淺析數控銑加工中的刀具及切削用量的選擇

汪朝陽

中國空空導彈研究院 河南洛陽 471009

現在許多計算機輔助設計軟件如MasterCAM、UG、Pro/ENGINEER等，都具有計算機輔助編程模塊，利用工序模型，通過和編程人員的交互自動生成數控程序。人機交互時提示編程員選擇加工順序以及使用的刀具類別、刀具幾何結構參數和切削用量等，然后就可以得到零件的數控程序。數控機床接收到所需的數控后就可以自動完成零件加工。在人機交互過程中，正確選用刀具、設置合理的切削參數，不僅對零件的加工質量起主要作用，還顯著影響零件加工的效率、成本和機床功效的發揮，甚至關乎人員和設備的安全。因此對數控編程人員來說，掌握刀具選用的方法和正確設置切削參數是必備的技能。針對數控加工設備及加工方法的特點，綜合考慮零件結構、加工精度和材料等因素，在數控程序編制過程中，選用合適的刀具種類、刀具規格、材料和切削參數，是成為一名合格數控編程員的前提和基礎。本文通過對數控加工中刀具選用方法、切削參數的設置原則進行分析，并總結出共性的方法和設置原則，以期對其他編程員有所幫助。

1 刀具類別

數控機床通常具有刀庫，可以裝載多把刀具，通過機床的自動換刀勝任復雜的零件加工任務。而數控刀具為了適應數控機床自動化連續生產以及現在日益進步的高速、高效特點，刀具的標準化、系列化、通用化和模塊化的特點也越來越明顯。數控刀具從切削工藝上可分為：(1)車削刀具，如外圓車刀、內孔車刀、端面車刀、切槽刀、切斷刀、螺紋刀等；(2)銑削刀具，如加工小平面或臺階面、腔槽的立銑刀、加工曲面的球頭刀、加工特殊截面、側壁凹陷的燕尾槽刀、T型刀、切斷所用的鋸片刀、加工大平面的盤銑刀及棱邊倒角的倒角刀、加工螺紋的螺紋銑刀和錐度的錐度銑刀等；(3)孔加工刀具，如鉆頭、中心鉆、鉸刀、鏜刀、絲錐等；(4)齒輪刀具，按刀具的工作原理分為成形齒輪刀具和展成齒輪刀具，成形齒輪刀具分為盤形齒輪刀具和指形齒輪刀具，展成齒輪刀具分為插齒刀、滾齒刀和剃齒刀。

數控銑刀具從加工結構上主要分為銑削刀具、孔加工刀具和特殊刀具。銑削刀具主要實現平面、輪廓和腔臺等加工，而孔加工刀具主要實現孔類結構加工，為了實現特殊的結構和要素的加工，現在還出現了針對特殊加工的專用刀具。如圖1所示復合式刀具，一把刀具可以同時完成鉆孔、臺階孔、孔口劃窩或锪平面等，圖2所示為減震式刀具等。另外根據刀具的結構形式，數銑刀具可分為：整體式刀具和鑲嵌式刀具，鑲嵌式一般多用于硬質合金刀片和刀桿的連接，其中固定式采用焊接方式將刀片和刀桿連接在一起，不可拆卸；可換式一般采用機夾式結構，通過螺釘或壓板將刀片裝夾固定在刀桿上，刀片磨損后可以進行更換，機夾式根據是否可實現刀片的轉位加工，又分為不轉位刀具、可轉位刀具。還可以根據刀具所用的材料進行如下分類：(1)高速鋼刀具，采用高速鋼制造的結構復雜的成形刀具，如銑刀、鉆頭、螺紋刀具、齒輪刀具、拉刀等，一般適用于中、低速加工；(2)硬質合金刀具，具有較好的硬度、紅硬性和耐磨性，應用于高速切削中；(3)超硬刀具，如陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金剛石刀具等，具有極高的硬度和耐磨性，一般用于高硬度難加工材料的半精加工和精加工。

