淺析數(shù)控銑加工中的刀具及切削用量的選擇

汪朝陽

中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南洛陽 471009

現(xiàn)在許多計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件如MasterCAM、UG、Pro/ENGINEER等，都具有計(jì)算機(jī)輔助編程模塊，利用工序模型，通過和編程人員的交互自動(dòng)生成數(shù)控程序。人機(jī)交互時(shí)提示編程員選擇加工順序以及使用的刀具類別、刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和切削用量等，然后就可以得到零件的數(shù)控程序。數(shù)控機(jī)床接收到所需的數(shù)控后就可以自動(dòng)完成零件加工。在人機(jī)交互過程中，正確選用刀具、設(shè)置合理的切削參數(shù)，不僅對(duì)零件的加工質(zhì)量起主要作用，還顯著影響零件加工的效率、成本和機(jī)床功效的發(fā)揮，甚至關(guān)乎人員和設(shè)備的安全。因此對(duì)數(shù)控編程人員來說，掌握刀具選用的方法和正確設(shè)置切削參數(shù)是必備的技能。針對(duì)數(shù)控加工設(shè)備及加工方法的特點(diǎn)，綜合考慮零件結(jié)構(gòu)、加工精度和材料等因素，在數(shù)控程序編制過程中，選用合適的刀具種類、刀具規(guī)格、材料和切削參數(shù)，是成為一名合格數(shù)控編程員的前提和基礎(chǔ)。本文通過對(duì)數(shù)控加工中刀具選用方法、切削參數(shù)的設(shè)置原則進(jìn)行分析，并總結(jié)出共性的方法和設(shè)置原則，以期對(duì)其他編程員有所幫助。

1 刀具類別

數(shù)控機(jī)床通常具有刀庫，可以裝載多把刀具，通過機(jī)床的自動(dòng)換刀勝任復(fù)雜的零件加工任務(wù)。而數(shù)控刀具為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)以及現(xiàn)在日益進(jìn)步的高速、高效特點(diǎn)，刀具的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化和模塊化的特點(diǎn)也越來越明顯。數(shù)控刀具從切削工藝上可分為：(1)車削刀具，如外圓車刀、內(nèi)孔車刀、端面車刀、切槽刀、切斷刀、螺紋刀等；(2)銑削刀具，如加工小平面或臺(tái)階面、腔槽的立銑刀、加工曲面的球頭刀、加工特殊截面、側(cè)壁凹陷的燕尾槽刀、T型刀、切斷所用的鋸片刀、加工大平面的盤銑刀及棱邊倒角的倒角刀、加工螺紋的螺紋銑刀和錐度的錐度銑刀等；(3)孔加工刀具，如鉆頭、中心鉆、鉸刀、鏜刀、絲錐等；(4)齒輪刀具，按刀具的工作原理分為成形齒輪刀具和展成齒輪刀具，成形齒輪刀具分為盤形齒輪刀具和指形齒輪刀具，展成齒輪刀具分為插齒刀、滾齒刀和剃齒刀。

數(shù)控銑刀具從加工結(jié)構(gòu)上主要分為銑削刀具、孔加工刀具和特殊刀具。銑削刀具主要實(shí)現(xiàn)平面、輪廓和腔臺(tái)等加工，而孔加工刀具主要實(shí)現(xiàn)孔類結(jié)構(gòu)加工，為了實(shí)現(xiàn)特殊的結(jié)構(gòu)和要素的加工，現(xiàn)在還出現(xiàn)了針對(duì)特殊加工的專用刀具。如圖1所示復(fù)合式刀具，一把刀具可以同時(shí)完成鉆孔、臺(tái)階孔、孔口劃窩或锪平面等，圖2所示為減震式刀具等。另外根據(jù)刀具的結(jié)構(gòu)形式，數(shù)銑刀具可分為：整體式刀具和鑲嵌式刀具，鑲嵌式一般多用于硬質(zhì)合金刀片和刀桿的連接，其中固定式采用焊接方式將刀片和刀桿連接在一起，不可拆卸；可換式一般采用機(jī)夾式結(jié)構(gòu)，通過螺釘或壓板將刀片裝夾固定在刀桿上，刀片磨損后可以進(jìn)行更換，機(jī)夾式根據(jù)是否可實(shí)現(xiàn)刀片的轉(zhuǎn)位加工，又分為不轉(zhuǎn)位刀具、可轉(zhuǎn)位刀具。還可以根據(jù)刀具所用的材料進(jìn)行如下分類：(1)高速鋼刀具，采用高速鋼制造的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的成形刀具，如銑刀、鉆頭、螺紋刀具、齒輪刀具、拉刀等，一般適用于中、低速加工；(2)硬質(zhì)合金刀具，具有較好的硬度、紅硬性和耐磨性，應(yīng)用于高速切削中；(3)超硬刀具，如陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金剛石刀具等，具有極高的硬度和耐磨性，一般用于高硬度難加工材料的半精加工和精加工。

