淺談數控加工中刀具的特點及選擇

張黨飛，阮曉光，王寅晨，曹瀚心，孫 敏

（西安建筑科技大學 機電學院，西安 710055）

淺談數控加工中刀具的特點及選擇

張黨飛，阮曉光，王寅晨，曹瀚心，孫 敏

（西安建筑科技大學 機電學院，西安 710055）

本文介紹了數控加工中刀具的特點及其與傳統刀具相比之下的獨有特點，并對數控機床加工時刀具的選擇及刀具選擇時的影響因素進行了分析。同時，結合CAXA2004制造工程師軟件實例證明了，正確的掌握數控加工中刀具的選擇，才能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。

數控加工；刀具；CAXA

0 引言

近年來，隨著經濟高速發展，為提高競爭力，企業自覺地應用高新技術來改造傳統產業，數控機床在機械制造加工業中得到了越來越廣泛的應用。其中加工中心因為功能齊全并設有刀庫和自動換刀裝置，而成為目前世界上產量最多，應用最廣泛的數控機床之一[1]。刀具的選擇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，特別是計算機與數控機床的連接，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。

現在，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、切削用量的確定等，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[2]。

因此，數控加工中的刀具選擇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的基本原則，在編程時充分考慮數控加工的特點，以便能夠正確的選擇刀具。

1 數控加工刀具的特點

1.1 數控刀具的定義及應滿足的要求

數控刀具是指與先進高效的數控機床相配套使用的各種刀具的總稱，是數控機床不可缺少的關鍵配套產品，數控刀具以其高效、精密、高速、耐磨、高耐用度和良好的綜合切削性能取代了傳統的刀具。

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。刀柄要連接刀具并裝在機床動力頭上，因此已逐漸標準化和系列化。

1.2 數控刀具與傳統（普通）機床刀具的比較

數控刀具與傳統機床刀具相比，有許多不同的要求，主要特點[2,3]有：

1）剛性好（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及熱變形小；

2）互換性好，便于快速換刀；

3）壽命高，切削性能穩定、可靠；

4）刀具的尺寸便于調整，以減少換刀調整時間；

5）刀具應能可靠地斷屑或卷屑，以利于切削的排除；

6）系列化、標準化，以利于編程和刀具管理；

7）刀具有很高的切削效率；

8）數控刀具有高的精度和重復定位精度；

9）應有刀具在線監控及尺寸補償系統。

2 數控加工刀具的選擇及應考慮的因素

2.1 數控加工刀具的選擇

正確選擇數控刀具可提高數控工作效率，保證數控刀具資源的合理配置，既可以避免因個別刀具閑置造成的資源浪費，又可以避免對個別刀具的頻繁借用，造成精度無法保證以及生產上的相互牽制。刀具的選擇是在數控編程的人機交互狀態下進行的。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。

選擇刀具時，要使用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時，常采用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤行銑刀。

在進行自由曲面加工時，由于球頭刀具的端部切削速度為零，因此，為保證加工精度，切削行距一般取得很密，故球頭刀具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，我國的加工中心采用TSG工具系統，其刀柄有直柄（三種規格）和錐柄（四種規格）兩種，共包括16種不同用途的刀柄。

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[2]。

2.2 選擇刀具應考慮的因素

在選擇刀具的類型和規格時，主要考慮以下因素的影響：

1）生產性質；2）機床類型；3）數控加工方案；4）工件的尺寸及外形；5）加工表面粗糙度；6）加工精度；7）工件材料。

在選擇數控機床加工刀具時，還應考慮以下幾方面的問題：

1）數控刀具的類型、規格和精度等級應能夠滿足加工要求，刀具材料應與工件材料相適應；2）切削性能好；3）精度高；4）可靠性高；5）耐用度高；6）斷屑及排屑性能好。

3 刀具的選擇與自動編程實例

3.1 基于 CAXA2004制造工程師[4]中刀具的選擇

如圖1所示[5]，五角星高45mm，直徑φ220mm，五角星的機械加工工藝過程卡如表1所示，根據刀具選擇原則及選擇刀具時應考慮的因素得，數控刀具卡片如表2所示，其中工序號40部分由數控銑完成。

圖1 五角星三維曲面造型圖

表1 機械加工工藝過程卡

表2 數控刀具卡片

3.2 CAXA2004制造工程師[4]中自動編程生成加工代碼

1）生成粗加工G代碼

通過對刀具選擇原則和刀具選擇時應考慮的影響因素的分析，從而選擇出正確的加工刀具。這樣有利于：1）減少了程序的調試時間，減少了機床工時占用，縮短了生產周期；2）通過數控刀具的選擇，不僅可以縮短生產周期，又可以避免多次裝夾和人工換刀所帶來的人為誤差，提高了加工精度，提高了加工的準確性和加工復雜工件的能力；3）編程結果直觀，處理速度快，經仿真切削和刀具干涉檢查，所編程序一次成功，大幅度減少了機床調整時間和試切時間。

4 結束語

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 。而加工中心機床刀具是一個較為復雜的系統，要在人機交互狀態下如何根據實際情況進行正確的選用，是編程人員必須掌握的。只有對加工中心刀具結構和選用有充分的了解和認識，才能在實際工作中靈活運用，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。

[1] 杜紅文. 加工中心刀具選擇與應用[J]. 上海電機技術高等專科學校校報, 2004.(1)： 7.

[2] 武文革, 辛志杰. 金屬切削原理及刀具[M]. 北京： 國防工業出版社, 2009.

[3] 凡進軍, 劉讓賢, 郭紫貴. 數控加工中刀具的合理選擇[J]. 現代制造技術與設備, 2007, (4)： 54.

[4] 陳明, 劉剛, 鐘敬文. CAXA制造工程師—數控加工[M].北京： 北京航空航天大學, 2006.

[5] 李超. 數控加工實例[M]. 沈陽： 遼寧科學技術出版社,2005.

[6] 何志昌. 淺談數控刀具與切削用量[J]. 大眾科.

Introduction of characteristics and choice of CNC machining cutter

ZHANG Dang-fei，RUAN Xiao-guang, WANG Yin-chen, CAO Han-xin, SUN Min

TH161

B

1009-0134(2011)5(下)-0146-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).46

2010-11-04

西安建筑科技大學科技基金項目（JC0919）

張黨飛 （1986－），男，陜西咸陽人，碩士研究生，研究方向為機械制造及自動化。