数控加工中心刀具和切削用量的选择探讨
2016-10-26 来源：中国兵器工业集团第五二研究所 作者：李海豹 刘泽林 战中学
摘要：数控机床加工生产中，在加工工艺确定的情况下，加工刀具和切削用量的合理选择是数控加工生产的重要环节，是保证数控加工生产效率和表面加工质量的重要保证。合理选择切削用量是切削刀具充分发挥性能的保障，合理选择切削刀具是切削用量最有效的保证，只有将两者有机地结合起来，才能充分发挥数控机床的加工效率和加工质量。
关键词：数控加工中心；切削刀具；切削用量；数控机床；加工工艺
刀具是机床实现切削加工的直接执行者，刀具的选择和切削用量的选择合理与否，不仅影响到被加工零件的质量，甚至可以决定机床功效的发挥和安全生产的顺利进行。所以，在编加工程序时，要选择合理的刀具和切削用量，不但可以有效提高切削效率和加工质量，还可降低成本以获得最佳经济效益。
1. 加工中心用刀具的基本特征
为了适应数控机床加工精度、加工效率、加工工序集中及零件装夹次数少等要求，数控机床对所用的刀具有许多性能的要求，加工中心用刀具及刀具系统有以下特点：（1）刀片和刀柄高度的通用化、规则化、系统化；（2）刀片和刀具参数及切削参数的规范化、典型化；（3）刀片或刀具材料及切削参数与被加工工件材料相匹配；（4）刀片或刀具的使用寿命长，加工刚性好；（5）刀片及刀柄的定位精度高，刀柄对机床主轴的相对位置要求较高；（6）刀柄须有较高的强度、刚度和耐磨性，刀柄及刀具系统的重量不能超标；（7）刀柄的转位、重装和重复定位精度要求高。
2. 加工中心用刀具材料
2.1 常用刀具材料
常用数控刀具材料有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石等，其中高速钢、硬质合金、涂层硬质合金在数控加工中的应用最广泛。
2.2 刀具性能的比较
在常用的刀具中，高速钢、涂层高速钢的韧性最好，涂层硬质合金的硬度较高，硬质合金刀具层中，陶瓷刀具、立方氮化硼、金刚石刀具的硬度更高。除特殊材料外，一般不用这几种材料的刀具（由于其硬度较高刃磨难度大，而成型刀具切削刃不易锋利，容易崩刃，通常用于较硬的材料加工）。
2.3 刀具种类
数控加工中心常用刀具种类较多，根据刀具用途，可分为轮廓类加工刀具和孔类加工刀具等。
2.3.1 轮廓类加工刀具。
第一，面铣刀。刀片和刀齿与刀体的安装方式有整体焊接式，机夹焊接式和可转位式三种，运用较多的是可转位式。当刀片切削刃磨钝或报废时，可直接在机床上转位或者更换刀片，从而大大提高加工效率和产品质量，根据不同的工件外形不同的机床性能，选择适当直径大小的刀具型号使用方便快捷。面铣刀直径一般为40～400mm。
第二，立铣刀。立铣刀是数控机床运用的较广泛的一种刀具，有整体式和镶刀片式两种。一般直径在Φ20mm以下用整体式。直径在Φ20mm以上多用于镶齿式，还有刀尖圆弧式铣刀，多用于模具加工，适用于曲面的大量加工，现在的硬质合金立铣刀也可取代键槽铣刀作垂直进给。
第三，球头刀。圆柱形球头铣刀，主要用于模具加工，精加工使用，也有成形和镶齿两种。主要用于曲面加工，其加工表面质量较高，球头刀中心切削速度为零。球头刀具不适用于平面铣削。
2.3.2 孔类加工刀具。
第一，钻头。加工中心常用钻头有中心钻、标准麻花钻。刀具材料有高速钢、硬质合金和涂层硬质合金等。
第二，铰刀。有标准高速钢铰刀、焊接硬质合金刀（一般用于定做尺寸，深孔铰刀）、浮动铰刀。
第三，镗刀。镗刀分为粗镗刀、精镗刀、浮动镗刀等。精镗刀采用螺丝调节式，每格精度不同，有0.002mm每格直径，也有0.01mm每格直径方向等。
2.3.3 一些特殊加工刀具。如T形刀具，开槽和切断用锯片刀具，燕尾槽成型刀具等，使用频率较低。
3. 加工中心刀具选择原则
