浅谈数控加工中刀具的特点及选择

张党飞，阮晓光，王寅晨，曹瀚心，孙 敏

（西安建筑科技大学 机电学院，西安 710055）

浅谈数控加工中刀具的特点及选择

张党飞，阮晓光，王寅晨，曹瀚心，孙 敏

（西安建筑科技大学 机电学院，西安 710055）

本文介绍了数控加工中刀具的特点及其与传统刀具相比之下的独有特点，并对数控机床加工时刀具的选择及刀具选择时的影响因素进行了分析。同时，结合CAXA2004制造工程师软件实例证明了，正确的掌握数控加工中刀具的选择，才能充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平。

数控加工；刀具；CAXA

0 引言

近年来，随着经济高速发展，为提高竞争力，企业自觉地应用高新技术来改造传统产业，数控机床在机械制造加工业中得到了越来越广泛的应用。其中加工中心因为功能齐全并设有刀库和自动换刀装置，而成为目前世界上产量最多，应用最广泛的数控机床之一[1]。刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。CAD/CAM技术的发展，使得在数控加工中直接利用CAD的设计数据成为可能，特别是计算机与数控机床的连接，使得设计、工艺规划及编程的整个过程全部在计算机上完成，一般不需要输出专门的工艺。

现在，许多CAD/CAM软件包都提供自动编程功能，这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题，如刀具选择、加工路径规划、切削用量的确定等，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成NC程序并传输至数控机床完成加工[2]。

因此，数控加工中的刀具选择是在人机交互状态下完成的，这与普通机床加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点，以便能够正确的选择刀具。

1 数控加工刀具的特点

1.1 数控刀具的定义及应满足的要求

数控刀具是指与先进高效的数控机床相配套使用的各种刀具的总称，是数控机床不可缺少的关键配套产品，数控刀具以其高效、精密、高速、耐磨、高耐用度和良好的综合切削性能取代了传统的刀具。

数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要连接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。

1.2 数控刀具与传统（普通）机床刀具的比较

数控刀具与传统机床刀具相比，有许多不同的要求，主要特点[2,3]有：

1）刚性好（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及热变形小；

2）互换性好，便于快速换刀；

3）寿命高，切削性能稳定、可靠；

4）刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间；

5）刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切削的排除；

6）系列化、标准化，以利于编程和刀具管理；

7）刀具有很高的切削效率；

8）数控刀具有高的精度和重复定位精度；

9）应有刀具在线监控及尺寸补偿系统。

2 数控加工刀具的选择及应考虑的因素

2.1 数控加工刀具的选择

正确选择数控刀具可提高数控工作效率，保证数控刀具资源的合理配置，既可以避免因个别刀具闲置造成的资源浪费，又可以避免对个别刀具的频繁借用，造成精度无法保证以及生产上的相互牵制。刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。刀具选择总的原则是：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，以提高刀具加工的刚性。

选择刀具时，要使用的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工时，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘行铣刀。

在进行自由曲面加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此，为保证加工精度，切削行距一般取得很密，故球头刀具常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀，因此，只要在保证不过切的前提下，无论是曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀。另外，刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意的是，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，则可以使整个加工成本大大降低。

在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀动作。因此，必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具，迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围，以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。目前，我国的加工中心采用TSG工具系统，其刀柄有直柄（三种规格）和锥柄（四种规格）两种，共包括16种不同用途的刀柄。

在经济型数控加工中，由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行，占用辅助时间较长，因此，必须合理安排刀具的排列顺序[2]。

2.2 选择刀具应考虑的因素

在选择刀具的类型和规格时，主要考虑以下因素的影响：

1）生产性质；2）机床类型；3）数控加工方案；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。

在选择数控机床加工刀具时，还应考虑以下几方面的问题：

1）数控刀具的类型、规格和精度等级应能够满足加工要求，刀具材料应与工件材料相适应；2）切削性能好；3）精度高；4）可靠性高；5）耐用度高；6）断屑及排屑性能好。

3 刀具的选择与自动编程实例

3.1 基于 CAXA2004制造工程师[4]中刀具的选择

如图1所示[5]，五角星高45mm，直径φ220mm，五角星的机械加工工艺过程卡如表1所示，根据刀具选择原则及选择刀具时应考虑的因素得，数控刀具卡片如表2所示，其中工序号40部分由数控铣完成。

图1 五角星三维曲面造型图

表1 机械加工工艺过程卡

表2 数控刀具卡片

3.2 CAXA2004制造工程师[4]中自动编程生成加工代码

1）生成粗加工G代码

通过对刀具选择原则和刀具选择时应考虑的影响因素的分析，从而选择出正确的加工刀具。这样有利于：1）减少了程序的调试时间，减少了机床工时占用，缩短了生产周期；2）通过数控刀具的选择，不仅可以缩短生产周期，又可以避免多次装夹和人工换刀所带来的人为误差，提高了加工精度，提高了加工的准确性和加工复杂工件的能力；3）编程结果直观，处理速度快，经仿真切削和刀具干涉检查，所编程序一次成功，大幅度减少了机床调整时间和试切时间。

4 结束语

随着数控机床在生产实际中的广泛应用，量化生产线的形成，数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一 。而加工中心机床刀具是一个较为复杂的系统，要在人机交互状态下如何根据实际情况进行正确的选用，是编程人员必须掌握的。只有对加工中心刀具结构和选用有充分的了解和认识，才能在实际工作中灵活运用，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平。

[1] 杜红文. 加工中心刀具选择与应用[J]. 上海电机技术高等专科学校校报, 2004.(1)： 7.

[2] 武文革, 辛志杰. 金属切削原理及刀具[M]. 北京： 国防工业出版社, 2009.

[3] 凡进军, 刘让贤, 郭紫贵. 数控加工中刀具的合理选择[J]. 现代制造技术与设备, 2007, (4)： 54.

[4] 陈明, 刘刚, 钟敬文. CAXA制造工程师—数控加工[M].北京： 北京航空航天大学, 2006.

[5] 李超. 数控加工实例[M]. 沈阳： 辽宁科学技术出版社,2005.

[6] 何志昌. 浅谈数控刀具与切削用量[J]. 大众科.

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

西安建筑科技大学科技基金项目（JC0919）

张党飞 （1986－），男，陕西咸阳人，硕士研究生，研究方向为机械制造及自动化。