圖1 復(fù)合刀具示例

2 數(shù)控銑加工對(duì)刀具的要求

數(shù)銑刀具在選擇時(shí)要考慮諸多因素，首先，考慮工藝加工內(nèi)容及要求，如小平面或側(cè)面周邊輪廓要用立銑刀進(jìn)行銑削，而大的平面一般選擇合金刀片的盤銑刀來銑削；在進(jìn)行凹凸臺(tái)或曲面加工時(shí)，一般選擇球頭銑刀；在加工曲面、復(fù)雜的腔臺(tái)型面與變輪廓外形時(shí)，為避免刀具過切，刀具多選擇球頭刀、牛鼻銑刀、環(huán)形銑刀、錐形銑刀與T型銑刀。其次，考慮零件的加工階段，粗加工時(shí)一般去除余量大，首要考慮加工效率，宜選擇直徑大、短柄刀具，以確保刀具的剛性而精加工階段更多考慮產(chǎn)生較小的切削力以保證零件尺寸和形位公差要求。在進(jìn)行毛坯面與孔粗加工時(shí)，應(yīng)使用鑲齒硬質(zhì)合金玉米銑刀。同時(shí)考慮零件材料、剛性和加工精度等，選擇適宜的刀具材質(zhì)和涂層，防止出現(xiàn)刀具或涂層與零件元素，在高溫和壓力下產(chǎn)生相互親合加劇刀具磨損。最后，在選用刀具時(shí)兼顧其性價(jià)比，當(dāng)明確選用的機(jī)床時(shí)，參考加工零件的切削能力，據(jù)此來選擇相對(duì)便宜的刀具，減少成本，提升收益。但是在節(jié)約成本的時(shí)候，也要考慮刀具的精度、安裝與調(diào)試的方便性、剛性以及刀具耐用度。刀具選擇時(shí)除了考慮零件的加工精度、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本外，還需考慮刀具的斷屑性能以及是否便于快速調(diào)整與更換。下面介紹刀具選擇的一般原則。

2.1 選擇剛性好的刀具

刀具剛性好可以充分發(fā)揮機(jī)床優(yōu)勢(shì)，采用大余量切削提高生產(chǎn)效率，還可避免工藝系統(tǒng)的振動(dòng)提高尺寸精度和表面質(zhì)量。如果刀具剛性不太好，當(dāng)加工余量不均且相差較大，人工操作設(shè)備可以根據(jù)余量大小自主調(diào)整分層切削，而數(shù)控銑削由于必須按照程序規(guī)定刀路和切削量加工，無法智能識(shí)別和調(diào)整，余量過大可能產(chǎn)生斷刀。而采用較小的切削余量加工，雖然不會(huì)出現(xiàn)刀具損壞，但容易產(chǎn)生空走刀多、切削參數(shù)保守加工效率低等問題。而刀具剛性較好時(shí)就無須關(guān)注余量的不均。

2.2 選擇耐用度高的刀具

刀具耐用度不高，則加工過程中刀具磨損會(huì)較快，刀具狀態(tài)的變化首先直接影響工件的加工精度，刀具磨損還加大切削力導(dǎo)致零件變形超差；由于換刀時(shí)對(duì)刀的誤差會(huì)導(dǎo)致加工表面產(chǎn)生接刀痕跡，影響表面質(zhì)量與加工精度；另外換刀、對(duì)刀次數(shù)的增加也會(huì)導(dǎo)致有效加工時(shí)間的縮短，降低機(jī)床的利用率，還加大了刀具的損耗，增加了生產(chǎn)成本。

2.3 選擇高品質(zhì)的刀具

數(shù)控機(jī)床具有高效、高速，可以自動(dòng)控制連續(xù)加工的特點(diǎn)，但如果沒有匹配與之對(duì)應(yīng)的高品質(zhì)的數(shù)控刀具，數(shù)控機(jī)床也就無法發(fā)揮其高效性。例如，現(xiàn)在廣泛的高速切削加工中心，由于其加工時(shí)刀具線速度非常高，如果刀具的紅硬性和耐磨性不好，則其磨損非?？欤瑹o法保證零件加工精度，而選擇低的切削速度則不能充分發(fā)揮高速切削的優(yōu)勢(shì)。其次重視刀具制造精度，特別是刀具刀柄系統(tǒng)的動(dòng)平衡性，以免高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)影響加工精度。

