數(shù)控加工中心刀具和切削用量的選擇探討
2016-10-26 來源：中國兵器工業(yè)集團第五二研究所 作者：李海豹 劉澤林 戰(zhàn)中學(xué)
摘要：數(shù)控機床加工生產(chǎn)中，在加工工藝確定的情況下，加工刀具和切削用量的合理選擇是數(shù)控加工生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，是保證數(shù)控加工生產(chǎn)效率和表面加工質(zhì)量的重要保證。合理選擇切削用量是切削刀具充分發(fā)揮性能的保障，合理選擇切削刀具是切削用量最有效的保證，只有將兩者有機地結(jié)合起來，才能充分發(fā)揮數(shù)控機床的加工效率和加工質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：數(shù)控加工中心；切削刀具；切削用量；數(shù)控機床；加工工藝
刀具是機床實現(xiàn)切削加工的直接執(zhí)行者，刀具的選擇和切削用量的選擇合理與否，不僅影響到被加工零件的質(zhì)量，甚至可以決定機床功效的發(fā)揮和安全生產(chǎn)的順利進行。所以，在編加工程序時，要選擇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質(zhì)量，還可降低成本以獲得最佳經(jīng)濟效益。
1. 加工中心用刀具的基本特征
為了適應(yīng)數(shù)控機床加工精度、加工效率、加工工序集中及零件裝夾次數(shù)少等要求，數(shù)控機床對所用的刀具有許多性能的要求，加工中心用刀具及刀具系統(tǒng)有以下特點：（1）刀片和刀柄高度的通用化、規(guī)則化、系統(tǒng)化；（2）刀片和刀具參數(shù)及切削參數(shù)的規(guī)范化、典型化；（3）刀片或刀具材料及切削參數(shù)與被加工工件材料相匹配；（4）刀片或刀具的使用壽命長，加工剛性好；（5）刀片及刀柄的定位精度高，刀柄對機床主軸的相對位置要求較高；（6）刀柄須有較高的強度、剛度和耐磨性，刀柄及刀具系統(tǒng)的重量不能超標(biāo)；（7）刀柄的轉(zhuǎn)位、重裝和重復(fù)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
常用數(shù)控刀具材料有高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼、金剛石等，其中高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金在數(shù)控加工中的應(yīng)用最廣泛。
2.2 刀具性能的比較
在常用的刀具中，高速鋼、涂層高速鋼的韌性最好，涂層硬質(zhì)合金的硬度較高，硬質(zhì)合金刀具層中，陶瓷刀具、立方氮化硼、金剛石刀具的硬度更高。除特殊材料外，一般不用這幾種材料的刀具（由于其硬度較高刃磨難度大，而成型刀具切削刃不易鋒利，容易崩刃，通常用于較硬的材料加工）。
2.3 刀具種類
數(shù)控加工中心常用刀具種類較多，根據(jù)刀具用途，可分為輪廓類加工刀具和孔類加工刀具等。
2.3.1 輪廓類加工刀具。
第一，面銑刀。刀片和刀齒與刀體的安裝方式有整體焊接式，機夾焊接式和可轉(zhuǎn)位式三種，運用較多的是可轉(zhuǎn)位式。當(dāng)?shù)镀邢魅心モg或報廢時，可直接在機床上轉(zhuǎn)位或者更換刀片，從而大大提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)不同的工件外形不同的機床性能，選擇適當(dāng)直徑大小的刀具型號使用方便快捷。面銑刀直徑一般為40～400mm。
第二，立銑刀。立銑刀是數(shù)控機床運用的較廣泛的一種刀具，有整體式和鑲刀片式兩種。一般直徑在Φ20mm以下用整體式。直徑在Φ20mm以上多用于鑲齒式，還有刀尖圓弧式銑刀，多用于模具加工，適用于曲面的大量加工，現(xiàn)在的硬質(zhì)合金立銑刀也可取代鍵槽銑刀作垂直進給。
第三，球頭刀。圓柱形球頭銑刀，主要用于模具加工，精加工使用，也有成形和鑲齒兩種。主要用于曲面加工，其加工表面質(zhì)量較高，球頭刀中心切削速度為零。球頭刀具不適用于平面銑削。
2.3.2 孔類加工刀具。
第一，鉆頭。加工中心常用鉆頭有中心鉆、標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆。刀具材料有高速鋼、硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金等。
第二，鉸刀。有標(biāo)準(zhǔn)高速鋼鉸刀、焊接硬質(zhì)合金刀（一般用于定做尺寸，深孔鉸刀）、浮動鉸刀。