圖1 復合刀具示例

2 數控銑加工對刀具的要求

數銑刀具在選擇時要考慮諸多因素，首先，考慮工藝加工內容及要求，如小平面或側面周邊輪廓要用立銑刀進行銑削，而大的平面一般選擇合金刀片的盤銑刀來銑削；在進行凹凸臺或曲面加工時，一般選擇球頭銑刀；在加工曲面、復雜的腔臺型面與變輪廓外形時，為避免刀具過切，刀具多選擇球頭刀、牛鼻銑刀、環形銑刀、錐形銑刀與T型銑刀。其次，考慮零件的加工階段，粗加工時一般去除余量大，首要考慮加工效率，宜選擇直徑大、短柄刀具，以確保刀具的剛性而精加工階段更多考慮產生較小的切削力以保證零件尺寸和形位公差要求。在進行毛坯面與孔粗加工時，應使用鑲齒硬質合金玉米銑刀。同時考慮零件材料、剛性和加工精度等，選擇適宜的刀具材質和涂層，防止出現刀具或涂層與零件元素，在高溫和壓力下產生相互親合加劇刀具磨損。最后，在選用刀具時兼顧其性價比，當明確選用的機床時，參考加工零件的切削能力，據此來選擇相對便宜的刀具，減少成本，提升收益。但是在節約成本的時候，也要考慮刀具的精度、安裝與調試的方便性、剛性以及刀具耐用度。刀具選擇時除了考慮零件的加工精度、生產效率、生產成本外，還需考慮刀具的斷屑性能以及是否便于快速調整與更換。下面介紹刀具選擇的一般原則。

2.1 選擇剛性好的刀具

刀具剛性好可以充分發揮機床優勢，采用大余量切削提高生產效率，還可避免工藝系統的振動提高尺寸精度和表面質量。如果刀具剛性不太好，當加工余量不均且相差較大，人工操作設備可以根據余量大小自主調整分層切削，而數控銑削由于必須按照程序規定刀路和切削量加工，無法智能識別和調整，余量過大可能產生斷刀。而采用較小的切削余量加工，雖然不會出現刀具損壞，但容易產生空走刀多、切削參數保守加工效率低等問題。而刀具剛性較好時就無須關注余量的不均。

2.2 選擇耐用度高的刀具

刀具耐用度不高，則加工過程中刀具磨損會較快，刀具狀態的變化首先直接影響工件的加工精度，刀具磨損還加大切削力導致零件變形超差；由于換刀時對刀的誤差會導致加工表面產生接刀痕跡，影響表面質量與加工精度；另外換刀、對刀次數的增加也會導致有效加工時間的縮短，降低機床的利用率，還加大了刀具的損耗，增加了生產成本。

2.3 選擇高品質的刀具

數控機床具有高效、高速，可以自動控制連續加工的特點，但如果沒有匹配與之對應的高品質的數控刀具，數控機床也就無法發揮其高效性。例如，現在廣泛的高速切削加工中心，由于其加工時刀具線速度非常高，如果刀具的紅硬性和耐磨性不好，則其磨損非常快，無法保證零件加工精度，而選擇低的切削速度則不能充分發揮高速切削的優勢。其次重視刀具制造精度，特別是刀具刀柄系統的動平衡性，以免高速轉動時產生振動影響加工精度。

3 數控銑加工刀具類型的選擇

數控編程人員通過人機交互選擇加工所用的刀具，刀具選擇時應考慮以下因素：機床的加工能力和剛性、工件材料的切削性、加工結構特點、零件剛性、加工精度和表面質量等其他相關因素。選擇出合適的刀具及刀柄，才能既保證零件加工質量又具有很高的加工效率。刀具選擇的一般原則主要有：刀具安裝和調整方便，機夾式刀片磨損后方便進行更換；刀具的剛性好，利用大余量切削，提高加工效率；刀具的耐用度高，無須經常更換和對刀。另外為提高刀具的剛性，在滿足加工深度要求的前提下，刀具選擇和裝刀時盡量減少刀具的伸出長度。下面將按照被加工零件的幾何形狀和刀具種類，介紹刀具選擇的一般原則。

3.1 銑削刀具的選用

一般選擇鑲嵌式盤形銑刀加工較大的平面，由于刀具直徑大，減少了重復走刀次數，不僅可以提高銑削效率，同時避免刀路之間的接刀痕跡，提高加工表面質量；一般選擇圓柱銑刀加工小平面、凸臺、臺階面和側面輪廓；鍵槽銑刀由于具有過中心切削能力，適宜加工鍵槽、腰形槽等封閉凹槽，而兩刃鍵槽銑刀容屑空間大，適宜大余量加工，便于確保槽的加工尺寸精度；加工曲面時一般選擇球頭刀，可以避免刀尖與工件表面發生干涉過切，同時實現加工區刀尖與被加工面在相切。

