淺談數(shù)控加工中刀具的特點(diǎn)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(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710055）

淺談數(shù)控加工中刀具的特點(diǎn)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(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710055）

本文介紹了數(shù)控加工中刀具的特點(diǎn)及其與傳統(tǒng)刀具相比之下的獨(dú)有特點(diǎn)，并對(duì)數(shù)控機(jī)床加工時(shí)刀具的選擇及刀具選擇時(shí)的影響因素進(jìn)行了分析。同時(shí)，結(jié)合CAXA2004制造工程師軟件實(shí)例證明了，正確的掌握數(shù)控加工中刀具的選擇，才能充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)水平。

數(shù)控加工；刀具；CAXA

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，為提高競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)自覺(jué)地應(yīng)用高新技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造加工業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其中加工中心因?yàn)楣δ荦R全并設(shè)有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，而成為目前世界上產(chǎn)量最多，應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一[1]。刀具的選擇是數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容，它不僅影響數(shù)控機(jī)床的加工效率，而且直接影響加工質(zhì)量。CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，使得在數(shù)控加工中直接利用CAD的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)成為可能，特別是計(jì)算機(jī)與數(shù)控機(jī)床的連接，使得設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃及編程的整個(gè)過(guò)程全部在計(jì)算機(jī)上完成，一般不需要輸出專門(mén)的工藝。

現(xiàn)在，許多CAD/CAM軟件包都提供自動(dòng)編程功能，這些軟件一般是在編程界面中提示工藝規(guī)劃的有關(guān)問(wèn)題，如刀具選擇、加工路徑規(guī)劃、切削用量的確定等，編程人員只要設(shè)置了有關(guān)的參數(shù)，就可以自動(dòng)生成NC程序并傳輸至數(shù)控機(jī)床完成加工[2]。

因此，數(shù)控加工中的刀具選擇是在人機(jī)交互狀態(tài)下完成的，這與普通機(jī)床加工形成鮮明的對(duì)比，同時(shí)也要求編程人員必須掌握刀具選擇的基本原則，在編程時(shí)充分考慮數(shù)控加工的特點(diǎn)，以便能夠正確的選擇刀具。

1 數(shù)控加工刀具的特點(diǎn)

1.1 數(shù)控刀具的定義及應(yīng)滿足的要求

數(shù)控刀具是指與先進(jìn)高效的數(shù)控機(jī)床相配套使用的各種刀具的總稱，是數(shù)控機(jī)床不可缺少的關(guān)鍵配套產(chǎn)品，數(shù)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(tǒng)的刀具。

數(shù)控加工刀具必須適應(yīng)數(shù)控機(jī)床高速、高效和自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，一般應(yīng)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(jī)床動(dòng)力頭上，因此已逐漸標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。

1.2 數(shù)控刀具與傳統(tǒng)（普通）機(jī)床刀具的比較

數(shù)控刀具與傳統(tǒng)機(jī)床刀具相比，有許多不同的要求，主要特點(diǎn)[2,3]有：

1）剛性好（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及熱變形?。?/p>

2）互換性好，便于快速換刀；

3）壽命高，切削性能穩(wěn)定、可靠；

4）刀具的尺寸便于調(diào)整，以減少換刀調(diào)整時(shí)間；

5）刀具應(yīng)能可靠地?cái)嘈蓟蚓硇迹岳谇邢鞯呐懦?/p>

6）系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，以利于編程和刀具管理；

7）刀具有很高的切削效率；

8）數(shù)控刀具有高的精度和重復(fù)定位精度；

9）應(yīng)有刀具在線監(jiān)控及尺寸補(bǔ)償系統(tǒng)。

2 數(shù)控加工刀具的選擇及應(yīng)考慮的因素

2.1 數(shù)控加工刀具的選擇

正確選擇數(shù)控刀具可提高數(shù)控工作效率，保證數(shù)控刀具資源的合理配置，既可以避免因個(gè)別刀具閑置造成的資源浪費(fèi)，又可以避免對(duì)個(gè)別刀具的頻繁借用，造成精度無(wú)法保證以及生產(chǎn)上的相互牽制。刀具的選擇是在數(shù)控編程的人機(jī)交互狀態(tài)下進(jìn)行的。刀具選擇總的原則是：安裝調(diào)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(shí)，要使用的尺寸與被加工工件的表面尺寸相適應(yīng)。生產(chǎn)中，平面零件周邊輪廓的加工，常采用立銑刀；銑削平面時(shí)，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；加工毛坯表面或粗加工孔時(shí)，可選取鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀；對(duì)一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工時(shí)，常采用球頭銑刀、環(huán)形銑刀、錐形銑刀和盤(pán)行銑刀。

