淺談數控機床刀具的分類特點及選擇

張在新

[摘要]介紹數控機床的常見刀具的種類及特點,數控加工刀具的選擇原則及加工過程中切削用量的確定。

[關鍵詞]數空機床刀具切削用量

中圖分類號:TG7文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0710129-01

數空機床以其加工精度高,產品質量穩定等優勢更多的應用到木制品加工的各個領域中。 數控機床是綜合應用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術的產物,是技術密集度及自動化程度很高的典型機電一體化加工設備。它與普通機床相比,其優越性是顯而易見的,不僅零件加工精度高,產品質量穩定,且自動化程度極高,可減輕工人的體力勞動強度,大大提高了生產效率,特別值得一提的是數控機床可完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜曲面的零件加工,因而數控機床在制造業中的地位愈來愈顯得重要。數控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的設計數據成為可能,特別是DNC系統微機與數控機床的聯接,使得設計、工藝規劃及編程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文件。目前,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,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。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,能夠正確選擇刀刃具及切削用量。

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、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要聯接刀具并裝在機床動力頭上,目前刀柄已逐漸標準化和系列化。數控刀具的分類有多種方法。根據刀具結構的不同可分為整體式、鑲嵌式(采用焊接或機夾式聯接,機夾式又可分為不轉位和可轉位兩種)、特殊型式(如復合式刀具、減震式刀具)等三種。根據制造刀具所用材料的不同可分為高速鋼刀具、硬質合金刀具、金剛石刀具、其他材料刀具(如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等)等四種。根據切削工藝的不同可分為車削刀具(外圓刀具、內孔刀具、螺紋刀具、切割刀具等)、鉆削刀具(鉆頭、鉸刀、絲錐等)、鏜削刀具、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%,金屬切除量占總數的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:剛性好(尤其是粗加工刀具)、精度高、抗振及熱變形小;互換性好,便于快速換刀;壽命高,切削性能穩定、可靠;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。

二、數控加工刀具的選擇

刀具的選擇是在數控機械加工過程中的人機交互狀態下進行的。編程人員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。

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,常采用立銑刀;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,常采用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。

在進行自由曲面(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。而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。

在加工中心上,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、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。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。目前我國的加工中心主要采用TSG工具系統,其刀柄有直柄(3種規格)和錐柄(4種規格)2種,共包括16種不同用途的刀柄。

在經濟型數控機床的加工過程中,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以減少輔助加工時間。一般應遵循以下原則:盡量減少刀具數量;一把刀具裝夾后,應完成其所能進行的所有加工步驟;粗精加工的刀具應分開使用,即使是相同尺寸規格的刀具;先銑后鉆;先進行曲面精加工,后進行二維輪廓精加工;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。

三、加工過程中切削用量的確定

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,并結合經驗而定。

具體要考慮以下幾個因素:

1.切削深度。在機床、工件和刀具剛度允許的情況下,切削深度就等于加工余量,這是提高生產率的一個有效措施。

2.切削寬度。一般切削寬度與刀具直徑成正比,與切削深度成反比。經濟型數控機床的加工過程中,一般切削寬度的取值范圍為(0.6～0.9)刀具直徑。

3.切削速度。提高切削速度也是提高生產率的一個措施,但切削速度與刀具耐用度的關系比較密切。隨著切削速度的增大,刀具耐用度急劇下降,故切削速度的選擇主要取決于刀具耐用度。

4.主軸轉速。主軸轉速一般根據切削速度來選定。

5.進給速度。進給速度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。進給速度的增加也可以提高生產效率。

四、結束語

綜上所述,隨著數控機床在生產實際中的廣泛應用,量化生產線的形成,數控編程已經成為數控加工中的關鍵問題之一。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,能夠正確選擇刀刃具及切削用量,少走彎路,節省時間,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。