浅析数控铣加工中的刀具及切削用量的选择

2022-08-09汪朝阳

科技风 2022年19期

汪朝阳

中国空空导弹研究院河南洛阳 471009

现在许多计算机辅助设计软件如MasterCAM、UG、Pro/ENGINEER等，都具有计算机辅助编程模块，利用工序模型，通过和编程人员的交互自动生成数控程序。人机交互时提示编程员选择加工顺序以及使用的刀具类别、刀具几何结构参数和切削用量等，然后就可以得到零件的数控程序。数控机床接收到所需的数控后就可以自动完成零件加工。在人机交互过程中，正确选用刀具、设置合理的切削参数，不仅对零件的加工质量起主要作用，还显著影响零件加工的效率、成本和机床功效的发挥，甚至关乎人员和设备的安全。因此对数控编程人员来说，掌握刀具选用的方法和正确设置切削参数是必备的技能。针对数控加工设备及加工方法的特点，综合考虑零件结构、加工精度和材料等因素，在数控程序编制过程中，选用合适的刀具种类、刀具规格、材料和切削参数，是成为一名合格数控编程员的前提和基础。本文通过对数控加工中刀具选用方法、切削参数的设置原则进行分析，并总结出共性的方法和设置原则，以期对其他编程员有所帮助。

1 刀具类别

数控机床通常具有刀库，可以装载多把刀具，通过机床的自动换刀胜任复杂的零件加工任务。而数控刀具为了适应数控机床自动化连续生产以及现在日益进步的高速、高效特点，刀具的标准化、系列化、通用化和模块化的特点也越来越明显。数控刀具从切削工艺上可分为：(1)车削刀具，如外圆车刀、内孔车刀、端面车刀、切槽刀、切断刀、螺纹刀等；(2)铣削刀具，如加工小平面或台阶面、腔槽的立铣刀、加工曲面的球头刀、加工特殊截面、侧壁凹陷的燕尾槽刀、T型刀、切断所用的锯片刀、加工大平面的盘铣刀及棱边倒角的倒角刀、加工螺纹的螺纹铣刀和锥度的锥度铣刀等；(3)孔加工刀具，如钻头、中心钻、铰刀、镗刀、丝锥等；(4)齿轮刀具，按刀具的工作原理分为成形齿轮刀具和展成齿轮刀具，成形齿轮刀具分为盘形齿轮刀具和指形齿轮刀具，展成齿轮刀具分为插齿刀、滚齿刀和剃齿刀。

数控铣刀具从加工结构上主要分为铣削刀具、孔加工刀具和特殊刀具。铣削刀具主要实现平面、轮廓和腔台等加工，而孔加工刀具主要实现孔类结构加工，为了实现特殊的结构和要素的加工，现在还出现了针对特殊加工的专用刀具。如图1所示复合式刀具，一把刀具可以同时完成钻孔、台阶孔、孔口划窝或锪平面等，图2所示为减震式刀具等。另外根据刀具的结构形式，数铣刀具可分为：整体式刀具和镶嵌式刀具，镶嵌式一般多用于硬质合金刀片和刀杆的连接，其中固定式采用焊接方式将刀片和刀杆连接在一起，不可拆卸；可换式一般采用机夹式结构，通过螺钉或压板将刀片装夹固定在刀杆上，刀片磨损后可以进行更换，机夹式根据是否可实现刀片的转位加工，又分为不转位刀具、可转位刀具。还可以根据刀具所用的材料进行如下分类：(1)高速钢刀具，采用高速钢制造的结构复杂的成形刀具，如铣刀、钻头、螺纹刀具、齿轮刀具、拉刀等，一般适用于中、低速加工；(2)硬质合金刀具，具有较好的硬度、红硬性和耐磨性，应用于高速切削中；(3)超硬刀具，如陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具等，具有极高的硬度和耐磨性，一般用于高硬度难加工材料的半精加工和精加工。

