淺談數(shù)控加工中刀具的選擇與切削用量的確定

覃振教

摘要：在數(shù)控程序的編制過程中，要在人機交互狀態(tài)下即時選擇刀具和確定切削用量，因此，編程人員必須熟悉刀具的選擇方法和切削用量的確定原則，從而保證零件的加工質(zhì)量和加工效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；刀具的選擇；切削用量；確定

中圖分類號：G718文獻標識碼：B文章編號：1672-1578（2015）03-0024-01

在數(shù)控加工中，刀具的選擇和切削用量的確定是數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容，它不僅影響數(shù)控機床的加工效率，而且直接影響加工質(zhì)量。目前CAD/CAM技術(shù)飛快的發(fā)展，使得在數(shù)控加工中直接利用CAD/CAM的設(shè)計數(shù)據(jù)成為熱點，特別是計算機與數(shù)控機床的直接聯(lián)接，使得設(shè)計、工藝規(guī)劃及編程的整個過程全部在計算機上完成，一般不需要輸出專門的工藝文件。

現(xiàn)在，許多CAD/CAM軟件提供自動編程功能，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交互狀態(tài)下完成的，這與普通機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。在此對數(shù)控編程中必須面對的刀具選擇和切削用量確定問題進行了探討，并談?wù)勛约涸瓌t和建議，并對應(yīng)該注意的問題進行了討論。

1.數(shù)控加工常用刀具的種類及特點

數(shù)控加工刀具必須適應(yīng)數(shù)控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般應(yīng)包括通用刀具、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要聯(lián)接刀具并裝在機床動力頭上，因此已逐漸標準化和系列化。數(shù)控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，采用焊接或機夾式連接，機夾式又可分為不轉(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：（1）車削刀具，分外圓、內(nèi)孔、螺紋、切割刀具等多種；（2）鉆削刀具，包括鉆頭、鉸刀、絲錐等；（3）鏜削刀具；（4）銑削刀具等。為了適應(yīng)數(shù)控機床對刀具耐用、穩(wěn)定、易調(diào)、可換等的要求，近幾年機夾式可轉(zhuǎn)位刀具得到廣泛的應(yīng)用，在數(shù)量上達到整個數(shù)控刀具的30%～40%，金屬切除量占總數(shù)的80%～90%。

數(shù)控刀具與普通機床上所用的刀具相比，有許多不同的要求，主要有以下特點：（1）剛性好（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及熱變形小；（2）互換性好，便于快速換刀；（3）壽命高，切削性能穩(wěn)定、可靠；（4）刀具的尺寸便于調(diào)整，以減少換刀調(diào)整時間；（5）刀具應(yīng)能可靠地斷屑或卷屑，以利于切屑的排除；（6）系列化，標準化，以利于編程和刀具管理。

2.數(shù)控加工刀具的選擇

刀具的選擇是在數(shù)控編程的人機交互狀態(tài)下進行的。應(yīng)根據(jù)機床的加工能力、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。

選取刀具時，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸相適應(yīng)。生產(chǎn)中，平面零件周邊輪廓的加工，常采用立銑刀；銑削平面時，應(yīng)選硬質(zhì)合金刀片銑刀；加工凸臺、凹槽時，選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時，可選取鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀；對一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭銑刀、環(huán)形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。

在進行自由曲面加工時，由于球頭刀具的端部切削速度為零，因此，為保證加工精度，切削行距一般取得很能密，故球頭常用于曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工質(zhì)量和切削效率方面都優(yōu)于球頭刀，因此，只要在保證不過切的前提下，無論是曲面的粗加工還是精加工，都應(yīng)優(yōu)先選擇平頭刀。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。

在加工中心上，各種刀具分別裝在刀庫上，按程序規(guī)定隨時進行選刀和換刀動作。因此必須采用標準刀柄，以便使鉆、鏜、擴、銑削等工序用的標準刀具，迅速、準確地裝到機床主軸或刀庫上去。編程人員應(yīng)了解機床上所用刀柄的結(jié)構(gòu)尺寸、調(diào)整方法以及調(diào)整范圍，以便在編程時確定刀具的徑向和軸向尺寸。目前我國的加工中心采用TSG工具系統(tǒng)，其刀柄有直柄（三種規(guī)格）和錐柄（四種規(guī)格）兩種，共包括16種不同用途的刀柄。

在經(jīng)濟型數(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）先進行曲面精加工，后進行二維輪廓精加工；（6）在可能的情況下，應(yīng)盡可能利用數(shù)控機床的自動換刀功能，以提高生產(chǎn)效率等。

3.確定切削用量

數(shù)控編程時，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進給速度等。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)揮機床的性能，最大限度提高生產(chǎn)率，降低成本。

3.1確定主軸轉(zhuǎn)速。主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)允許的切削速度和工件（或刀具）直徑來選擇。其計算公式為：n=1000v/3.14D 式中：v―切削速度，單位為m/m動，由刀具的耐用度決定；n一一主軸轉(zhuǎn)速，單位為r/min；D―工件直徑或刀具直徑，單位為mm。計算的主軸轉(zhuǎn)速n，最后要選取機床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。

3.2確定進給速度（走刀速度）。進給速度是數(shù)控機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。最大進給速度受機床剛度和進給系統(tǒng)的性能限制。確定進給速度的原則：當工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時，為提高生產(chǎn)效率，可選擇較高的進給速度。一般在100一200mm/min范圍內(nèi)選??；在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時，宜選擇較低的進給速度，一般在20一50mm/min范圍內(nèi)選??；當加工精度，表面粗糙度要求高時，進給速度應(yīng)選小些，一般在20——50mm/min范圍內(nèi)選??；刀具空行程時，特別是遠距離"回零"時，可以設(shè)定該機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進給速度。

3.3確定背吃刀量（切削深度）。背吃刀量根據(jù)機床、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。為了保證加工表面質(zhì)量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5m m，總之，切削用量的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機床性能、相關(guān)的手冊并結(jié)合實際經(jīng)驗用類比方法確定。

同時，使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進給速度三者能相互適應(yīng)，以形成最佳切削用量。

切削用量不僅是在機床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù)，而且其數(shù)值合理與否對加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂"合理的"切削用量是指充分利用刀具切削性能和機床動力性能（功率、扭矩），在保證質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。

參考文獻：

[1]朱明松、王翔編數(shù)控銑床編程與操作項目教程。機械工業(yè)出版社，2007.9