數控加工中刀具選擇與切削量的確定 刀具的選擇和切削用量的確定是數控加工工藝中的重要內容，它不僅影響數控機床的加工效率，而且直接影響加工質量。CAD/CAM技術的發展，使得在數控加工中直接利用CAD的設計資料成為可能，特別是微機與數控機床的聯接，使得設計、工藝規劃及程式設計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檔案。 現在，許多CAD/CAM軟體包都提供自動程式設計功能，這些軟體一般是在程式設計介面中提示工藝規劃的有關問題，比如，刀具選擇、加工路徑規劃、切削用量設定等，程式設計人員只要設定了有關的引數，就可以自動生成NC程式並傳輸至數控機床完成加工。因此，數控加工中的刀具選擇和切削用量確定是在人機互動狀態下完成的，這與普通機床加工形成鮮明的對比，同時也要求程式設計人員必須掌握刀具選擇和切削用量確定的基本原則，在程式設計時充分考慮數控加工的特點。本文對數控程式設計中必須面對的刀具選擇和切削用量確定問題進行了探討，給出了若干原則和建議，並對應該注意的問題進行了討論。 一、數控加工常用刀具的種類及特點 數控加工刀具必須適應數控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般應包括通用刀具、通用連線刀柄及少量專用刀柄。刀柄要聯接刀具並裝在機床動力頭上，因此已逐漸標準化和系列化。數控刀具的分類有多種方法。根據刀具結構可分為：①整體式；②鑲嵌式，採用焊接或機夾式連線，機夾式又可分為不轉位和可轉位兩種；③特殊型式，如複合式刀具，減震式刀具等。根據製造刀具所用的材料可分為：①高速鋼刀具；②硬質合金刀具；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、內孔、螺紋、切割刀具等多種；②鑽削刀具，包括鑽頭、鉸刀、絲錐等；③鏜削刀具；④銑削刀具等。為了適應數控機床對刀具耐用、穩定、易調、可換等的要求，近幾年機夾式可轉位刀具得到廣泛的應用，在數量上達到整個數控刀具的30%～40%，金屬切除量佔總數的80%～90%。 數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： ⑴剛性好（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及熱變形小； ⑵互換性好，便於快速換刀； ⑶壽命高，切削效能穩定、可靠； ⑷刀具的尺寸便於調整，以減少換刀調整時間； ⑸刀具應能可靠地斷屑或卷屑，以利於切屑的排除； ⑹系列化，標準化，以利於程式設計和刀具管理。 二、數控加工刀具的選擇 刀具的選擇是在數控程式設計的人機互動狀態下進行的。應根據機床的加工能力、工件材料的效能、加工工序、切削用量以及其它相關因素正確選用刀具及刀柄。刀具選擇總的原則是：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，儘量選擇較短的刀柄，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。生產中，平面零件周邊輪廓的加工，常採用立銑刀；銑削平面時，應選硬質合金刀片銑刀；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，常採用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。 在進行自由曲面加工時，由於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，故球頭常用於曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工質量和切削效率方面都優於球頭刀，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，都應優先選擇平頭刀。另外，刀具的耐用度和精度與刀具價格關係極大，必須引起注意的是，在大多數情況下，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，按程式規定隨時進行選刀和換刀動作。因此必須採用標準刀柄，以便使鑽、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。程式設計人員應瞭解機床上所用刀柄的結構尺寸、調整方法以及調整範圍，以便在程式設計時確定刀具的徑向和軸向尺寸。目前中國的加工中心採用TSG工具系統，其刀柄有直柄（三種規格）和錐柄（四種規格）兩種，共包括16種不同用途的刀柄。 在經濟型數控加工中，由於刀具的刃磨、測量和更換多為人工手動進行，佔用輔助時間較長，因此，必須合理安排刀具的排列順序。