数控加工中刀具的选用

　　金属切削刀具是实现机械加工，得到一个合格零件的最主要的因素，老师傅就常说“三分功夫七分刀，在加工时如何选刀、磨刀是保证产品质量，提高生产效率的主要因素。传统的机械加工主要采用焊接式刀具，现在随着数控机床的大量使用，使用越来越多的是机夹刀具和组合刀具，这些刀具的刀片和刀杆已经标准化，由一些专业的生产厂家生产，使用时技术人员和操作者根据具体的加工条件、工件材料，查询刀具样本选择合适的刀片、刀杆和刀具主柄，组装成一把刀具，安装在机床的刀架上进行加工。这时对工人的技能要求主要是如何选刀、装刀、调刀、对刀，而不是磨刀了。一般在选择刀具时，首先要根据工件形状、材料、加工条件及相关的工艺情况选择刀片的形状和材质，然后根据刀片及机床的要求，并考虑组合后刀具的各个角度要求，选择相应的刀杆或刀柄，进行组装，安装在机床的刀架进行加工。

　　数控刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。

1 数控加工常用刀具的种类及特点

　　数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。数控刀具的分类有多种方法。根据刀具结构可分为：①整体式；②镶嵌式，采用焊接或机夹式联接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；③特殊型式，如复合式刀具、减震式刀具等。根据制造刀具所用的材料可分为：①高速钢刀具；②硬质合金刀具；③金刚石刀具；④其他材料刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等。从切削工艺上可分为：①车削刀具，分外圆、内孔、螺纹、切割刀具等多种；②钻削刀具，包括钻头、铰刀、丝锥等；③镗削刀具；④铣削刀具等。为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等的要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的30％-40％，金属切除量占总数的80％-90％。

　　数控刀具与浮通机床上所用的刀具相比，有许多／不同的要求，主要有以下特点：①刚性好(尤其是粗加工刀具)、精度高、抗振及热变形小；②互换性好，便于快速换刀；③寿命高，切削性能稳定、可靠；④刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间；⑤刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除；⑥系列化、标准化，以利于编程和刀具管理。

2 数控加工刀具的选择

　　尽管数控加工刀具具有许多普通刀具不能比拟的优点，但只有在加工中合理的选用才能充分发挥其效能，面对种类繁多的刀具，内容复杂的刀具样本，许多操作者都觉得无从下手，不知道如何去选择，笔者经过这几年的教学积累，以及和操作者、技术人员请教，觉得选择刀具时应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀片及刀柄。一般选择时首先要选择刀片，然后根据刀片及加工条件选择刀杆或刀柄，所以刀片的选择是刀具选择的关键和前提。而刀片的选择又有材质选择和形状选择两个方面，材质选择主要是根据被加工零件的材料特点、加工条件选择什么材质的刀片，如要加工不锈钢材料的零件，首先要选择涂层硬质合金(GC)材料的刀片，加工条件是精加工，要求得到较高的表面质量，可以选择GCl025牌号的刀片，这些知识点在各种刀具样本上介绍的比较详细，操作者也易于掌握，在本论文中不再赘述了。刀片选择的重点是刀片形状和槽型的选择，根据工序类型及加工部位选择刀片的形状、角度、刀尖圆弧半径，选择时要考虑组合后刀具所需的主偏角、可接近性及通用性要求，如刀具副切削刃是否和已加工表面干涉、刀尖的强度、加工后可达到的表面粗糙度等。现在就来介绍一下刀具(刀片)形状的选择方法及要点。

　　(1)数控车削用刀具的选用

　　数控车床在加工过程中主要通过程序控制刀具的各种插补运动实现各种型面的加工，因此刀具切削刃的形状并不是保证加工精度的主要因素，为了便于选用和管理，常用的数控车刀(刀片)的种类比较单一，一般常用有三种外圆车刀、三种内孔车刀，加工时根据工件材料的不同配以不同材质的刀片。就形成了适应不同加工条件的车刀。因而车刀的选用主要是这三种车刀的选用。