第三，鏜刀。鏜刀分為粗鏜刀、精鏜刀、浮動鏜刀等。精鏜刀采用螺絲調(diào)節(jié)式，每格精度不同，有0.002mm每格直徑，也有0.01mm每格直徑方向等。
2.3.3 一些特殊加工刀具。如T形刀具，開槽和切斷用鋸片刀具，燕尾槽成型刀具等，使用頻率較低。
3. 加工中心刀具選擇原則
應(yīng)根據(jù)機床的加工能力、加工材料的性能、加工工序、切削用量以及其他因素合理地選擇刀具。刀具選擇的總原則是：刀具選用最重要的一點就是看性價比，在機床確定的條件下，首先考慮加工工件材料的切削性能，參照加工材料的性能選用價格最低的刀具，提高效益，降低成本，同時也要安裝調(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，以提高刀具加工剛性。
在選取刀具時，要使刀具的直徑與加工工件的去除量相適應(yīng)，平面周邊輪廓的銑削，用立銑刀；銑削平面用硬質(zhì)合金盤銑刀；加工凹凸臺時使用高速鋼立銑刀；加工毛坯面或孔粗加工時，選用鑲齒硬質(zhì)合金玉米銑刀；立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭刀、環(huán)形銑刀、錐形銑刀和盤銑刀。
有時候刀具的耐用度和精度與刀具價格關(guān)系極大，必須注意的是，在有些情況下，選擇價格較高的好刀具，但是好的刀具帶來加工效率和加工質(zhì)量的提高，則可以使整個加工成本大大降低。
4. 切削用量選擇
在數(shù)控加工中，切削用量的選用是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它直接影響加工效率和加工質(zhì)量的提高。合理地選擇切削用量需要理論和實踐相結(jié)合，在實踐中不斷摸索實驗，才能更好地總結(jié)、歸納出比較合適的切削用量。
切削用量主要包括背吃刀量和側(cè)吃刀量、進給速度和切削速度。從刀具的耐用度考慮，切削用量的選擇方法是先選背吃刀量，其次是進給速度，最后確定切削速度。下面就筆者在平時的工作中遇到的加工參數(shù)進行分析：
第一，在機床型號為DMC635V的機床，加工厚度為20mm，材料為12Cr2Mo的工件上鉆Φ1.2mm的通孔。刀具選擇：Φ1.2mm的高速鋼鉆頭，注意鉆頭切削刃是否均勻?qū)ΨQ。
背吃刀量：每鉆深0.5mm提刀排屑法。
進給速度：Vf＝5mm/min。
切削速度：n＝5000mm/min。
實現(xiàn)加工工藝要求，順利完成加工任務(wù)。
第二，在VMC1250型號機床上，加工材料為5CrNiMo熱鍛模具，調(diào)質(zhì)硬度為500HBW的狹長槽，深度為170mm的工件精加工，加工余量為單邊0.1～0.15mm。刀具選擇：Φ20mmR5的牛鼻刀，刀具長度為250mm鑲齒硬質(zhì)合金刀。
背吃刀量：0.1mm
進給速度：Vf＝1800mm。
切削速度：n＝3000mm/min，采用順銑的加工方法。
程序開頭加G64連續(xù)加工指令，順利完成加工生產(chǎn)任務(wù)，并保證較好的加工光潔度，得到用戶的肯定。
第三，在VMC1250型號機床在685鋼板調(diào)質(zhì)硬度在460HBW，厚度8mm的鋼板上鉆672個Φ10的陣列通孔，考慮加工成本核算和加工效率。
方案1：刀具選擇：Φ10mm優(yōu)質(zhì)高速鋼鉆頭，每支46元。
背吃刀量：一次鉆通。
進給速度：Vf＝10mm/min。
切削速度：n＝180r/min。
鉆頭在刃磨較好的情況下，一次最多鉆20多個孔。方案2：刀具選擇：Φ10mm硬質(zhì)合金鉆頭，每支360元。
背吃刀量：一次鉆通。
進給速度：Vf＝30mm/min。
切削速度：n＝600r/min。
鉆頭一次最多鉆500左右個孔。
方案3：刀具選擇：Φ10mm硬質(zhì)合金涂層鉆頭，每支630元。
背吃刀量：一次鉆通。
進給速度：Vf＝90mm/min。
切削速度：n＝1200r/min。
鉆頭一次最多鉆約2000個孔。這也充分地說明，使用價格高的好刀具，不一定就提高加工成本，效率的提高和數(shù)量的增加，恰恰是效益的增加。
5. 結(jié)語
隨著數(shù)控加工中心機床的發(fā)展，加工工藝要求的不斷提高，數(shù)控加工的方法也更加多樣化，從簡單的手工編程到復(fù)雜的曲面軟件編程，同時對切削刀具的要求也更加精確、多樣。在某些加工環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了加工工藝的要求就是任務(wù)完成，而有些加工生產(chǎn)任務(wù)，是講質(zhì)量、講效益、講效率的。只有合理地選擇切削刀具和切削用量，才能保證任務(wù)的順利完成，同時也使效益最大化。
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