數(shù)控銑床常用刀具的合理選用

陳 波 陳年華

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208)

數(shù)控銑床常用刀具的合理選用

陳 波 陳年華

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208)

正確的選擇和使用數(shù)控銑床加工中的刀具，不僅可以優(yōu)化加工工藝方案，簡(jiǎn)化數(shù)控加工程序的編制，而且可以提高加工效率，提高數(shù)控加工產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容是切削用量的確定和刀具的選擇，也是數(shù)控加工程序編制的主要依據(jù)。要根據(jù)工件材料的性能、加工工序、機(jī)床的加工能力、切削用量以及其它相關(guān)因素合理選用刀具及刀柄。

數(shù)控銑床;工藝路線;刀具;編程

一、前言

數(shù)控加工中刀具的選擇和切削用量確定是在人機(jī)交互狀態(tài)下完成，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(shí)充分考慮數(shù)控加工特點(diǎn)，正確選擇刀刃具及切削用量。數(shù)控加工技術(shù)涉及的范圍很廣，就應(yīng)用方面而言，其加工技術(shù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)仍在于如何高速、高效率地正確選用數(shù)控機(jī)床刀具編制出符合產(chǎn)品技術(shù)要求的數(shù)控加工工藝及程序。數(shù)控加工可以大幅度縮短產(chǎn)品的制造周期，有效的解決機(jī)械產(chǎn)品中復(fù)雜、精密、單件小批量、形狀多變的零件加工。

二、數(shù)控銑床刀具選擇

1.刀具的特點(diǎn)及種類

數(shù)控銑床加工刀具種類很多，為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床高速、高效和自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，所用刀具正朝著標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化的方向發(fā)展，主要分為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(fā)展了各種特殊用途的專用刀具。

1)刀柄結(jié)構(gòu)形式

數(shù)控銑床刀具刀柄的結(jié)構(gòu)形式分為模塊式與整體式兩種。

模塊式刀具系統(tǒng)是一種較先進(jìn)的刀具系統(tǒng)，其每把刀柄都可通過(guò)各種系列化的模塊組裝而成。針對(duì)不同的加工零件和機(jī)床，采取不同的組裝方案，可獲得多種刀柄系列，從而提高刀柄的適應(yīng)能力和利用率。

整體式刀柄裝夾刀具的工作部分與機(jī)床上安裝定位用的柄部是一體的。這種刀柄對(duì)機(jī)床與零件的變換適應(yīng)能力較差。為適應(yīng)零件與機(jī)床的變換，用戶必須儲(chǔ)備各種規(guī)格的刀柄，因此刀柄的利用率較低。

數(shù)控銑床刀柄與主軸孔的配合錐面采用7:24圓錐柄，并采用相應(yīng)型式的拉釘，與機(jī)床主軸相結(jié)合。錐柄具有不自鎖，換刀方便等特點(diǎn)。刀柄常用的規(guī)格有40號(hào)、45號(hào)和50號(hào)。目前在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的有ISO7388－1983.MAS403－1982.ANSI/ASME B5.50－1985等，選擇時(shí)應(yīng)考慮刀柄規(guī)格與機(jī)床主軸、機(jī)械手相適應(yīng)。JT:表示采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7388號(hào)加工中心機(jī)床用錐柄柄部(帶機(jī)械手夾持槽);其后數(shù)字為相應(yīng)的ISO錐度號(hào)。BT:表示采用日本標(biāo)準(zhǔn)MAS403號(hào)加工中心機(jī)床用錐柄柄部(帶機(jī)械手夾持槽);其后數(shù)字為相應(yīng)的ISO錐度號(hào)。對(duì)于高速切削一般采用HSK系列刀柄。

為提高加工效率，應(yīng)盡可能選用高效率的刀具和刀柄。

選用強(qiáng)力銑夾頭刀柄，夾持精度高，可以用來(lái)夾持直柄刀具，因卡簧自身夾緊變形小自鎖性好，夾緊力大，可以用于強(qiáng)力銑削加工;還可以用于高精度銑鉸孔加工，也可通過(guò)接桿夾持帶孔類刀具。

選用彈簧卡頭刀柄，卡簧彈性變形量為1mm，主要夾持小規(guī)格銑刀，如鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐等。選用模塊式工具系統(tǒng)由于其定位精度高，裝卸方便，連接剛性好，具有良好的抗振性，是目前用得較多的一種型式，它由刀柄、中間接桿以及工作頭組成。選用粗鏜孔可選用雙刃鏜刀刀柄，既可提高加工效率，又有利于減少切削振動(dòng);對(duì)于批量大、加工復(fù)雜的典型工件，應(yīng)盡可能選用復(fù)合刀具。盡管復(fù)合刀具與刀柄價(jià)格較為昂貴，但在數(shù)控機(jī)床上采用復(fù)合刀具加工，可以使工序集中，把多道工序合并成一道工序、由一把刀具完成，有利于減少加工時(shí)間和換刀次數(shù)，顯著提高生產(chǎn)效率。

