數控加工中刀具的選擇和切削用量的確定

李寶旭

摘 要：現代刀具顯著特點是結構創新速度加快，隨著計算機應用領域的擴大，機械加工也開始運用數控技術，這時刀具選擇與用量提出了更高的要求，本文就如何確定數控加工中的刀具選擇與切削用量進行探討。

關鍵詞：數控技術；機械加工；刀具選擇

1 科學選擇數控刀具

1.1 選擇數控刀具的原則

刀具壽命與切削用量有密切關系。在制定切削用量時，應首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應根據優化的目標而定。選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據刀具復雜程度、制造和磨刀成本來選擇。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，為了充分發揮其切削性能，提高生產效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對于裝刀、換刀和調刀比較復雜的多刀機床、組合機床與自動化加工刀具，刀具壽命應選得高些，尤應保證刀具可靠性。車間內某一工序的生產率限制了整個車間的生產率的提高時，該工序的刀具壽命要選得低些當某工序單位時間內所分擔到的全廠開支M較大時，刀具壽命也應選得低些。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來確定。

1.2 選擇數控車削用刀具

數控車削車刀常用的一般分成型車刀、尖形車刀、圓弧形車刀以及三類。成型車刀也稱樣板車刀，其加工零件的輪廓形狀完全由車刀刀刃的形伏和尺寸決定。數控車削加工中，常見的成型車刀有小半徑圓弧車刀、非矩形車槽刀和螺紋刀等。在數控加工中，應盡量少用或不用成型車刀。尖形車刀是以直線形切削刃為特征的車刀。這類車刀的刀尖由直線形的主副切削刃構成，如900內外圓車刀、左右端面車刀、切槽（切斷）車刀及刀尖倒棱很小的各種外圓和內孔車刀。尖形車刀幾何參數（主要是幾何角度）的選擇方法與普通車削時基本相同，但應結合數控加工的特點（如加工路線、加工干涉等）進行全面的考慮，并應兼顧刀尖本身的強度。

圓弧形車刀是以一圓度或線輪廓度誤差很小的圓弧形切削刃為特征的車刀。該車刀圓弧刃每一點都是圓弧形車刀的刀尖，應此，刀位點不在圓弧上，而在該圓弧的圓心上。圓弧形車刀可以用于車削內外表面，特別適合于車削各種光滑連接（凹形）的成型面。選擇車刀圓弧半徑時應考慮兩點車刀切削刃的圓弧半徑應小于或等于零件凹形輪廓上的最小曲率半徑，以免發生加工干淺該半徑不宜選擇太小，否則不但制造困難，還會因刀尖強度太弱或刀體散熱能力差而導致車刀損壞。

1.3 選擇數控銑削用刀具

在數控加工中，銑削平面零件內外輪廓及銑削平面常用平底立銑刀，該刀具有關參數的經驗數據如下：一是銑刀半徑RD應小于零件內輪廓面的最小曲率半徑Rmin，一般取RD=（0.8一0.9）Rmin。二是零件的加工高度H<（1/4-1/6）RD，以保證刀具有足夠的剛度。三是用平底立銑刀銑削內槽底部時，由于槽底兩次走刀需要搭接，而刀具底刃起作用的半徑Re=R-r，即直徑為d=2Re=2（R-r），編程時取刀具半徑為Re=0.95（Rr）。對于一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常用球形銑刀、環形銑刀、鼓形銑刀、錐形銑刀和盤銑刀。

目前，數控機床上大多使用系列化、標準化刀具，對可轉位機夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標準及系列化型號對于加工中心及有自動換刀裝置的機床，刀具的刀柄都已有系列化和標準化的規定，如錐柄刀具系統的標準代號為TSG-JT，直柄刀具系統的標準代號為DSG-JZ，此外，對所選擇的刀具，在使用前都需對刀具尺寸進行嚴格的測量以獲得精確數據，并由操作者將這些數據輸入數據系統，經程序調用而完成加工過程，從而加工出合格的工件。

2 設置刀點和換刀點

刀具究竟從什么位置開始移動到指定的位置呢？所以在程序執行的一開始，必須確定刀具在工件坐標系下開始運動的位置，這一位置即為程序執行時刀具相對于工件運動的起點，所以稱程序起始點或起刀點。此起始點一般通過對刀來確定，所以，該點又稱對刀點。在編制程序時，要正確選擇對刀點的位置。對刀點設置原則是：便于數值處理和簡化程序編制。易于找正并在加工過程中便于檢查；引起的加工誤差小。對刀點可以設置在加工零件上，也可以設置在夾具上或機床上，為了提高零件的加工精度，對刀點應盡量設置在零件的設計基準或工藝基誰上。實際操作機床時，可通過手工對刀操作把刀具的刀位點放到對刀點上，即“刀位點”與“對刀點”的重合。所謂“刀位點”是指刀具的定位基準點，車刀的刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點；球頭銑刀是球頭的球心，鉆頭是鉆尖等。用手動對刀操作，對刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學對刀鏡、對刀儀、自動對刀裝置等，以減少對刀時間，提高對刀精度。加工過程中需要換刀時，應規定換刀點。所謂“換刀點”是指刀架轉動換刀時的位置，換刀點應設在工件或夾具的外部，以換刀時不碰工件及其它部件為準。

3 確定切削用量

數控編程時，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，充分發揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發揮機床的性能，最大限度提高生產率，降低成本。

3.1 確定主軸轉速

主軸轉速應根據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。計算的主軸轉速n，最后要選取機床有的或較接近的轉速。

3.2 確定進給速度（走刀速度）

進給速度是數控機床切削用量中的重要參數，主要根據零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質選取。最大進給速度受機床剛度和進給系統的性能限制。確定進給速度的原則：當工件的質量要求能夠得到保證時，為提高生產效率，可選擇較高的進給速度。一般在100一200mm/min范圍內選取；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范圍內選取；當加工精度，表面粗糙度要求高時，進給速度應選小些，一般在20--50mm/min范圍內選取；刀具空行程時，特別是遠距離“回零”時，可以設定該機床數控系統設定的最高進給速度。

3.3 確定背吃刀量（切削深度）

背吃刀量根據機床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應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，提高生產效率。為了保證加工表面質量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5m m，總之，切削用量的具體數值應根據機床性能、相關的手冊并結合實際經驗用類比方法確定。

同時，使主軸轉速、切削深度及進給速度三者能相互適應，以形成最佳切削用量。

切削用量不僅是在機床調整前必須確定的重要參數，而且其數值合理與否對加工質量、加工效率、生產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），在保證質量的前提下，獲得高的生產率和低的加工成本的切削用量。