數控加工中心刀具和切削用量的選擇探討
2016-10-26 來源：中國兵器工業集團第五二研究所 作者：李海豹 劉澤林 戰中學
摘要：數控機床加工生產中，在加工工藝確定的情況下，加工刀具和切削用量的合理選擇是數控加工生產的重要環節，是保證數控加工生產效率和表面加工質量的重要保證。合理選擇切削用量是切削刀具充分發揮性能的保障，合理選擇切削刀具是切削用量最有效的保證，只有將兩者有機地結合起來，才能充分發揮數控機床的加工效率和加工質量。
關鍵詞：數控加工中心；切削刀具；切削用量；數控機床；加工工藝
刀具是機床實現切削加工的直接執行者，刀具的選擇和切削用量的選擇合理與否，不僅影響到被加工零件的質量，甚至可以決定機床功效的發揮和安全生產的順利進行。所以，在編加工程序時，要選擇合理的刀具和切削用量，不但可以有效提高切削效率和加工質量，還可降低成本以獲得最佳經濟效益。
1. 加工中心用刀具的基本特征
為了適應數控機床加工精度、加工效率、加工工序集中及零件裝夾次數少等要求，數控機床對所用的刀具有許多性能的要求，加工中心用刀具及刀具系統有以下特點：（1）刀片和刀柄高度的通用化、規則化、系統化；（2）刀片和刀具參數及切削參數的規范化、典型化；（3）刀片或刀具材料及切削參數與被加工工件材料相匹配；（4）刀片或刀具的使用壽命長，加工剛性好；（5）刀片及刀柄的定位精度高，刀柄對機床主軸的相對位置要求較高；（6）刀柄須有較高的強度、剛度和耐磨性，刀柄及刀具系統的重量不能超標；（7）刀柄的轉位、重裝和重復定位精度要求高。
2. 加工中心用刀具材料
2.1 常用刀具材料
常用數控刀具材料有高速鋼、硬質合金、涂層硬質合金、陶瓷、立方氮化硼、金剛石等，其中高速鋼、硬質合金、涂層硬質合金在數控加工中的應用最廣泛。
2.2 刀具性能的比較
在常用的刀具中，高速鋼、涂層高速鋼的韌性最好，涂層硬質合金的硬度較高，硬質合金刀具層中，陶瓷刀具、立方氮化硼、金剛石刀具的硬度更高。除特殊材料外，一般不用這幾種材料的刀具（由于其硬度較高刃磨難度大，而成型刀具切削刃不易鋒利，容易崩刃，通常用于較硬的材料加工）。
2.3 刀具種類
數控加工中心常用刀具種類較多，根據刀具用途，可分為輪廓類加工刀具和孔類加工刀具等。
2.3.1 輪廓類加工刀具。
第一，面銑刀。刀片和刀齒與刀體的安裝方式有整體焊接式，機夾焊接式和可轉位式三種，運用較多的是可轉位式。當刀片切削刃磨鈍或報廢時，可直接在機床上轉位或者更換刀片，從而大大提高加工效率和產品質量，根據不同的工件外形不同的機床性能，選擇適當直徑大小的刀具型號使用方便快捷。面銑刀直徑一般為40～400mm。
第二，立銑刀。立銑刀是數控機床運用的較廣泛的一種刀具，有整體式和鑲刀片式兩種。一般直徑在Φ20mm以下用整體式。直徑在Φ20mm以上多用于鑲齒式，還有刀尖圓弧式銑刀，多用于模具加工，適用于曲面的大量加工，現在的硬質合金立銑刀也可取代鍵槽銑刀作垂直進給。
第三，球頭刀。圓柱形球頭銑刀，主要用于模具加工，精加工使用，也有成形和鑲齒兩種。主要用于曲面加工，其加工表面質量較高，球頭刀中心切削速度為零。球頭刀具不適用于平面銑削。
2.3.2 孔類加工刀具。
第一，鉆頭。加工中心常用鉆頭有中心鉆、標準麻花鉆。刀具材料有高速鋼、硬質合金和涂層硬質合金等。
第二，鉸刀。有標準高速鋼鉸刀、焊接硬質合金刀（一般用于定做尺寸，深孔鉸刀）、浮動鉸刀。
第三，鏜刀。鏜刀分為粗鏜刀、精鏜刀、浮動鏜刀等。精鏜刀采用螺絲調節式，每格精度不同，有0.002mm每格直徑，也有0.01mm每格直徑方向等。
2.3.3 一些特殊加工刀具。如T形刀具，開槽和切斷用鋸片刀具，燕尾槽成型刀具等，使用頻率較低。
3. 加工中心刀具選擇原則