圖1 強(qiáng)力銑夾頭刀柄(JT和BT)

2)數(shù)控銑床刀具的分類

數(shù)控銑床刀具的分類有多種方法，根據(jù)刀具結(jié)構(gòu)可分為:①整體式②鑲嵌式，采用焊接或機(jī)夾式連接，機(jī)夾式又可分為可轉(zhuǎn)位和不可轉(zhuǎn)位兩種③特殊型式，如復(fù)合式刀具，減震式刀具等。根據(jù)制造刀具所用的材料可分為:①高速鋼刀具②硬質(zhì)合金刀具:硬質(zhì)合金根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO分類，把所有牌號(hào)分成用顏色標(biāo)識(shí)的六大類，分別以字母P、M、K、N、S、H表示。P類用于加工長(zhǎng)切屑的鋼件;M類用于加工不銹鋼件;K類用于加工短切屑的鑄鐵件;N類用于加工短切屑的非鐵材料;S類用于加工難加工材料H類用于加工硬材料。鍍層硬質(zhì)合金刀具又分為:化學(xué)氣相沉積CVD和物理氣相沉積PVD兩種③金剛石刀具④陶瓷刀片材料 如氮化硅陶瓷 Si3N4，立方氮化硼CBN

從切削工藝上可分為:銑削類刀具(面銑刀、立銑刀、圓鼻刀、球頭銑刀、錐度銑刀)孔加工類刀具(麻花鉆、鉸刀、鏜刀、絲錐等)。

為了滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)刀具耐用、易調(diào)、穩(wěn)定、可換等要求，機(jī)夾式可轉(zhuǎn)位刀具得到廣泛的應(yīng)用，占整個(gè)數(shù)控刀具的40%～50%，金屬切除量占總數(shù)的80% ～90%。

2.數(shù)控加工刀具的選擇

刀具選擇的總原則:安裝調(diào)整方便、可靠性好、剛性好、耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇刀柄較短的刀具，以增強(qiáng)加工的剛性。

1)根據(jù)工件的表面尺寸選擇刀具

選取刀具時(shí)，要使刀具的尺寸與被加工件的表面尺寸相適應(yīng)用。生產(chǎn)中，加工平面零件周邊的輪廓，常采用立銑刀;銑削平面，應(yīng)選硬質(zhì)合金刀片銑刀。加工凸臺(tái)、凹槽時(shí)，選高速鋼立銑刀;加工毛坯表面或孔粗加工時(shí)，可選用鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀;對(duì)一些立體型面和變斜面輪廓外形的加工，選用盤形銑刀、圓鼻刀、平刀做粗加工，選用球頭銑刀、環(huán)形銑刀、錐形銑刀做精加工。

2)根據(jù)工件的表面形狀選擇刀具

在進(jìn)行模具加工時(shí)，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，故球頭銑刀常用于曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工質(zhì)量和切削效率方面都優(yōu)于球頭刀，因此，只要在保證不過(guò)切的前提下，無(wú)論是曲面的粗加工還是精加工，都應(yīng)優(yōu)先選擇平頭刀。另外，刀具的耐用度和精度與刀具價(jià)格關(guān)系極大，必須引起注意的是，在大多數(shù)情況下，選擇好的刀具雖然增加了刀具成本，但由此帶來(lái)的加工質(zhì)量和加工效率的提高，則可以使整個(gè)加工成本大大降低。

3)合理安排刀具的排列順序

在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程中，由于刀具的磨損、測(cè)量和更換多為人工手動(dòng)進(jìn)行，占用輔助時(shí)間較長(zhǎng)，因此，必須合理安排刀具的排列順序。一般應(yīng)遵循以下原則:①工序集中 一次裝夾，同一把刀具能完成其進(jìn)行的所有加工步驟;②粗精加工的刀具應(yīng)分開使用;③先面后孔;④先進(jìn)行曲面精加工，后進(jìn)行二維輪廓精加工;⑤合理利用數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀功能，以提高生產(chǎn)效率;⑥盡量減少刀具數(shù)量。

三、數(shù)控銑削切削用量確定

合理選擇切削用量的原則是:粗加工時(shí)，一般以提高生產(chǎn)效率為主，相應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性和加工成本;半精加工和精加工時(shí)，應(yīng)在保證加工質(zhì)量的前提下，兼顧切削效率、經(jīng)濟(jì)性和加工成本。具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機(jī)床說(shuō)明書、切削用量手冊(cè)并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)而定，同時(shí)需要考慮幾個(gè)因素的影響。

1.切削速度VC

提高切削速度VC也是提高生產(chǎn)率的一個(gè)措施，但VC與刀具耐用度的密切相關(guān)。隨著VC的增大，刀具耐用度急劇下降，故VC的選擇主要取決于刀具耐用度。另外，切削速度與加工材料也有很大關(guān)系。