图1 复合刀具示例

2 数控铣加工对刀具的要求

数铣刀具在选择时要考虑诸多因素，首先，考虑工艺加工内容及要求，如小平面或侧面周边轮廓要用立铣刀进行铣削，而大的平面一般选择合金刀片的盘铣刀来铣削；在进行凹凸台或曲面加工时，一般选择球头铣刀；在加工曲面、复杂的腔台型面与变轮廓外形时，为避免刀具过切，刀具多选择球头刀、牛鼻铣刀、环形铣刀、锥形铣刀与T型铣刀。其次，考虑零件的加工阶段，粗加工时一般去除余量大，首要考虑加工效率，宜选择直径大、短柄刀具，以确保刀具的刚性而精加工阶段更多考虑产生较小的切削力以保证零件尺寸和形位公差要求。在进行毛坯面与孔粗加工时，应使用镶齿硬质合金玉米铣刀。同时考虑零件材料、刚性和加工精度等，选择适宜的刀具材质和涂层，防止出现刀具或涂层与零件元素，在高温和压力下产生相互亲合加剧刀具磨损。最后，在选用刀具时兼顾其性价比，当明确选用的机床时，参考加工零件的切削能力，据此来选择相对便宜的刀具，减少成本，提升收益。但是在节约成本的时候，也要考虑刀具的精度、安装与调试的方便性、刚性以及刀具耐用度。刀具选择时除了考虑零件的加工精度、生产效率、生产成本外，还需考虑刀具的断屑性能以及是否便于快速调整与更换。下面介绍刀具选择的一般原则。

2.1 选择刚性好的刀具

刀具刚性好可以充分发挥机床优势，采用大余量切削提高生产效率，还可避免工艺系统的振动提高尺寸精度和表面质量。如果刀具刚性不太好，当加工余量不均且相差较大，人工操作设备可以根据余量大小自主调整分层切削，而数控铣削由于必须按照程序规定刀路和切削量加工，无法智能识别和调整，余量过大可能产生断刀。而采用较小的切削余量加工，虽然不会出现刀具损坏，但容易产生空走刀多、切削参数保守加工效率低等问题。而刀具刚性较好时就无须关注余量的不均。

2.2 选择耐用度高的刀具

刀具耐用度不高，则加工过程中刀具磨损会较快，刀具状态的变化首先直接影响工件的加工精度，刀具磨损还加大切削力导致零件变形超差；由于换刀时对刀的误差会导致加工表面产生接刀痕迹，影响表面质量与加工精度；另外换刀、对刀次数的增加也会导致有效加工时间的缩短，降低机床的利用率，还加大了刀具的损耗，增加了生产成本。

2.3 选择高品质的刀具

数控机床具有高效、高速，可以自动控制连续加工的特点，但如果没有匹配与之对应的高品质的数控刀具，数控机床也就无法发挥其高效性。例如，现在广泛的高速切削加工中心，由于其加工时刀具线速度非常高，如果刀具的红硬性和耐磨性不好，则其磨损非常快，无法保证零件加工精度，而选择低的切削速度则不能充分发挥高速切削的优势。其次重视刀具制造精度，特别是刀具刀柄系统的动平衡性，以免高速转动时产生振动影响加工精度。

3 数控铣加工刀具类型的选择

数控编程人员通过人机交互选择加工所用的刀具，刀具选择时应考虑以下因素：机床的加工能力和刚性、工件材料的切削性、加工结构特点、零件刚性、加工精度和表面质量等其他相关因素。选择出合适的刀具及刀柄，才能既保证零件加工质量又具有很高的加工效率。刀具选择的一般原则主要有：刀具安装和调整方便，机夹式刀片磨损后方便进行更换；刀具的刚性好，利用大余量切削，提高加工效率；刀具的耐用度高，无须经常更换和对刀。另外为提高刀具的刚性，在满足加工深度要求的前提下，刀具选择和装刀时尽量减少刀具的伸出长度。下面将按照被加工零件的几何形状和刀具种类，介绍刀具选择的一般原则。

3.1 铣削刀具的选用

一般选择镶嵌式盘形铣刀加工较大的平面，由于刀具直径大，减少了重复走刀次数，不仅可以提高铣削效率，同时避免刀路之间的接刀痕迹，提高加工表面质量；一般选择圆柱铣刀加工小平面、凸台、台阶面和侧面轮廓；键槽铣刀由于具有过中心切削能力，适宜加工键槽、腰形槽等封闭凹槽，而两刃键槽铣刀容屑空间大，适宜大余量加工，便于确保槽的加工尺寸精度；加工曲面时一般选择球头刀，可以避免刀尖与工件表面发生干涉过切，同时实现加工区刀尖与被加工面在相切。

