數控加工中心刀具和切削用量的選擇
2016-12-8 來源：福建三明林業學校 作者：林峰銘
摘要：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。在數控銑上加工零件，保證零件加工質量是非常重要的，我們不僅要充分發揮機床本身的性能，更為重要的是刀具和切削用量的確定是十分重要的，刀具的選擇和切削用量的確定是提高加工質量和加工效率的關鍵。
關鍵詞：數控加工中心；刀具；切削用量
引言：
刀具選擇與切削用量確定是數控銑加工中十分重要的環節，直接關系到加工精度、加工表面質量、加工效率。選擇合適的刀具和切削用量可使加工以最低的成本、最短的時間達到最佳的加工質量。在切削加工中，切削用量和刀具對加工精度、表面質量、生產效率和生產成本會產生較大的影響。加工速度快、生產效率高是數控加工相比傳統切削加工的優勢，在“優質、高產、低成本”這一大的原則下，切削用量和刀具能否正確選擇和使用對數控加工發揮其優勢有較大的影響。
一、數控加工刀具的選擇
數控銑床的加工效率，加工質量與銑刀的選擇有直接的關系。在數控銑床加工工藝中有著重要意義。數控銑床加工對刀具的要求更高，要求具備精度高、強度大、剛度好、耐用度高，而且要求尺寸穩定、安裝調整方便。刀具及刀柄正確選擇應根據機床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量等因素來選擇。刀具選擇應遵循的原則是：安裝調整方便、剛性好、壽命和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工時的剛性。
（一）數控銑削加工常用刀具的種類
數控銑削刀具按結構可分為整體式、鑲嵌式。鑲嵌式包括焊接式、機夾式。刀具按材料可分為特殊形式、高速鋼刀具、硬質合金刀具、金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具。加工工藝分為鉆削刀具、銑削刀具、鏜削刀具。按刀具形狀分為平底刀、球頭刀、錐度刀、T 形刀、桶狀刀、異形刀。
（二）數控加工刀具的選擇
1、刀具的選擇
在進行自由曲面（模具）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，切削行距一般采用頂端密距，故球頭常用于曲面的精加工。平頭刀具在表面加工質量和切削效率方面都優于球頭刀，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，都應優先選擇平頭刀。另外，刀具的耐用度和精度與刀具價格關系極大，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，各種刀具分別裝在刀庫上，按程序規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、擴、鉸、鏜、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。編程人員應了解機床上所用刀柄的結構尺寸、調整方法以及調整范圍，以便在編程時確定刀具的徑向和軸向尺寸。
2、刀具切削壽命與切削用量之間的關系
制定切削用量時，先應考慮刀具壽命，根據刀具壽命選擇刀具的原則是：根據刀具復雜程度、制造、磨刀成本選擇。復雜和精度高的刀具壽命應選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉位刀具，由于換刀時間短，為了充分發揮切削性能、提高生產效率，刀具壽命可選得低些，一般取15 ～ 30min。對于裝刀、換刀、調刀比較復雜的多刀機床、組合床與自動化加工刀具，刀具壽命應選得高些，尤其要保證刀具可靠性。大件精加工時，為保證至少完成一次走刀，避免切削時中途換刀，刀具壽命應按零件精度和表面粗糙度確定。
3、刀具材料的選擇