一般應遵循以下原則：①儘量減少刀具數量；②一把刀具裝夾後，應完成其所能進行的所有加工部位；③粗精加工的刀具應分開使用，即使是相同尺寸規格的刀具；④先銑後鑽；⑤先進行曲面精加工，後進行二維輪廓精加工；⑥在可能的情況下，應儘可能利用數控機床的自動換刀功能，以提高生產效率等。 三、數控加工切削用量的確定 合理選擇切削用量的原則是，粗加工時，一般以提高生產率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質量的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書、切削用量手冊，並結合經驗而定。 ⑴切削深度t。在機床、工件和刀具剛度允許的情況下，t就等於加工餘量，這是提高生產率的一個有效措施。為了保證零件的加工精度和表面粗糙度，一般應留一定的餘量進行精加工。數控機床的精加工餘量可略小於普通機床。 ⑵切削寬度L。一般L與刀具直徑d成正比，與切削深度成反比。經濟型數控加工中，一般L的取值範圍為：L=（0.6～0.9）d。 ⑶切削速度v。提高v也是提高生產率的一個措施，但v與刀具耐用度的關係比較密切。隨著v的增大，刀具耐用度急劇下降，故v的選擇主要取決於刀具耐用度。另外，切削速度與加工材料也有很大關係，例如用立銑刀銑削合金剛30CrNi2MoVA時，v可採用8m/min左右；而用同樣的立銑刀銑削鋁合金時，v可選200m/min以上。 ⑷主軸轉速n(r/min)。主軸轉速一般根據切削速度v來選定。計算公式為： 式中，d為刀具或工件直徑（mm）。 數控機床的控制面板上一般備有主軸轉速修調（倍率）開關，可在加工過程中對主軸轉速進行整倍數調整。 ⑸進給速度vF 。vF應根據零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料來選擇。vF的增加也可以提高生產效率。加工表面粗糙度要求低時，vF可選擇得大些。在加工過程中，vF也可透過機床控制面板上的修調開關進行人工調整，但是最大進給速度要受到裝置剛度和進給系統性能等的限制。 隨著數控機床在生產實際中的廣泛應用，數控程式設計已經成為數控加工中的關鍵問題之一。在數控程式的編制過程中，要在人機互動狀態下即時選擇刀具和確定切削用量。因此，程式設計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量和加工效率，充分發揮數控機床的優點，提高企業的經濟效益和生產水平。
數控加工中刀具選擇與切削量的確定 刀具的選擇和切削用量的確定是數控加工工藝中的重要內容，它不僅影響數控機床的加工效率，而且直接影響加工質量。CAD/CAM技術的發展，使得在數控加工中直接利用CAD的設計資料成為可能，特別是微機與數控機床的聯接，使得設計、工藝規劃及程式設計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檔案。 現在，許多CAD/CAM軟體包都提供自動程式設計功能，這些軟體一般是在程式設計介面中提示工藝規劃的有關問題，比如，刀具選擇、加工路徑規劃、切削用量設定等，程式設計人員只要設定了有關的引數，就可以自動生成NC程式並傳輸至數控機床完成加工。因此，數控加工中的刀具選擇和切削用量確定是在人機互動狀態下完成的，這與普通機床加工形成鮮明的對比，同時也要求程式設計人員必須掌握刀具選擇和切削用量確定的基本原則，在程式設計時充分考慮數控加工的特點。本文對數控程式設計中必須面對的刀具選擇和切削用量確定問題進行了探討，給出了若干原則和建議，並對應該注意的問題進行了討論。 一、數控加工常用刀具的種類及特點 數控加工刀具必須適應數控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般應包括通用刀具、通用連線刀柄及少量專用刀柄。刀柄要聯接刀具並裝在機床動力頭上，因此已逐漸標準化和系列化。數控刀具的分類有多種方法。根據刀具結構可分為：①整體式；②鑲嵌式，採用焊接或機夾式連線，機夾式又可分為不轉位和可轉位兩種；③特殊型式，如複合式刀具，減震式刀具等。根據製造刀具所用的材料可分為：①高速鋼刀具；②硬質合金刀具；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、內孔、螺紋、切割刀具等多種；②鑽削刀具，包括鑽頭、鉸刀、絲錐等；③鏜削刀具；④銑削刀具等。為了適應數控機床對刀具耐用、穩定、易調、可換等的要求，近幾年機夾式可轉位刀具得到廣泛的應用，在數量上達到整個數控刀具的30%～40%，金屬切除量佔總數的80%～90%。 數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： ⑴剛性好（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及熱變形小； ⑵互換性好，便於快速換刀； ⑶壽命高，切削效能穩定、可靠； ⑷刀具的尺寸便於調整，以減少換刀調整時間； ⑸刀具應能可靠地斷屑或卷屑，以利於切屑的排除； ⑹系列化，標準化，以利於程式設計和刀具管理。 