　　数控车削主要加工一些成型的表面，这时主要考虑刀具角度是否会和工件加工部位干涉。如图1加工外圆和内孔时刀具和工件的相对位置关系。

　　现将常用的三种外圆车刀刀片应用特点介绍如下，为介绍方便，我按组成刀具的角度和特点进行分类，

　　1)80°菱形刀片外圆车刀

　　这种刀片选用的刀柄的主偏角多为93°，组合成刀具后其刀具的副偏角为70°刀具的刚性非常好，主要适合加工圆柱面、台阶面等阶梯轴类零件，可实现大切深加工。多用于粗加工，采用不同材质的刀片也可用于半精加工和精加工。

　　2)35°菱形刀片外圆车刀

　　该种刀片选用的刀柄多为93°，组合成刀具后其刀具的副偏角为52°。刀具的刚性较差，但大的副偏角可避免和已加工的表面干涉，主要适合加工一些成形表面及内凹的轮廓。每刀的切深较小。进给量也应选择小些，否则表面粗糙度较大，采用不同的刀片可用于粗加工、半精加工和精加工，但一般多用于精加工。该种刀具最适合加工图2所示的零件。

图2 35 o菱形刀片车外圆

　　3)55°菱形刀片外圆车刀

　　该种刀片选用的刀柄主偏角为93°，组合成刀具后其刀具的副偏角为32。。刀具的刚性一般，较大的副偏角即可避免和已加工的表面干涉，可以加工一些成形表面及内凹程度不大的轮廓。也能保持较好的刚性，实现快速切削。其切削性能和应用范围介于80°菱形刀片外圆车刀和35°菱形刀片外圆车刀之间。采用不同的刀片可用于粗加工、半精加工和精加工。一般多用于半精加工和精加工。

　　内孔车刀的选择方法与要求和外圆车刀基本一致，也要注意刀具副切削刃是否和加工表面干涉。刀尖的强度是否满足要求。另外在选用时尽量选用刀尖角大的刀具，这样刀具的刚性好，一般刀具副偏角比工件轮廓最大切角大2°左右即可。

　　一般刀片对应的刀柄型号是固定的，即使形状相同也不能进行互换，否则刀具的中心高将不能满足要求，刀片的形状选择完成以后，应考虑刀片的槽型的选择，刀片的常见的槽型如图3。

　　合理的选择刀片的槽型可以提高生产效率。图3中的三种刀片是一种用于半精加工和精加工的创新性的高生产率刀片，已逐渐广泛用于各种工业。通过刀尖半径的微小变化，在保证表面质量的前提下．可以将进给量增加一倍。选择时建议参照刀具样本推荐值。

　　(2)数控加工中心用刀具的选用

　　加工中心刀具选择总的原则是：安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较粗、较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。加工中心常用的刀具主要有铣削加工刀具和孔加工用刀具两大类。铣削加工用刀具包括面铣刀、立铣刀等。孔加工类刀具主要有中心钻、麻花钻、镗刀、丝锥、锪钻等。现在简单介绍这些刀具的选用要点。

　　1)面铣刀的选用

　　面铣刀是一种比较常用的铣刀，主要用来加工平面、台阶面等，比较常用的几种有CoroMiU245、CoroMill290、CoroMill390和ComMiU790四种。其中CoroMill 245型面铣刀主要用于加工中心和小型铣床，一般用于加工平面、倒角、台阶面等；CoroMill 290型通用方肩铣刀是一种比较通用的面铣刀，一般用于加工平面、台阶面、沟槽和镗孔加工，通常用于圆弧插补镗削；CoroMill390型通用方肩面铣刀，适合加工所有类型的材料，一般用于加工平面、台阶面、沟槽和镗孔加工，在刀具大悬伸和不稳定的加工条件下，可以利用插铣方式进行加工，也可以进行有限宽度的凹窝加工。CoroMill 790铝铣刀的刀具外形及加工特点和390型铣刀非常相似，CoroMill 790刀具是专为满足航天航空业加工要求极高的飞机翼架零件而研发的，主要适用于镁、铝合金和其他有色金属材料的加工。和390型铣刀的区别在于790型刀片的后部带有独特的齿型沟槽，和刀体支撑面上的沟槽牢固的支撑和固定住，以防止过高的速度时产生的高轴向力引起的移位。

