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數(shù)控加工中心刀具和切削用量的選擇

2016-12-8 來源：福建三明林業(yè)學(xué)校作者：林峰銘

摘要：刀具是機(jī)床實(shí)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(jī)床功效的發(fā)揮和安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。所以，在編加工程序時(shí)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(jì)效益。在數(shù)控銑上加工零件，保證零件加工質(zhì)量是非常重要的，我們不僅要充分發(fā)揮機(jī)床本身的性能，更為重要的是刀具和切削用量的確定是十分重要的，刀具的選擇和切削用量的確定是提高加工質(zhì)量和加工效率的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工中心；刀具；切削用量

引言：

刀具選擇與切削用量確定是數(shù)控銑加工中十分重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到加工精度、加工表面質(zhì)量、加工效率。選擇合適的刀具和切削用量可使加工以最低的成本、最短的時(shí)間達(dá)到最佳的加工質(zhì)量。在切削加工中，切削用量和刀具對(duì)加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本會(huì)產(chǎn)生較大的影響。加工速度快、生產(chǎn)效率高是數(shù)控加工相比傳統(tǒng)切削加工的優(yōu)勢(shì)，在“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低成本”這一大的原則下，切削用量和刀具能否正確選擇和使用對(duì)數(shù)控加工發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)有較大的影響。

一、數(shù)控加工刀具的選擇

數(shù)控銑床的加工效率，加工質(zhì)量與銑刀的選擇有直接的關(guān)系。在數(shù)控銑床加工工藝中有著重要意義。數(shù)控銑床加工對(duì)刀具的要求更高，要求具備精度高、強(qiáng)度大、剛度好、耐用度高，而且要求尺寸穩(wěn)定、安裝調(diào)整方便。刀具及刀柄正確選擇應(yīng)根據(jù)機(jī)床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量等因素來選擇。刀具選擇應(yīng)遵循的原則是：安裝調(diào)整方便、剛性好、壽命和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工時(shí)的剛性。

（一）數(shù)控銑削加工常用刀具的種類

數(shù)控銑削刀具按結(jié)構(gòu)可分為整體式、鑲嵌式。鑲嵌式包括焊接式、機(jī)夾式。刀具按材料可分為特殊形式、高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具。加工工藝分為鉆削刀具、銑削刀具、鏜削刀具。按刀具形狀分為平底刀、球頭刀、錐度刀、T 形刀、桶狀刀、異形刀。

（二）數(shù)控加工刀具的選擇

1、刀具的選擇

在進(jìn)行自由曲面（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，故球頭常用于曲面的精加工。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，只要在保證不過切的前提下，無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，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、擴(kuò)、鉸、鏜、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。

2、刀具切削壽命與切削用量之間的關(guān)系

制定切削用量時(shí)，先應(yīng)考慮刀具壽命，根據(jù)刀具壽命選擇刀具的原則是：根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造、磨刀成本選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時(shí)間短，為了充分發(fā)揮切削性能、提高生產(chǎn)效率，刀具壽命可選得低些，一般取15 ～ 30min。對(duì)于裝刀、換刀、調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床、組合床與自動(dòng)化加工刀具，刀具壽命應(yīng)選得高些，尤其要保證刀具可靠性。大件精加工時(shí)，為保證至少完成一次走刀，避免切削時(shí)中途換刀，刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度確定。

3、刀具材料的選擇

所選擇的刀具要有足夠高的硬度，以適應(yīng)高壓力、高溫度和和劇烈摩擦，一般情況下刀具材料的硬度至少要在工件材料的硬度以上60HRC；要有較好的耐磨性，較好的耐磨性可以減少刀具的磨損，從而延長(zhǎng)刀具的使用壽命；要有較高的韌性，只有具有足夠好的韌性，才能承受切削力、沖擊和工藝系統(tǒng)的振動(dòng)；為保證刀具的硬度、耐磨性和韌性在高溫下不發(fā)生或僅產(chǎn)生較小的變化，要求刀具材料的耐高溫性能要好；刀具材料良好的工藝性也是重要的一個(gè)方面，這有利于刀具的維修和制造。如表1 所示。

表1　常用刀具材料的性能比較

二、切削用量的選擇

銑削加工切削用量包括切削速度、進(jìn)給速度、背吃刀量、側(cè)吃刀量。切削用量主要影響切削力、切削功率、刀具磨損、加工質(zhì)量和加工成本。切削用量的選擇應(yīng)遵循以下原則：在保證零件加工精度和表面粗糙度的前提下，應(yīng)充分發(fā)揮刀具的切削性能和刀具的耐用度，同時(shí)充分發(fā)揮機(jī)床的性能，對(duì)于不同的加工方法需選用不同的切削用量，編程人員在編程時(shí)應(yīng)確定每到工序的切削用量，這樣可最大限度提高生產(chǎn)效率、降低加工成本。

