ae以及銑刀齒數(shù)Z成反比，與銑刀直徑d成正比。其中原因是fz、ap、ae、Z增大時，使同時工作齒數(shù)增多，刀刃負(fù)荷和切削熱增加，加快刀具磨損，因此刀具耐用度限制了切削速度的提高。如果加大銑刀直徑則可以改善散熱條件，相應(yīng)提高切削速度。

進(jìn)給速度的確定 進(jìn)給速度F是數(shù)控機(jī)床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進(jìn)給速度受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的性能限制。在輪廓加工中，在接近拐角處應(yīng)適當(dāng)降低進(jìn)給量，以克服由于慣性或工藝系統(tǒng)變形在輪廓拐角處造成“超程”或“欠程”現(xiàn)象。確定進(jìn)給速度的原則：當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時，為提高生產(chǎn)效率，可選擇較高的進(jìn)給速度。一般在100~200mm/min范圍內(nèi)選取；在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時，宜選擇較低的進(jìn)給速度，一般在20~50mm/min范圍內(nèi)選取。3）當(dāng)加工精度，表面粗糙度要求高時，進(jìn)給速度應(yīng)選小些，一般在20~50mm/min范圍內(nèi)選?。坏毒呖招谐虝r，特別是遠(yuǎn)距離“回零”時，可以選擇該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)給定的最高進(jìn)給速度；背吃刀量（或側(cè)吃刀量）的確定 在保證加工表面質(zhì)量加工質(zhì)量的前提下，背吃刀量(ap)應(yīng)據(jù)機(jī)床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應(yīng)盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量，這樣可以減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。工件表面粗糙度要求為Ra3.2~12.5μm,分粗銑和半精銑兩步銑削加工，粗銑后留半精銑余量0.5~1.0mm；工件表面粗糙度要求為Ra0.8~3.2μm，可分粗銑、半精銑、精銑三步銑削加工，半精銑時端銑背吃刀量或圓周銑側(cè)吃刀量取1.5~2mm，精銑時端銑背吃刀量取0.5~1mm，圓周銑側(cè)吃刀量取0.3~0.5mm。

總之，零件數(shù)控編程具有很大的靈活性，只有正確理解以上工藝參數(shù)，在實(shí)踐中不斷進(jìn)行總結(jié)，才能編制出高質(zhì)量的加工程序，加工出高質(zhì)量的模具零件。