3 數(shù)控銑加工刀具類型的選擇

數(shù)控編程人員通過人機(jī)交互選擇加工所用的刀具，刀具選擇時(shí)應(yīng)考慮以下因素：機(jī)床的加工能力和剛性、工件材料的切削性、加工結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、零件剛性、加工精度和表面質(zhì)量等其他相關(guān)因素。選擇出合適的刀具及刀柄，才能既保證零件加工質(zhì)量又具有很高的加工效率。刀具選擇的一般原則主要有：刀具安裝和調(diào)整方便，機(jī)夾式刀片磨損后方便進(jìn)行更換；刀具的剛性好，利用大余量切削，提高加工效率；刀具的耐用度高，無須經(jīng)常更換和對(duì)刀。另外為提高刀具的剛性，在滿足加工深度要求的前提下，刀具選擇和裝刀時(shí)盡量減少刀具的伸出長(zhǎng)度。下面將按照被加工零件的幾何形狀和刀具種類，介紹刀具選擇的一般原則。

3.1 銑削刀具的選用

一般選擇鑲嵌式盤形銑刀加工較大的平面，由于刀具直徑大，減少了重復(fù)走刀次數(shù)，不僅可以提高銑削效率，同時(shí)避免刀路之間的接刀痕跡，提高加工表面質(zhì)量；一般選擇圓柱銑刀加工小平面、凸臺(tái)、臺(tái)階面和側(cè)面輪廓；鍵槽銑刀由于具有過中心切削能力，適宜加工鍵槽、腰形槽等封閉凹槽，而兩刃鍵槽銑刀容屑空間大，適宜大余量加工，便于確保槽的加工尺寸精度；加工曲面時(shí)一般選擇球頭刀，可以避免刀尖與工件表面發(fā)生干涉過切，同時(shí)實(shí)現(xiàn)加工區(qū)刀尖與被加工面在相切。

3.2 孔加工刀具的選用

數(shù)控機(jī)床孔在進(jìn)行孔加工時(shí)，通過移動(dòng)主軸或工作臺(tái)到指定位置，實(shí)現(xiàn)孔位的保證。由于麻花鉆的只有鉆心連接，其剛性差，同時(shí)鉆削區(qū)域切削液很難進(jìn)入，溫度高排屑性能差，區(qū)別與鉗工鉆模鉆孔，鉆孔容易歪斜。因此一般選用鉆頭深度與直徑比值應(yīng)小于等于5；同時(shí)先用中心鉆打出中心孔，再鉆孔可以較好地滿足孔的定位精度；精鉸前首先對(duì)孔口倒角以方便導(dǎo)向，再選擇浮動(dòng)鉸刀消除鉸孔的位置偏差；鏜孔時(shí)使用多刃鏜刀可以有效平衡鏜削力，消除鏜孔時(shí)的振動(dòng)，另外選擇建議較粗較短的刀桿，如果刀桿與孔壁干涉，僅去除干涉位置材料，盡量提高刀桿的剛性，利于保證孔的尺寸精度和表面質(zhì)量。除了刀具選擇要合適外，其加工方法也比較主要，主要遵循原則有：(1)盡量合并刀具種類，減少刀具數(shù)量；(2)加工時(shí)一把刀具調(diào)用后，盡可能一次完成該刀具的所有加工要素；(3)粗加工和精加工的刀具盡量分開，雖然增加了刀具數(shù)量，但減小了精加工刀具的磨損量，有利于保證零件加工精度；(4)先銑平面再加工該面上的孔，避免了鉆孔的滑移；(5)如果既加工曲面又加工側(cè)面輪廓，應(yīng)先精加工曲面，再對(duì)其輪廓進(jìn)行精加工。另外盡量選擇硬度、耐磨性和耐用度好的刀具，雖然表面上看生產(chǎn)成本較高，但由于刀具切削時(shí)間長(zhǎng)，精度保持性高使得零件的加工質(zhì)量高，同時(shí)切削效率高，加工中斷得較少，綜合下來生產(chǎn)成本反而會(huì)大大降低。

