淺談如何選擇數控銑加工的刀具和切削用量

劉洪志

摘要： 在借助CAM軟件進行數控編程的過程中，刀具的選擇和切削用量的確定是十分重要，它不僅對被加工零件的質量影響巨大，甚至可以決定著機床功效的發揮和安全生產的順利進行。所以，在編制加工程序時，選擇合理的刀具和切削用量，是編制高質量加工程序的前提。

關鍵詞：刀具；種類；要求；選擇；切削用量

現在，如Pro/ENGINEER、UG、Cimatron、MasterCAM等許多CAD/CAM軟件包都提供自動編程功能，這些軟件一般是在編程界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，編程人員只要設置了有關的參數，就可以自動生成NC程序并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交互狀態下完成的，這與普通機床加工形成鮮明的對比，同時也要求編程人員必須掌握刀具選擇和切削用量確定的基本原則，在編程時充分考慮數控加工的特點。眾所周知，在借助CAM軟件進行數控編程的過程中，刀具的選擇和切削用量的確定是十分重要，它不僅對被加工零件的質量影響巨大，甚至可以決定著機床功效的發揮和安全生產的順利進行。所以無論是手工編程或計算機輔助編程，在編制加工程序時，選擇合理的刀具和切削用量，是編制高質量加工程序的前提。本文對數控編程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，并對應該注意的問題進行了討論。

1 刀具的選擇

1.1 數控銑加工常用刀具的種類

數控銑加工刀具種類很多，為了適應數控機床高速、高效和自動化程度高的特點，所用刀具正朝著標準化、通用化和模塊化的方向發展，主要包括銑削刀具和孔加工刀具兩大類。為了滿足高效和特殊的銑削要求，又發展了各種特殊用途的專用刀具。數控銑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，采用焊接或機夾式連接，機夾式又可分為不轉位和可轉位兩種；③特殊型式，如復合式刀具，減震式刀具等。根據制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：平端立銑刀、圓角立銑刀、球頭刀和錐度銑刀等。

1.2 數控銑加工對刀具的要求

為了保證數控銑機床的加工精度，提高數控銑機床的生產效率及降低刀具材料的消耗，在選用數控銑機床刀具和刀具材料時，除滿足普通機床應具備的基本條件外，還要考慮在數控銑機床中刀具工作條件等多方面因素，如切屑的斷屑性能、刀具快速調整與更換，因此對刀具和刀具材料提出更高的要求。

銑刀剛性要好 一是為提高生產效率而采用大切削用量的需要；二是為適應數控銑床加工過程中難以調整切削用量的特點。當工件各處的加工余量相差懸殊時，通用銑床遇到這種情況很容易采取分層銑削方法加以解決，而數控銑削就必須按程序規定的走刀路線前進，遇到余量大時無法象通用銑床那樣“隨機應變”，除非在編程時能夠預先考慮到，否則銑刀必須返回原點，用改變切削面高度或加大刀具半徑補償值的方法從頭開始加工，多走幾刀。但這樣勢必造成余量少的地方經常走空刀，降低了生產效率，如刀具剛性較好就不必這么辦。

銑刀的耐用度要高 尤其是當一把銑刀加工的內容很多時，如刀具不耐用而磨損較快，就會影響工件的表面質量與加工精度，而且會增加換刀引起的調刀與對刀次數，也會使工作表面留下因對刀誤差而形成的接刀臺階，降低了工件的表面質量。除上述兩點之外，互換性好，便于快速換刀；刀具的尺寸便于調整，以減少換刀調整時間； 刀具應能可靠地斷屑或卷屑，以利于切屑的排除； 系列化，標準化，以利于編程和刀具管理，等等這些是數控加工與普通機床加工對刀具的不同要求。

1.3 數控銑加工刀具類型的選擇

刀具的選擇是在數控編程的人機交互狀態下進行的。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，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。生產中，被加工零件的幾何形狀是選擇刀具類型的主要依據。銑削刀具的選用：加工曲面類零件時，為了保證刀具切削刃與加工輪廓在切削點相切，而避免刀刃與工件輪廓發生干涉，一般采用球頭刀，粗加工用兩刃銑刀，半精加工和精加工用四刃銑刀；銑較大平面時，為了提高生產效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片鑲嵌式盤形銑刀；銑小平面或臺階面時一般采用通用銑刀；銑鍵槽時，為了保證槽的尺寸精度、一般用兩刃鍵槽銑刀；孔加工刀具的選用：數控機床孔加工一般無鉆模，由于鉆頭的剛性和切削條件差，選用鉆頭直徑D應滿足L/D≤5（L為鉆孔深度）的條件；鉆孔前先用中心鉆定位，保證孔加工的定位精度；精絞前可選用浮動絞刀，絞孔前孔口要倒角；鏜孔時應盡量選用對稱的多刃鏜刀頭進行切削，以平衡鏜削振動；盡量選擇較粗和較短的刀桿，以減少切削振動。在經濟型數控加工中，由于刀具的刃磨、測量和更換多為人工手動進行，占用輔助時間較長，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盡量減少刀具數量；②一把刀具裝夾后，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先銑后鉆；⑤先進行曲面精加工，后進行二維輪廓精加工；⑥在可能的情況下，應盡可能利用數控機床的自動換刀功能，以提高生產效率等。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?？傊鶕患庸すぜ牧系臒崽幚頎顟B、切削性能及加工余量，選擇剛性好，耐用度高的銑刀，是充分發揮數控銑床的生產效率和獲得滿意的加工質量的前提。

2 切削用量的確定

數控編程時，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫入程序中。切削用量包括切削速度、背吃刀量或側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，最大限度地提高生產率，降低成本。

切削速度的確定 銑削的切削速度與刀具的耐用度T、每齒進給量fz、背吃刀量ap、側吃刀量ae以及銑刀齒數Z成反比，與銑刀直徑d成正比。其中原因是fz、ap、ae、Z增大時，使同時工作齒數增多，刀刃負荷和切削熱增加，加快刀具磨損，因此刀具耐用度限制了切削速度的提高。如果加大銑刀直徑則可以改善散熱條件，相應提高切削速度。

進給速度的確定 進給速度F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。在輪廓加工中，在接近拐角處應適當降低進給量，以克服由于慣性或工藝系統變形在輪廓拐角處造成“超程”或“欠程”現象。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100~200mm/min范圍內選?。辉谇袛唷⒓庸ど羁谆蛴酶咚黉摰毒呒庸r，宜選擇較低的進給速度，一般在20~50mm/min范圍內選取。3）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??；刀具空行程時，特別是遠距離“回零”時，可以選擇該機床數控系統給定的最高進給速度；背吃刀量（或側吃刀量）的確定 在保證加工表面質量加工質量的前提下，背吃刀量(ap)應據機床、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。工件表面粗糙度要求為Ra3.2~12.5μm,分粗銑和半精銑兩步銑削加工，粗銑后留半精銑余量0.5~1.0mm；工件表面粗糙度要求為Ra0.8~3.2μm，可分粗銑、半精銑、精銑三步銑削加工，半精銑時端銑背吃刀量或圓周銑側吃刀量取1.5~2mm，精銑時端銑背吃刀量取0.5~1mm，圓周銑側吃刀量取0.3~0.5mm。

總之，零件數控編程具有很大的靈活性，只有正確理解以上工藝參數，在實踐中不斷進行總結，才能編制出高質量的加工程序，加工出高質量的模具零件。