所選擇的刀具要有足夠高的硬度，以適應高壓力、高溫度和和劇烈摩擦，一般情況下刀具材料的硬度至少要在工件材料的硬度以上60HRC；要有較好的耐磨性，較好的耐磨性可以減少刀具的磨損，從而延長刀具的使用壽命；要有較高的韌性，只有具有足夠好的韌性，才能承受切削力、沖擊和工藝系統的振動；為保證刀具的硬度、耐磨性和韌性在高溫下不發生或僅產生較小的變化，要求刀具材料的耐高溫性能要好；刀具材料良好的工藝性也是重要的一個方面，這有利于刀具的維修和制造。如表1 所示。
表1 常用刀具材料的性能比較
二、切削用量的選擇
銑削加工切削用量包括切削速度、進給速度、背吃刀量、側吃刀量。切削用量主要影響切削力、切削功率、刀具磨損、加工質量和加工成本。切削用量的選擇應遵循以下原則：在保證零件加工精度和表面粗糙度的前提下，應充分發揮刀具的切削性能和刀具的耐用度，同時充分發揮機床的性能，對于不同的加工方法需選用不同的切削用量，編程人員在編程時應確定每到工序的切削用量，這樣可最大限度提高生產效率、降低加工成本。
（一）背吃刀量ap 的選擇
車削加工一般情況下可以分為粗車、半精車和精車。粗車（Ra 為50 ～ 12.5μm）時，全部加工余量盡可能在一次走刀過程中切除，在中等功率的機床上，背吃刀量可以取為8 ～ 10mm。半精車（Ra 為6.3 ～ 3.2μm）時，背吃刀量可以取為0.5 ～ 2mm。精車（Ra 為1.6 ～ 0.8μm）時，背吃刀量可以取為0.1 ～ 0.4mm。在碰到以下情形時，粗車一般最好分幾次走刀。首先，工件所留的加工余量過多時，一次走刀會使切削力太大，會出現機床功率不足或刀具強度不夠的情況。其次，工藝系統的剛性不夠，或者工件的加工余量非常不均勻，這兩種情況造成車削過程中引起很大的振動時。第三，在斷續切削中，刀具因受到很大沖擊而打刀時。在以上情形中，如果需要分兩次走刀，那么第一次走刀的背吃刀量要盡可能取的大一點，第二次走刀的背吃刀量要盡可能的取小一點，才能保證精加工的刀具具較長的刀具使用壽命，高的加工精度和較小的表面粗糙度。第二次走刀時，背吃刀量可以取加工余量的1/3 ～ 1/4 左右。
（二）進給速度f 的確定
在數控車削加工中，粗車時，一般沒有太高的工件表面粗糙度要求，這時切削力一般情況下很大，所以合理的進給量f 等于是工藝系統能承受的最大限度的進給量。這一進給量受到下列一些因素的限制：車刀刀桿的強度及剛度、車床進給機構的強度、刀片的強度和工件的裝卡剛度等。進給量包括進給速度（fυ）和每齒進給量。切削刃上的的選定點相對于工件的進給的瞬時速度稱為進給速度。刀具在進給運動方向上相對工件的位移量稱為進給量，單位mm/r。半精加工和精加工主要目的是提高零件的表面質量和加工精度，不能盲目增大切削深度，依據粗加工時剩余的余量，采用切削深度逐刀減小的方法，使得加工精度和表面質量逐步提高。進給速度選擇的過大會降低加工精度和表面質量，在半精加工和精加工時一般20 ～ 50mm/min 是合理的選擇區間。
（三）切削速度vc 的確定
1）切削速度vC與積屑瘤高度Hb 的關系。因為積屑瘤的頂部特別不穩定，易破裂，并且破裂的一些碎片可能會粘在已經車過的表面上；積屑瘤使刀具切入深度增加了一個Δh，且積屑瘤會周期性的產生、生長、脫落，導致Δh 也周期性的增加和減小，它變化有可能引起振動，所以在精車時應該選擇合理的切削速度，以避開積屑瘤的最易生成的車削速度區域。在低速車削Ⅰ區不產生積屑瘤；在Ⅱ區中積屑瘤高度隨切削速度增大而加大到最大值；在Ⅲ區內積屑瘤高度隨車削速度增加而減小；在Ⅳ區內積屑瘤不再產生。因此，在實際生產加工中，切削速度要盡可能避開中速區。2）切削速度的確定。根據選定的背吃刀量ap，進給量f 及刀具壽命T，按下列公式計算
但是大多數時候，人們往往是選擇直接從切削速度經驗參考值表直接查詢而得（見表2）。
表2 銑削加工切削速度參考表
三、結束語
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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