4 切削參數(shù)的確定

切削參數(shù)包括切削速度(刀具轉(zhuǎn)速)、進(jìn)給速度(走刀速度)、吃刀深度、側(cè)吃刀深度等。數(shù)控編人員通常依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，指定每把刀具每次走刀時(shí)的切削參數(shù)，通過程序語句寫入數(shù)控程序中。按照加工方法、刀具材料、零件剛性和余量大小等設(shè)置刀具的切削參數(shù)。切削參數(shù)的設(shè)置原則是：在滿足零件加工尺寸精度、形位公差和表面質(zhì)量的前提下，應(yīng)選擇較大的切削參數(shù)，按照吃刀深度、進(jìn)給速度、切削速度依次調(diào)大參數(shù)，以提高刀具的切削性能，從而盡可能地提高加工效率，降低生產(chǎn)成本。

4.1 切削速度的確定

銑削時(shí)切削速度的大小對(duì)刀具的耐用度影響較大，其與刀具的耐用度T、側(cè)吃刀量ae、背吃刀量ap、每齒進(jìn)給量fz以及銑刀齒數(shù)Z成反比，和銑刀的直徑d成正比。側(cè)吃刀量ae、背吃刀量ap、每齒進(jìn)給量fz以及銑刀齒數(shù)增大時(shí)，參與切削的齒數(shù)增多，刀刃負(fù)荷加大，切削區(qū)域切削熱變大，溫度升高，導(dǎo)致刀具磨損加劇，所以通常根據(jù)設(shè)定的刀具耐用度選擇合適的切削速度。大直徑的銑刀有利于刀具散熱，此時(shí)可選擇較高的切削速度。下表針對(duì)鋼和鑄鐵材料，列出了不同材料不同硬度狀態(tài)下銑削的推薦切削速度。

銑削時(shí)的切削速度參考表

4.2 進(jìn)給速度的確定

進(jìn)給速度F是影響數(shù)控加工效率的主要參數(shù)之一，一般根據(jù)零件的表面加工質(zhì)量、尺寸精度和表面粗糙度等要求選擇，同時(shí)還應(yīng)綜合考慮刀具材料、零件材料的切削性能、切削余量。在零件輪廓切削時(shí)，為避免切削力的突變損壞刀具，編程時(shí)一般在接近拐角處或切削余量突變處減小進(jìn)給量，以克服運(yùn)動(dòng)慣性或工藝系統(tǒng)受力變形，消除在零件輪廓拐角處造成過切或欠切現(xiàn)象。

進(jìn)給速度的設(shè)置原則：(1)在滿足工件加工質(zhì)量要求的前提下，選擇較大的進(jìn)給速度，從而提高加工效率。通常切削時(shí)進(jìn)給速度范圍在100～200mm/min之間。(2)在使用鋸片刀切斷零件、進(jìn)行深孔加工或高速鋼刀具切削時(shí)，一般采用較低的進(jìn)給速度，進(jìn)給速度范圍控制在20～50mm/min之間。(3)當(dāng)零件加工精度較高，表面質(zhì)量要求嚴(yán)格時(shí)，此時(shí)進(jìn)給速度應(yīng)當(dāng)選擇較小數(shù)值，一般在20～50mm/min之間內(nèi)選取。(4)刀具空走刀時(shí)，應(yīng)根據(jù)該機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高空走速度設(shè)定。

4.3 背吃刀量的確定

在滿足零件加工表面粗糙度的前提下，應(yīng)依據(jù)機(jī)床、工裝、刀具和零件的工藝剛度來選擇背吃刀量。在工藝系統(tǒng)剛性允許的前提下，為提高加工效率推薦采用大的背吃刀量，從而減少走刀次數(shù)。當(dāng)工件表面粗糙度數(shù)值為Ra3.2～12.5μm時(shí)，建議加工分為粗銑、半精銑兩個(gè)工步完成，粗銑以后余量留0.5～1.0mm；當(dāng)工件表面粗糙度數(shù)值要求較高，達(dá)到Ra0.8～3.2μm，加工可分為粗銑、半精銑和精銑三個(gè)工步，分別銑削完成，三個(gè)工步背吃刀量分別為：半精銑加工時(shí)端銑背吃刀量、側(cè)吃刀量各取1.5～2mm，精銑加工時(shí)背吃刀量取0.5～1mm，圓周銑側(cè)吃刀量取0.3～0.5mm。

結(jié)語

通常數(shù)控編程時(shí)可按照上述原則選取刀具及切削參數(shù)，但實(shí)際實(shí)踐中還要參考零件的材料、硬度、刀具材料、剛性、余量等因素，綜合考慮靈活掌握，并根據(jù)實(shí)際切削狀態(tài)不斷優(yōu)化調(diào)整，只有這樣善于總結(jié)，才能不斷進(jìn)步，成為一名合格的數(shù)控編程員。