3.2 孔加工刀具的選用

數控機床孔在進行孔加工時，通過移動主軸或工作臺到指定位置，實現孔位的保證。由于麻花鉆的只有鉆心連接，其剛性差，同時鉆削區域切削液很難進入，溫度高排屑性能差，區別與鉗工鉆模鉆孔，鉆孔容易歪斜。因此一般選用鉆頭深度與直徑比值應小于等于5；同時先用中心鉆打出中心孔，再鉆孔可以較好地滿足孔的定位精度；精鉸前首先對孔口倒角以方便導向，再選擇浮動鉸刀消除鉸孔的位置偏差；鏜孔時使用多刃鏜刀可以有效平衡鏜削力，消除鏜孔時的振動，另外選擇建議較粗較短的刀桿，如果刀桿與孔壁干涉，僅去除干涉位置材料，盡量提高刀桿的剛性，利于保證孔的尺寸精度和表面質量。除了刀具選擇要合適外，其加工方法也比較主要，主要遵循原則有：(1)盡量合并刀具種類，減少刀具數量；(2)加工時一把刀具調用后，盡可能一次完成該刀具的所有加工要素；(3)粗加工和精加工的刀具盡量分開，雖然增加了刀具數量，但減小了精加工刀具的磨損量，有利于保證零件加工精度；(4)先銑平面再加工該面上的孔，避免了鉆孔的滑移；(5)如果既加工曲面又加工側面輪廓，應先精加工曲面，再對其輪廓進行精加工。另外盡量選擇硬度、耐磨性和耐用度好的刀具，雖然表面上看生產成本較高，但由于刀具切削時間長，精度保持性高使得零件的加工質量高，同時切削效率高，加工中斷得較少，綜合下來生產成本反而會大大降低。

4 切削參數的確定

切削參數包括切削速度(刀具轉速)、進給速度(走刀速度)、吃刀深度、側吃刀深度等。數控編人員通常依據個人經驗，指定每把刀具每次走刀時的切削參數，通過程序語句寫入數控程序中。按照加工方法、刀具材料、零件剛性和余量大小等設置刀具的切削參數。切削參數的設置原則是：在滿足零件加工尺寸精度、形位公差和表面質量的前提下，應選擇較大的切削參數，按照吃刀深度、進給速度、切削速度依次調大參數，以提高刀具的切削性能，從而盡可能地提高加工效率，降低生產成本。

4.1 切削速度的確定

銑削時切削速度的大小對刀具的耐用度影響較大，其與刀具的耐用度T、側吃刀量ae、背吃刀量ap、每齒進給量fz以及銑刀齒數Z成反比，和銑刀的直徑d成正比。側吃刀量ae、背吃刀量ap、每齒進給量fz以及銑刀齒數增大時，參與切削的齒數增多，刀刃負荷加大，切削區域切削熱變大，溫度升高，導致刀具磨損加劇，所以通常根據設定的刀具耐用度選擇合適的切削速度。大直徑的銑刀有利于刀具散熱，此時可選擇較高的切削速度。下表針對鋼和鑄鐵材料，列出了不同材料不同硬度狀態下銑削的推薦切削速度。

銑削時的切削速度參考表

4.2 進給速度的確定

進給速度F是影響數控加工效率的主要參數之一，一般根據零件的表面加工質量、尺寸精度和表面粗糙度等要求選擇，同時還應綜合考慮刀具材料、零件材料的切削性能、切削余量。在零件輪廓切削時，為避免切削力的突變損壞刀具，編程時一般在接近拐角處或切削余量突變處減小進給量，以克服運動慣性或工藝系統受力變形，消除在零件輪廓拐角處造成過切或欠切現象。

進給速度的設置原則：(1)在滿足工件加工質量要求的前提下，選擇較大的進給速度，從而提高加工效率。通常切削時進給速度范圍在100～200mm/min之間。(2)在使用鋸片刀切斷零件、進行深孔加工或高速鋼刀具切削時，一般采用較低的進給速度，進給速度范圍控制在20～50mm/min之間。(3)當零件加工精度較高，表面質量要求嚴格時，此時進給速度應當選擇較小數值，一般在20～50mm/min之間內選取。(4)刀具空走刀時，應根據該機床的數控系統設定的最高空走速度設定。

4.3 背吃刀量的確定

在滿足零件加工表面粗糙度的前提下，應依據機床、工裝、刀具和零件的工藝剛度來選擇背吃刀量。在工藝系統剛性允許的前提下，為提高加工效率推薦采用大的背吃刀量，從而減少走刀次數。當工件表面粗糙度數值為Ra3.2～12.5μm時，建議加工分為粗銑、半精銑兩個工步完成，粗銑以后余量留0.5～1.0mm；當工件表面粗糙度數值要求較高，達到Ra0.8～3.2μm，加工可分為粗銑、半精銑和精銑三個工步，分別銑削完成，三個工步背吃刀量分別為：半精銑加工時端銑背吃刀量、側吃刀量各取1.5～2mm，精銑加工時背吃刀量取0.5～1mm，圓周銑側吃刀量取0.3～0.5mm。

結語

通常數控編程時可按照上述原則選取刀具及切削參數，但實際實踐中還要參考零件的材料、硬度、刀具材料、剛性、余量等因素，綜合考慮靈活掌握，并根據實際切削狀態不斷優化調整，只有這樣善于總結，才能不斷進步，成為一名合格的數控編程員。