3.2 孔加工刀具的选用

数控机床孔在进行孔加工时，通过移动主轴或工作台到指定位置，实现孔位的保证。由于麻花钻的只有钻心连接，其刚性差，同时钻削区域切削液很难进入，温度高排屑性能差，区别与钳工钻模钻孔，钻孔容易歪斜。因此一般选用钻头深度与直径比值应小于等于5；同时先用中心钻打出中心孔，再钻孔可以较好地满足孔的定位精度；精铰前首先对孔口倒角以方便导向，再选择浮动铰刀消除铰孔的位置偏差；镗孔时使用多刃镗刀可以有效平衡镗削力，消除镗孔时的振动，另外选择建议较粗较短的刀杆，如果刀杆与孔壁干涉，仅去除干涉位置材料，尽量提高刀杆的刚性，利于保证孔的尺寸精度和表面质量。除了刀具选择要合适外，其加工方法也比较主要，主要遵循原则有：(1)尽量合并刀具种类，减少刀具数量；(2)加工时一把刀具调用后，尽可能一次完成该刀具的所有加工要素；(3)粗加工和精加工的刀具尽量分开，虽然增加了刀具数量，但减小了精加工刀具的磨损量，有利于保证零件加工精度；(4)先铣平面再加工该面上的孔，避免了钻孔的滑移；(5)如果既加工曲面又加工侧面轮廓，应先精加工曲面，再对其轮廓进行精加工。另外尽量选择硬度、耐磨性和耐用度好的刀具，虽然表面上看生产成本较高，但由于刀具切削时间长，精度保持性高使得零件的加工质量高，同时切削效率高，加工中断得较少，综合下来生产成本反而会大大降低。

4 切削参数的确定

切削参数包括切削速度(刀具转速)、进给速度(走刀速度)、吃刀深度、侧吃刀深度等。数控编人员通常依据个人经验，指定每把刀具每次走刀时的切削参数，通过程序语句写入数控程序中。按照加工方法、刀具材料、零件刚性和余量大小等设置刀具的切削参数。切削参数的设置原则是：在满足零件加工尺寸精度、形位公差和表面质量的前提下，应选择较大的切削参数，按照吃刀深度、进给速度、切削速度依次调大参数，以提高刀具的切削性能，从而尽可能地提高加工效率，降低生产成本。

4.1 切削速度的确定

铣削时切削速度的大小对刀具的耐用度影响较大，其与刀具的耐用度T、侧吃刀量ae、背吃刀量ap、每齿进给量fz以及铣刀齿数Z成反比，和铣刀的直径d成正比。侧吃刀量ae、背吃刀量ap、每齿进给量fz以及铣刀齿数增大时，参与切削的齿数增多，刀刃负荷加大，切削区域切削热变大，温度升高，导致刀具磨损加剧，所以通常根据设定的刀具耐用度选择合适的切削速度。大直径的铣刀有利于刀具散热，此时可选择较高的切削速度。下表针对钢和铸铁材料，列出了不同材料不同硬度状态下铣削的推荐切削速度。

铣削时的切削速度参考表

4.2 进给速度的确定

进给速度F是影响数控加工效率的主要参数之一，一般根据零件的表面加工质量、尺寸精度和表面粗糙度等要求选择，同时还应综合考虑刀具材料、零件材料的切削性能、切削余量。在零件轮廓切削时，为避免切削力的突变损坏刀具，编程时一般在接近拐角处或切削余量突变处减小进给量，以克服运动惯性或工艺系统受力变形，消除在零件轮廓拐角处造成过切或欠切现象。

进给速度的设置原则：(1)在满足工件加工质量要求的前提下，选择较大的进给速度，从而提高加工效率。通常切削时进给速度范围在100～200mm/min之间。(2)在使用锯片刀切断零件、进行深孔加工或高速钢刀具切削时，一般采用较低的进给速度，进给速度范围控制在20～50mm/min之间。(3)当零件加工精度较高，表面质量要求严格时，此时进给速度应当选择较小数值，一般在20～50mm/min之间内选取。(4)刀具空走刀时，应根据该机床的数控系统设定的最高空走速度设定。

4.3 背吃刀量的确定

在满足零件加工表面粗糙度的前提下，应依据机床、工装、刀具和零件的工艺刚度来选择背吃刀量。在工艺系统刚性允许的前提下，为提高加工效率推荐采用大的背吃刀量，从而减少走刀次数。当工件表面粗糙度数值为Ra3.2～12.5μm时，建议加工分为粗铣、半精铣两个工步完成，粗铣以后余量留0.5～1.0mm；当工件表面粗糙度数值要求较高，达到Ra0.8～3.2μm，加工可分为粗铣、半精铣和精铣三个工步，分别铣削完成，三个工步背吃刀量分别为：半精铣加工时端铣背吃刀量、侧吃刀量各取1.5～2mm，精铣加工时背吃刀量取0.5～1mm，圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5mm。