（一）背吃刀量ap 的選擇

車削加工一般情況下可以分為粗車、半精車和精車。粗車（Ra 為50 ～ 12.5μm）時(shí)，全部加工余量盡可能在一次走刀過程中切除，在中等功率的機(jī)床上，背吃刀量可以取為8 ～ 10mm。半精車（Ra 為6.3 ～ 3.2μm）時(shí)，背吃刀量可以取為0.5 ～ 2mm。精車（Ra 為1.6 ～ 0.8μm）時(shí)，背吃刀量可以取為0.1 ～ 0.4mm。在碰到以下情形時(shí)，粗車一般最好分幾次走刀。首先，工件所留的加工余量過多時(shí)，一次走刀會(huì)使切削力太大，會(huì)出現(xiàn)機(jī)床功率不足或刀具強(qiáng)度不夠的情況。其次，工藝系統(tǒng)的剛性不夠，或者工件的加工余量非常不均勻，這兩種情況造成車削過程中引起很大的振動(dòng)時(shí)。第三，在斷續(xù)切削中，刀具因受到很大沖擊而打刀時(shí)。在以上情形中，如果需要分兩次走刀，那么第一次走刀的背吃刀量要盡可能取的大一點(diǎn)，第二次走刀的背吃刀量要盡可能的取小一點(diǎn)，才能保證精加工的刀具具較長(zhǎng)的刀具使用壽命，高的加工精度和較小的表面粗糙度。第二次走刀時(shí)，背吃刀量可以取加工余量的1/3 ～ 1/4 左右。

（二）進(jìn)給速度f 的確定

在數(shù)控車削加工中，粗車時(shí)，一般沒有太高的工件表面粗糙度要求，這時(shí)切削力一般情況下很大，所以合理的進(jìn)給量f 等于是工藝系統(tǒng)能承受的最大限度的進(jìn)給量。這一進(jìn)給量受到下列一些因素的限制：車刀刀桿的強(qiáng)度及剛度、車床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、刀片的強(qiáng)度和工件的裝卡剛度等。進(jìn)給量包括進(jìn)給速度（fυ）和每齒進(jìn)給量。切削刃上的的選定點(diǎn)相對(duì)于工件的進(jìn)給的瞬時(shí)速度稱為進(jìn)給速度。刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)工件的位移量稱為進(jìn)給量，單位mm/r。半精加工和精加工主要目的是提高零件的表面質(zhì)量和加工精度，不能盲目增大切削深度，依據(jù)粗加工時(shí)剩余的余量，采用切削深度逐刀減小的方法，使得加工精度和表面質(zhì)量逐步提高。進(jìn)給速度選擇的過大會(huì)降低加工精度和表面質(zhì)量，在半精加工和精加工時(shí)一般20 ～ 50mm/min 是合理的選擇區(qū)間。

（三）切削速度vc 的確定

1）切削速度vC與積屑瘤高度Hb 的關(guān)系。因?yàn)榉e屑瘤的頂部特別不穩(wěn)定，易破裂，并且破裂的一些碎片可能會(huì)粘在已經(jīng)車過的表面上；積屑瘤使刀具切入深度增加了一個(gè)Δh，且積屑瘤會(huì)周期性的產(chǎn)生、生長(zhǎng)、脫落，導(dǎo)致Δh 也周期性的增加和減小，它變化有可能引起振動(dòng)，所以在精車時(shí)應(yīng)該選擇合理的切削速度，以避開積屑瘤的最易生成的車削速度區(qū)域。在低速車削Ⅰ區(qū)不產(chǎn)生積屑瘤；在Ⅱ區(qū)中積屑瘤高度隨切削速度增大而加大到最大值；在Ⅲ區(qū)內(nèi)積屑瘤高度隨車削速度增加而減小；在Ⅳ區(qū)內(nèi)積屑瘤不再產(chǎn)生。因此，在實(shí)際生產(chǎn)加工中，切削速度要盡可能避開中速區(qū)。2）切削速度的確定。根據(jù)選定的背吃刀量ap，進(jìn)給量f 及刀具壽命T，按下列公式計(jì)算

但是大多數(shù)時(shí)候，人們往往是選擇直接從切削速度經(jīng)驗(yàn)參考值表直接查詢而得（見表2）。

表2　銑削加工切削速度參考表

三、結(jié)束語

隨著數(shù)控加工中心機(jī)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(jiǎn)單的手工編程到復(fù)雜的曲面軟件編程，同時(shí)對(duì)切削刀具的要求也更加精確、多樣。在某些加工環(huán)節(jié)，實(shí)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(shí)也使效益最大化。

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