　　2)立铣刀的选用

　　整体硬质合金立铣刀具有底刃和侧刃，主要用于加台阶面、沟槽、仿形加工，以及刀具尺寸受限制的内凹轮廓及成形表面，加工时可同时利用刀具的底刃和侧刃切削，加工范围广泛，加工方式灵活，在生产中广泛采用。

　　常用的整体硬质合金立铣刀种类很多，选用也比较简单，选用时尽量选取直径较大的刀具，这样刀具刚性好，金属切除率高，选用时一定要注意刀具半径要小于零件内凹轮廓的半径。数控机床具有圆弧插补的功能，对于内凹圆轮廓的加工尽量选用小直径刀用圆弧指令来加工。不同的立铣刀具有不同的刀齿数，通常精加工选用刀齿数多的铣刀。一般的立铣刀刀刃不过中心，不能进行钻孔加工，进刀时应选用其它方式，如必须进行钻孔加工，应选用刀刃过中心的铣刀或键槽铣刀。

　　铣削加工选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。

　　在进行自由曲面(模具)加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此，为保证加工精度，切削行距一般采用顶端密距，故球头常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀，因此，只要在保证不过切的前提下，无论是曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀。另外，刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了月具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，则可以使整个加工成本大大降低。

　　3)孔加工刀具的选用

　　在加工中心上进行孔加工，通常分为三个工步进行，先用中心钻打中心孔、再用钻头钻孔、最后用镗刀和铰刀进行孔的精加工。中心钻通常只有Φ1.5和Φ3两种，使用尽量选大的，钻头选择时要注意给精加工留有0.4～0.6mm的余量即可，铰刀是一种定尺寸刀具，应按零件的中差值进行选用。孔加工时重点是镗刀的选用。常用的镗刀分为粗镗刀和精镗刀两类，常用的粗镗刀具多为带有两个刀片的镗削刀具，一般用于镗削通孔、台阶孔，也可利用单刃镗削，精镗刀具都带有镗孔直径调节装置，刀头可在一定范围内进行调整。使用时也要调整到镗孔的中差尺寸。

　　3 加工过程中切削用量的确定

　　切削用量的选择是决定加工效率和表面加工质量最主要的因素，在加工中应合理的进行选用，选择切削用量的主要原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下。兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。具体要考虑以下几个因素：

　　(1)切削深度ap：在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，ap就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量可略小于普通机床。

　　(2)切削宽度L：一般L与刀具直径d成正比，与切削深度成反比。经济型数控机床的加工过程中，一般L的取值范围为：L=(0.6—0.9)d。

　　(3)切削速度v：提高v也是提高生产率的一个措施，但v与刀具耐用度的关系比较密切。随着v的增大，刀具耐用度急剧下降，故v的选择主要取决于刀具耐用度。另外，切削速度与加工材料也有很大关系，例如用立铣刀铣削合金刚30CrNi2MoVA时，v可采用8m／min左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，v可选200M／min以上。一般在刀具样本中有选用刀片的推荐切削速度值，使用者可根据被加工工件的材料进行选用，机床说明书推荐的切削速度值都较大，建议选用时可适当减少。

　　(4)主轴转速n(r／min)：主轴转速一般根据切削速度V=来选定。计算公式为：v=πdn/1000。数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调(倍率)开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。

　　(5)进给速度叭Vr应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。Vf的增加也可以提高生产效率。但表面粗糙度会大大降低，因此在粗加工和加工表面粗糙度要求低时，Vf可选择得大些。精加工一般要根据表面粗糙度值选取，现在数控机床都设有进给倍率修调旋钮，编程时可设置大一些，在加工过程中，根据具体加工状态通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。

　　随着数控机床在生产实际中的广泛应用，越来越多的零件要在数控机床上加工。工件的材料和加工要求也各不相同，为了保证加工质量，提高加工效率，操作者和编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则，充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平。