加工中心刀具的正確選用探析

嚴斐婷

摘 要：如果只有先進的加工中心，沒有與之相配套的先進刀具、工具系統和刀具管理系統，或者沒有掌握刀具的合理使用，加工中心的效能就得不到充分發揮。因此，如何根據實際情況來正確選用刀具，是技術人員必須掌握的技能。

關鍵詞：加工中心；刀具種類；刀具的選擇

加工中心是用數字代碼形式的信息（即程序指令），控制刀具按照給定的程序，運動速度和軌跡進行自動加工，并能自動更換刀具，對一次裝夾的工件進行多工序加工的高效自動化機床。上世紀七十年代以來得到迅速發展，目前已被廣泛應用于機械加工行業中，加工對象主要包括了既有平面又有孔系的零件及結構形狀復雜、普通機床難加工的零件。這些零件一般都需要進行平面、孔系、輪廓等的多工位加工，公差要求特別是形位公差要求較為嚴格，通常要經過銑、鏜、鉆、擴、锪、鉸、攻絲等工序，加工中心可選用的刀具較多，同時在加工中采用自動換刀形式換刀，必須保證所選刀具安裝調試方便。因此，與一般的數控加工方法相比，加工中心對刀具提出了更高的要求，刀具的選擇成為了中心工藝設計中的重要內容之一。

一、刀具的種類及特點

加工中心的刀具種類很多，通常可按照以下方法進行分類：

1.從制造所采用的材料可分為：高速鋼刀具、硬質合金刀具、陶瓷刀具、超硬刀具。

2.從結構上可分為：（1）整體式、鑲嵌式。鑲嵌式刀具可分為焊接式和機夾式兩種。機夾式根據刀體結構不同，也可分為可轉位和不轉位。（2）減振式、內冷式。內冷式即切削液通過刀體內部由噴口噴射到刀具的切削刃部，起到冷卻刀具和工件，并沖走切屑的作用。另外，還有特殊型式刀具，如復合刀具，可逆螺紋刀具等。

3.從切削工藝上可分為：（1）銑削刀具，包括面銑刀、立銑刀、模具銑刀、鍵槽銑刀、鼓形銑刀等；（2）孔加工刀具，包括了鉆孔刀具、擴孔刀具、鉸孔刀具、鏜孔刀具等。

為了適應數控機床對刀具耐用、穩定、易調、可換等要求，近幾年機夾式可轉位刀具得到了廣泛應用，在數量上達到了整個數控刀具的30%～40%，金屬切除量占總數的80%～90%。為了達到高效、多能、快換、經濟的目的，數控加工刀具與普通金屬切削刀具相比應具有以下特點：（1）剛性好，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，以利于切屑的排除；（6）刀具幾何參數和切削參數的規范化、典型化；（7）刀具材料及切削參數與被加工工件的材料之間匹配的選用原則。

二、刀具的選擇

刀具的選擇，是在數控編程的人機交互狀態下進行的，根據機床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量等相關因素，正確選用刀具。刀具選擇的總原則是：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。

1.從材料上進行選擇。

數控刀具材料有高速鋼（分為W系列高速鋼和Mo系列高速鋼）、硬質合金（分為鎢鈷類、鎢鈦鈷類和鎢鈦鉭（鈮）鈷類）、陶瓷（純氧化鋁類<白色陶瓷>和TiC添加類<黑色陶瓷>）、立方碳化硼和聚晶金剛石。制造刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性，必要的抗彎強度、沖擊韌性和化學惰性，良好的工藝性，并不易變形。 刀具材料的選用見圖1。

根據數控加工對刀具的要求，選擇刀具材料的一般原則是盡可能選擇硬質合金刀具。20世紀80年代以前，高速鋼處于領先地位，90年代以后，硬質合金超越了高速鋼。而近些年，又出現了許多硬質合金的新品種，使硬質合金刀具在銑削、鉆削、鉸

圖1 理想刀具材料示意圖

孔、銼孔等有著大量的運用。因此，凡是加工情況允許選用硬質合金刀具，就盡量不選用高速鋼刀具。必要時還可有針對性地選擇性能更好的陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具。

實習實訓 加工中心刀具的正確選用探析

根據硬質合金刀具和高速鋼刀具的特點筆者做了以下對比：（1）高速鋼刀具：刀刃鋒利，剛性差，軟而難斷，易磨損，價格便宜，加工精度不夠，主要用于加工材料硬度較低的工件。（2）硬質合金刀具：硬而脆，耐高溫，主要用于加工硬度較高的工件。硬質合金刀具不耐沖擊，因此需較高轉速加工，否則容易崩刀。根據高速鋼的特征，故可在下列情況下使用：①不能進行高速加工時；②機床剛性差時；③希望刀具費用價廉時；④不要求加工精度時。

2.從結構上進行選擇。

整體結構是在刀體上做出切削刃；焊接結構是把刀片釬焊到鋼的刀體上； 機械夾固結構又有兩種，一種是把刀片夾固在刀體上，另一種是把釬焊好的刀頭夾固在刀體上。硬質合金一般制成焊接結構或機械夾固結構；陶瓷刀具都采用機械夾固結構。

加工中心刀具結構選擇的一般原則是盡可能采用鑲嵌式機夾可轉位刀片，因為與焊接刀具和整體刀具相比，可轉位刀具有下述優點：（1）刀具剛性好，壽命高；（2）生產效率高，定位精度高；（3）可轉位刀具的刀體可重復使用，節約鋼材和制造費用；（4）可轉位刀具大多可以進行干切削，能節省冷卻液的費用，并可保持機床整潔，減少輔助時間；（5）可轉位刀具的系列化、標準化使其具有廣泛的適用性，有利于推廣使用涂層、陶瓷等新型刀具材料。