二、數控加工刀具的選擇 刀具的選擇是在數控程式設計的人機互動狀態下進行的。應根據機床的加工能力、工件材料的效能、加工工序、切削用量以及其它相關因素正確選用刀具及刀柄。刀具選擇總的原則是：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，儘量選擇較短的刀柄，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。生產中，平面零件周邊輪廓的加工，常採用立銑刀；銑削平面時，應選硬質合金刀片銑刀；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，常採用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。 在進行自由曲面加工時，由於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，故球頭常用於曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工質量和切削效率方面都優於球頭刀，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，都應優先選擇平頭刀。另外，刀具的耐用度和精度與刀具價格關係極大，必須引起注意的是，在大多數情況下，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，按程式規定隨時進行選刀和換刀動作。因此必須採用標準刀柄，以便使鑽、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。程式設計人員應瞭解機床上所用刀柄的結構尺寸、調整方法以及調整範圍，以便在程式設計時確定刀具的徑向和軸向尺寸。目前中國的加工中心採用TSG工具系統，其刀柄有直柄（三種規格）和錐柄（四種規格）兩種，共包括16種不同用途的刀柄。 在經濟型數控加工中，由於刀具的刃磨、測量和更換多為人工手動進行，佔用輔助時間較長，因此，必須合理安排刀具的排列順序。一般應遵循以下原則：①儘量減少刀具數量；②一把刀具裝夾後，應完成其所能進行的所有加工部位；③粗精加工的刀具應分開使用，即使是相同尺寸規格的刀具；④先銑後鑽；⑤先進行曲面精加工，後進行二維輪廓精加工；⑥在可能的情況下，應儘可能利用數控機床的自動換刀功能，以提高生產效率等。 三、數控加工切削用量的確定 合理選擇切削用量的原則是，粗加工時，一般以提高生產率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質量的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書、切削用量手冊，並結合經驗而定。 ⑴切削深度t。在機床、工件和刀具剛度允許的情況下，t就等於加工餘量，這是提高生產率的一個有效措施。為了保證零件的加工精度和表面粗糙度，一般應留一定的餘量進行精加工。數控機床的精加工餘量可略小於普通機床。 ⑵切削寬度L。一般L與刀具直徑d成正比，與切削深度成反比。經濟型數控加工中，一般L的取值範圍為：L=（0.6～0.9）d。 ⑶切削速度v。提高v也是提高生產率的一個措施，但v與刀具耐用度的關係比較密切。隨著v的增大，刀具耐用度急劇下降，故v的選擇主要取決於刀具耐用度。另外，切削速度與加工材料也有很大關係，例如用立銑刀銑削合金剛30CrNi2MoVA時，v可採用8m/min左右；而用同樣的立銑刀銑削鋁合金時，v可選200m/min以上。 ⑷主軸轉速n(r/min)。主軸轉速一般根據切削速度v來選定。計算公式為： 式中，d為刀具或工件直徑（mm）。 數控機床的控制面板上一般備有主軸轉速修調（倍率）開關，可在加工過程中對主軸轉速進行整倍數調整。 ⑸進給速度vF 。vF應根據零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料來選擇。vF的增加也可以提高生產效率。加工表面粗糙度要求低時，vF可選擇得大些。在加工過程中，vF也可透過機床控制面板上的修調開關進行人工調整，但是最大進給速度要受到裝置剛度和進給系統性能等的限制。 隨著數控機床在生產實際中的廣泛應用，數控程式設計已經成為數控加工中的關鍵問題之一。在數控程式的編制過程中，要在人機互動狀態下即時選擇刀具和確定切削用量。因此，程式設計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量和加工效率，充分發揮數控機床的優點，提高企業的經濟效益和生產水平。