2.主軸轉(zhuǎn)速n

主軸轉(zhuǎn)速n(r/min)，是根據(jù)切削速度VC來(lái)選定。計(jì)算公式為:VC=?nd/1000m/min數(shù)控機(jī)床的控制面板上設(shè)有主軸轉(zhuǎn)速修調(diào)(倍率)開關(guān)，可對(duì)加工過(guò)程中主軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行整倍數(shù)調(diào)整。

3.切削深度aP

在機(jī)床和刀具剛度允許的情況下，可以使切削深度aP等于加工余量，這是提高生產(chǎn)率的一個(gè)有效措施。為了保證零件的加工精度和表面粗糙度，一般應(yīng)留0.5－0.8mm余量進(jìn)行精加工。

4.切削寬度ae

一般切削寬度ae與刀具直徑d成正比，與切削深度aP成反比。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控床的ae取值范圍為(0.5～0.75)d。

5.進(jìn)給速度F

F應(yīng)根據(jù)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(lái)選擇。增大F也可以提高生產(chǎn)效率。加工表面粗糙度要求低時(shí)，F(xiàn)可選擇得大些(可在100～200mm/min范圍內(nèi)選取)。當(dāng)加工精度，表面粗糙度要求較高時(shí)，進(jìn)給速度應(yīng)選小些，一般在50～80mm/min)范圍內(nèi)選取。在加工過(guò)程中，F(xiàn)可通過(guò)機(jī)床控制面板上的修調(diào)開關(guān)進(jìn)行人工調(diào)整。在鉆孔、加工深孔或用高速鋼刀具加工時(shí)，宜選擇較低的進(jìn)給速度，(可在20～50 mm/min)范圍內(nèi)選取。

四、數(shù)控編程中刀具選用實(shí)例

現(xiàn)以首屆全國(guó)數(shù)控大賽的比賽件， 外形尺寸為160×120×30mm零件圖為例(圖2)，材料為45鋼。在配置FANUC Oi Mate MC數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控立式銑床上加工。

圖2 零件圖

該加工工序安排如下:

(1)銑削平面，保證尺寸28 mm，選用￠80mm可轉(zhuǎn)位面銑刀。

(2)粗加工兩外輪廓，選用￠16mm三刃立銑刀

(3)銑削邊角料，選用￠16 mm三刃立銑刀

(4)鉆中間位置孔，選用￠11.8mm直柄麻花鉆。

(5)擴(kuò)中間位置孔，選用￠35錐柄麻花鉆。

(6)精加工兩外輪廓，選用￠12mm四刃立銑刀。

(7)加工鍵行凸臺(tái)表面，選用￠12mm四刃立銑刀。

(8)粗鏜￠38mm孔，選用￠37.5mm粗鏜刀。

(9)精鏜￠38孔，選用￠38mm精鏜刀。

(10)打中心孔，選用￠3mm中心鉆。

(11)鉆孔加工，選用￠11.8毫米直柄麻花鉆。

(12)鉸孔加工，選用￠12mm機(jī)用鉸刀。

在保證零件精度的前提下，數(shù)控編程的程序應(yīng)盡量簡(jiǎn)短，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)簡(jiǎn)單，減少刀具空行程。

五、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于每一位從事數(shù)控編程人員而言，刀具的正確選擇方法和切削用量的合理選用，是提高加工質(zhì)量和加工效率的重要保障。國(guó)外的統(tǒng)計(jì)表明，刀具費(fèi)用只占制造成本的3～4%，但通過(guò)使用先進(jìn)刀具，提高加工效率，可使零件的制造成本降低10～15%。隨著我國(guó)數(shù)控機(jī)床用戶的不斷增多，掌握使用好數(shù)控機(jī)床刀具，提高我國(guó)制造業(yè)的水平，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢(shì)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)水平。

［1］王先逵.機(jī)械加工工藝手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社［S］.2007.

［2］鄧建新.數(shù)控刀具材料選用手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社［S］.2005.

［3］聶福全.加工中心常用刀具的合理使用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2005(3).

［4］蘇志雄，數(shù)控機(jī)床正確選用［J］.機(jī)電技術(shù)，2008(1).

CNC Milling Machine Commonly Rational Selection Tool

CHEN Bo，CHEN Nian－h(huán)ua
(Hunan Industrial Polytechnic，Changsha410208，Hunan)

choosing and using the tool correctly in CNC milling can not only optimize the machine process plans，simplify programming for CNC machining，but also improve processing efficiency，improve CNC machining quality products and reduce production costs.The important contents in CNC machining technology contain the determination of cutting parameters and the choice of cutter.which is also the main basis of CNC programming.The correct selection of tools and shanks should be based on workpiece material properties，manufacturing processes，machine processing capacity，cutting parameters and other relevant factors.

CNC milling machine;process route;cutting tool;programming

TK－9

A

1671－5004(2010)03－0006－02

2010－06－03

陳 波 (1983－)，男，湖南衡陽(yáng)人，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向:數(shù)控加工，CAD/CAM;陳年華 (1982－)，男，湖南岳陽(yáng)人，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向:數(shù)控加工，CAD/CAM。