應根據機床的加工能力、加工材料的性能、加工工序、切削用量以及其他因素合理地選擇刀具。刀具選擇的總原則是：刀具選用最重要的一點就是看性價比，在機床確定的條件下，首先考慮加工工件材料的切削性能，參照加工材料的性能選用價格最低的刀具，提高效益，降低成本，同時也要安裝調整方便，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，以提高刀具加工剛性。
在選取刀具時，要使刀具的直徑與加工工件的去除量相適應，平面周邊輪廓的銑削，用立銑刀；銑削平面用硬質合金盤銑刀；加工凹凸臺時使用高速鋼立銑刀；加工毛坯面或孔粗加工時，選用鑲齒硬質合金玉米銑刀；立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤銑刀。
有時候刀具的耐用度和精度與刀具價格關系極大，必須注意的是，在有些情況下，選擇價格較高的好刀具，但是好的刀具帶來加工效率和加工質量的提高，則可以使整個加工成本大大降低。
4. 切削用量選擇
在數控加工中，切削用量的選用是最為關鍵的環節，它直接影響加工效率和加工質量的提高。合理地選擇切削用量需要理論和實踐相結合，在實踐中不斷摸索實驗，才能更好地總結、歸納出比較合適的切削用量。
切削用量主要包括背吃刀量和側吃刀量、進給速度和切削速度。從刀具的耐用度考慮，切削用量的選擇方法是先選背吃刀量，其次是進給速度，最后確定切削速度。下面就筆者在平時的工作中遇到的加工參數進行分析：
第一，在機床型號為DMC635V的機床，加工厚度為20mm，材料為12Cr2Mo的工件上鉆Φ1.2mm的通孔。刀具選擇：Φ1.2mm的高速鋼鉆頭，注意鉆頭切削刃是否均勻對稱。
背吃刀量：每鉆深0.5mm提刀排屑法。
進給速度：Vf＝5mm/min。
切削速度：n＝5000mm/min。
實現加工工藝要求，順利完成加工任務。
第二，在VMC1250型號機床上，加工材料為5CrNiMo熱鍛模具，調質硬度為500HBW的狹長槽，深度為170mm的工件精加工，加工余量為單邊0.1～0.15mm。刀具選擇：Φ20mmR5的牛鼻刀，刀具長度為250mm鑲齒硬質合金刀。
背吃刀量：0.1mm
進給速度：Vf＝1800mm。
切削速度：n＝3000mm/min，采用順銑的加工方法。
程序開頭加G64連續加工指令，順利完成加工生產任務，并保證較好的加工光潔度，得到用戶的肯定。
第三，在VMC1250型號機床在685鋼板調質硬度在460HBW，厚度8mm的鋼板上鉆672個Φ10的陣列通孔，考慮加工成本核算和加工效率。
方案1：刀具選擇：Φ10mm優質高速鋼鉆頭，每支46元。
背吃刀量：一次鉆通。
進給速度：Vf＝10mm/min。
切削速度：n＝180r/min。
鉆頭在刃磨較好的情況下，一次最多鉆20多個孔。方案2：刀具選擇：Φ10mm硬質合金鉆頭，每支360元。
背吃刀量：一次鉆通。
進給速度：Vf＝30mm/min。
切削速度：n＝600r/min。
鉆頭一次最多鉆500左右個孔。
方案3：刀具選擇：Φ10mm硬質合金涂層鉆頭，每支630元。
背吃刀量：一次鉆通。
進給速度：Vf＝90mm/min。
切削速度：n＝1200r/min。
鉆頭一次最多鉆約2000個孔。這也充分地說明，使用價格高的好刀具，不一定就提高加工成本，效率的提高和數量的增加，恰恰是效益的增加。
5. 結語
隨著數控加工中心機床的發展，加工工藝要求的不斷提高，數控加工的方法也更加多樣化，從簡單的手工編程到復雜的曲面軟件編程，同時對切削刀具的要求也更加精確、多樣。在某些加工環節，實現了加工工藝的要求就是任務完成，而有些加工生產任務，是講質量、講效益、講效率的。只有合理地選擇切削刀具和切削用量，才能保證任務的順利完成，同時也使效益最大化。
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