在進(jìn)行自由曲面加工時(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(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。

在加工中心上，各種刀具分別裝在刀庫(kù)上，按程序規(guī)定隨時(shí)進(jìn)行選刀和換刀動(dòng)作。因此，必須采用標(biāo)準(zhǔn)刀柄，以便使鉆、鏜、擴(kuò)、銑削等工序用的標(biāo)準(zhǔn)刀具，迅速、準(zhǔn)確地裝到機(jī)床主軸或刀庫(kù)上去。編程人員應(yīng)了解機(jī)床上所用刀柄的結(jié)構(gòu)尺寸、調(diào)整方法以及調(diào)整范圍，以便在編程時(shí)確定刀具的徑向和軸向尺寸。目前，我國(guó)的加工中心采用TSG工具系統(tǒng)，其刀柄有直柄（三種規(guī)格）和錐柄（四種規(guī)格）兩種，共包括16種不同用途的刀柄。

在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控加工中，由于刀具的刃磨、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[2]。

2.2 選擇刀具應(yīng)考慮的因素

在選擇刀具的類型和規(guī)格時(shí)，主要考慮以下因素的影響：

1）生產(chǎn)性質(zhì)；2）機(jī)床類型；3）數(shù)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(shù)控機(jī)床加工刀具時(shí)，還應(yīng)考慮以下幾方面的問(wèn)題：

1）數(shù)控刀具的類型、規(guī)格和精度等級(jí)應(yīng)能夠滿足加工要求，刀具材料應(yīng)與工件材料相適應(yīng)；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(dòng)編程實(shí)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(jī)械加工工藝過(guò)程卡如表1所示，根據(jù)刀具選擇原則及選擇刀具時(shí)應(yīng)考慮的因素得，數(shù)控刀具卡片如表2所示，其中工序號(hào)40部分由數(shù)控銑完成。

圖1 五角星三維曲面造型圖

表1 機(jī)械加工工藝過(guò)程卡

表2 數(shù)控刀具卡片

3.2 CAXA2004制造工程師[4]中自動(dòng)編程生成加工代碼

1）生成粗加工G代碼

通過(guò)對(duì)刀具選擇原則和刀具選擇時(shí)應(yīng)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(diào)試時(shí)間，減少了機(jī)床工時(shí)占用，縮短了生產(chǎn)周期；2）通過(guò)數(shù)控刀具的選擇，不僅可以縮短生產(chǎn)周期，又可以避免多次裝夾和人工換刀所帶來(lái)的人為誤差，提高了加工精度，提高了加工的準(zhǔn)確性和加工復(fù)雜工件的能力；3）編程結(jié)果直觀，處理速度快，經(jīng)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(jī)床調(diào)整時(shí)間和試切時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，量化生產(chǎn)線的形成，數(shù)控編程已經(jīng)成為數(shù)控加工中的關(guān)鍵問(wèn)題之一 。而加工中心機(jī)床刀具是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，要在人機(jī)交互狀態(tài)下如何根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行正確的選用，是編程人員必須掌握的。只有對(duì)加工中心刀具結(jié)構(gòu)和選用有充分的了解和認(rèn)識(shí)，才能在實(shí)際工作中靈活運(yùn)用，從而保證零件的加工質(zhì)量和加工效率，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)水平。

[1] 杜紅文. 加工中心刀具選擇與應(yīng)用[J]. 上海電機(jī)技術(shù)高等專科學(xué)校校報(bào), 2004.(1)： 7.

[2] 武文革, 辛志杰. 金屬切削原理及刀具[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社, 2009.

[3] 凡進(jìn)軍, 劉讓賢, 郭紫貴. 數(shù)控加工中刀具的合理選擇[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與設(shè)備, 2007, (4)： 54.

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

[5] 李超. 數(shù)控加工實(shí)例[M]. 沈陽(yáng)： 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[6] 何志昌. 淺談數(shù)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(xué)科技基金項(xiàng)目（JC0919）

張黨飛 （1986－），男，陜西咸陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化。