3.從切削工藝上進行選擇。

加工中心刀具主要分為銑削刀具和孔加工刀具兩大類。

銑削刀具的選擇主要是銑刀類型和銑刀尺寸的選擇。銑刀類型應與工件表面形狀與尺寸相適應。加工較大的平面應選擇面銑刀；加工凹槽或者是較小的臺階及平面輪廓時應選擇立銑刀；加工曲面應選擇球頭銑刀；加工模具型腔或凸模成形表面等多選用模具銑刀；加工封閉的鍵槽選擇鍵槽銑刀；加工變斜角面應選用鼓形銑刀；加工各種直的或圓弧形的凹槽、斜角面、特殊孔等應選用成形銑刀。當粗銑或銑不重要的加工平面時，可使用粗齒銑刀；當精銑時，可選用密齒銑刀，用小進給量達到低的表面粗糙度；當銑材料較硬的金屬時，必須選用密齒銑刀，同時進給量要小，以防止振動。

銑刀尺寸也應與被加工工件的表面尺寸和形狀相適應。刀具直徑的選用主要取決于設備的規格和工件的加工尺寸，另外還要考慮刀具所需功率應在機床功率范圍之內。粗銑時銑刀直徑要小些，精銑時銑刀直徑要盡量大些，最好能夠包容整個加工寬度。表面要求高時，還可以選擇使用具有修光效果的刀片。

而孔加工刀具可分為鉆孔刀具、鏜孔刀具、擴孔刀具和鉸孔刀具。

（1）鉆孔刀具較多，主要有普通麻花鉆、可轉位淺孔鉆以及扁鉆。用加工中心鉆孔通常都會采用普通麻花鉆，普通麻花鉆主要由工作部分和柄部組成的。刀具柄部分為直柄和錐柄兩種。如圖2所示，（a）是錐柄麻花鉆，（b）是直柄麻花鉆。直柄工具的刀柄主要是彈簧夾頭刀柄，其具有自動定心、自動消除偏擺的優點，所以小規格的刀具最好選用該類型。而工作部分包括切削部分和導向部分，如（c）所示，麻花鉆的切削部分有2個主切削刃、2個副切削刃、1個橫刃。麻花鉆的導向部位起導向、修光排屑和輸送切削液作用。麻花鉆一般用于精度較低孔的粗加工，由于加工中心所用夾具沒有鉆套定心導向，鉆頭在高速旋轉切削時容易會發生偏擺運動，而且鉆頭的橫刃長，所以在鉆孔時，要用中心鉆打中心孔，用以引正鉆頭。

圖2 麻花鉆的組成

（2）鏜削的主要特點是獲得精確的孔的位置尺寸，得到高精度的圓度、圓柱度和表面粗糙度，所以，對精度較高的孔可用鏜刀來保證。鏜刀按切削刃數量可分為單刃鏜刀和雙刃鏜刀，鏜削通孔、盲孔、階梯孔可采用單刃鏜刀來完成；加工大直徑孔時，可采用雙刃鏜刀。另外，還有一種微調鏜刀，在加工中心上目前較多地選用微調鏜刀進行孔的精鏜，這種鏜刀調節方便且精度高。

（3）加工中心多采用擴孔鉆進行擴孔，也有用擴孔刀進行擴孔的，比如擴孔直徑較小時，可選用直柄式擴孔刀；擴孔直徑中等時，可選用錐柄式擴孔刀；擴孔直徑大時，可用套式擴孔刀。另外，還可用鍵槽銑刀或者立銑刀進行擴孔，它比用普通擴孔鉆進行可控的加工精度要高。因為立銑刀的圓柱表面和端面上都有切削刃，可以同時進行切削，也可單獨進行切削，且加工中心的刀具既能軸向進給，也可以像臥式銑床那樣做橫向進給。因此，在加工中心上用螺旋插補指令，采用立銑刀擴孔，只選用一把刀具就可完成多個不同孔徑的加工。

（4）鉸孔一般在加工的最后階段，大部分用于直徑小于Φ25mm孔的精加工。因為鉸孔的齒數多，導向好，容屑槽淺，剛性好，加工后孔的尺寸精度可達IT7～IT9級，表面粗糙度可達Ra1.6～0.8μm。普通標準鉸刀有直柄、錐柄和套式三種。小孔直柄鉸刀直徑為16mm，直柄交到直徑為6～20mm，錐柄鉸刀直徑為10～32mm，套式鉸刀直徑為25～80mm，加工時可根據需要選擇。

三、結論

子曰：“工欲善其事，必先利其器”。如何根據實際情況正確選用刀具，是技術人員必須掌握的技能。在選擇刀具時，必須結合企業生產情況和加工零件、設備的性能及屬性，綜合考慮機床類型、工件材料、加工精度以及工藝方案等眾多因素。只有對加工中心刀具結構和選用有了充分的了解和認識，充分發揮刀具的潛能，才能在實際工作中靈活運用，保證工件的加工精度，使機床的加工效率得到充分提高。

參考文獻：

[1]徐宏海等.數控機床刀具及其應用[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2]王衛兵.Cimatron E6.0數控編程實用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]杜紅文.加工中心刀具選擇與應用[J].上海機電技術高等專科學校學報，2004，（3）.

[4]龍錦中.CNC加工中心刀具的選擇與切削用量的確認[J].裝備制造技術，2009，（11）.

責任編輯 何麗華