应根据机床的加工能力、加工材料的性能、加工工序、切削用量以及其他因素合理地选择刀具。刀具选择的总原则是：刀具选用最重要的一点就是看性价比，在机床确定的条件下，首先考虑加工工件材料的切削性能，参照加工材料的性能选用价格最低的刀具，提高效益，降低成本，同时也要安装调整方便，刚性好，耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工刚性。
在选取刀具时，要使刀具的直径与加工工件的去除量相适应，平面周边轮廓的铣削，用立铣刀；铣削平面用硬质合金盘铣刀；加工凹凸台时使用高速钢立铣刀；加工毛坯面或孔粗加工时，选用镶齿硬质合金玉米铣刀；立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀。
有时候刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须注意的是，在有些情况下，选择价格较高的好刀具，但是好的刀具带来加工效率和加工质量的提高，则可以使整个加工成本大大降低。
4. 切削用量选择
在数控加工中，切削用量的选用是最为关键的环节，它直接影响加工效率和加工质量的提高。合理地选择切削用量需要理论和实践相结合，在实践中不断摸索实验，才能更好地总结、归纳出比较合适的切削用量。
切削用量主要包括背吃刀量和侧吃刀量、进给速度和切削速度。从刀具的耐用度考虑，切削用量的选择方法是先选背吃刀量，其次是进给速度，最后确定切削速度。下面就笔者在平时的工作中遇到的加工参数进行分析：
第一，在机床型号为DMC635V的机床，加工厚度为20mm，材料为12Cr2Mo的工件上钻Φ1.2mm的通孔。刀具选择：Φ1.2mm的高速钢钻头，注意钻头切削刃是否均匀对称。
背吃刀量：每钻深0.5mm提刀排屑法。
进给速度：Vf＝5mm/min。
切削速度：n＝5000mm/min。
实现加工工艺要求，顺利完成加工任务。
第二，在VMC1250型号机床上，加工材料为5CrNiMo热锻模具，调质硬度为500HBW的狭长槽，深度为170mm的工件精加工，加工余量为单边0.1～0.15mm。刀具选择：Φ20mmR5的牛鼻刀，刀具长度为250mm镶齿硬质合金刀。
背吃刀量：0.1mm
进给速度：Vf＝1800mm。
切削速度：n＝3000mm/min，采用顺铣的加工方法。
程序开头加G64连续加工指令，顺利完成加工生产任务，并保证较好的加工光洁度，得到用户的肯定。
第三，在VMC1250型号机床在685钢板调质硬度在460HBW，厚度8mm的钢板上钻672个Φ10的阵列通孔，考虑加工成本核算和加工效率。
方案1：刀具选择：Φ10mm优质高速钢钻头，每支46元。
背吃刀量：一次钻通。
进给速度：Vf＝10mm/min。
切削速度：n＝180r/min。
钻头在刃磨较好的情况下，一次最多钻20多个孔。方案2：刀具选择：Φ10mm硬质合金钻头，每支360元。
背吃刀量：一次钻通。
进给速度：Vf＝30mm/min。
切削速度：n＝600r/min。
钻头一次最多钻500左右个孔。
方案3：刀具选择：Φ10mm硬质合金涂层钻头，每支630元。
背吃刀量：一次钻通。
进给速度：Vf＝90mm/min。
切削速度：n＝1200r/min。
钻头一次最多钻约2000个孔。这也充分地说明，使用价格高的好刀具，不一定就提高加工成本，效率的提高和数量的增加，恰恰是效益的增加。
5. 结语
随着数控加工中心机床的发展，加工工艺要求的不断提高，数控加工的方法也更加多样化，从简单的手工编程到复杂的曲面软件编程，同时对切削刀具的要求也更加精确、多样。在某些加工环节，实现了加工工艺的要求就是任务完成，而有些加工生产任务，是讲质量、讲效益、讲效率的。只有合理地选择切削刀具和切削用量，才能保证任务的顺利完成，同时也使效益最大化。
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