数控加工中刀具选择与切削量的确定
刀具的选择和切削用量的确定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，特别是微机与数控机床的联接，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文件。
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，比如，刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等，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。因此，数控加工中的刀具选择和切削用量确定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和切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点。
一、数控加工常用刀具的种类及特点
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。刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。数控刀具的分类有多种方法。
根据刀具结构可分为：①整体式；②镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；③特殊型式，如复合式刀具，减震式刀具等。
根据制造刀具所用的材料可分为：①高速钢刀具；②硬质合金刀具；③金刚石刀具；④其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。
从切削工艺上可分为：①车削刀具，分外圆、内孔、螺纹、切割刀具等多种；②钻削刀具，包括钻头、铰刀、丝锥等；③镗削刀具；④铣削刀具等。为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等的要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的30%～40%，金属切除量占总数的80%～90%。
数控刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下特点：
⑴刚性好（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及热变形小；
⑵互换性好，便于快速换刀；
⑶寿命高，切削性能稳定、可靠；
⑷刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间；
⑸刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除；
⑹系列化，标准化，以利于编程和刀具管理。
二、数控加工刀具的选择
刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。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。
选取刀具时，要使刀具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，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。
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。一般应遵循以下原则：①尽量减少刀具数量；②一把刀具装夹后，应完成其所能进行的所有加工部位；③粗精加工的刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格的刀具；④先铣后钻；⑤先进行曲面精加工，后进行二维轮廓精加工；⑥在可能的情况下，应尽可能利用数控机床的自动换刀功能，以提高生产效率等。
三、数控加工切削用量的确定
合理选择切削用量的原则是，粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。
加工切削参数的设定也是一门学问，由于实际加工条件，如材料、刀具、加工精度要求等的不同，加工切削参数的设定也千变万化。以下主要介绍一般情况下的加工切削参数的设定。
1.外形加工(Contour)
外形加工是加工中经常使用的一种加工方式，一般选用平铣刀或圆鼻刀。加工时建议启用导引入／引出功能，并注意不能与工件装夹位置发生冲突。粗加工时其平面进刀量可达刀具直径的75％；其深度进刀量与刀具直径有关，如表l所示。
表1外形加工深度进刀量
刀具直径(mm) ﹤1 l～2 2～3 3～5 5～8 8～12 ﹥12
进刀深度(㎜) 0.1 0.1～0.3 0.1～0.4 0.2～0.5 0.3～0.8 0.5～1 1～2
上表所列的深度进刀量只是一个大概范围，在实际加工时应根据实际加工条件适当变动，如加工铜、铝材料时，深度进刀量可取大一些；加工钢料，深度进刀量可取小一些。
2.挖槽加工(Pocket)
挖槽加工也是经常使用的一种加工方式，一般选用平铣刀或圆鼻刀，加工时建议启用螺旋下刀或斜线下刀功能，避免直接下刀(即踩刀)。螺旋下刀或斜线下刀高度一般设为每层切深的下刀量，避免过多空走刀，加工时建议每层都走一次精刀，挖槽加工的进刀量与外形加工进刀量基本一致。
3.曲面粗加工(Surface—Rough)
现代产品均追求曲面流线设计，因此曲面加工也是模具加工中频繁使用的一种加工方式，并且是模具加工中的关键环节。曲面粗加工一般选用圆鼻刀或平铣刀。其平面进刀量同外形加工、挖槽加工基本一致，常用加工公差为0.05～O.25，粗加工预留量一般为O.2～O．5，其转速、进给速度与所加工的材料和所使用的刀具大小有关。由于模具加工中经常要加工铜料来进行电火花加工，因此表2给出的是加工铜料时的大概参数范围，加工钢料时应适当变动。
表2铜料曲面粗加工参数
刀具直径(㎜) l～2 3～5 6一lO 12—20 ﹥20
刀具进给速度(mm/min) 50～200 200～500 500～1000 1000～2000 2000～3000
刀具转速(r/min) 3000 3000～2500 2500～2000 1500～2000 1000～1500
4.曲面精加工(Surface—Finish)
曲面粗加工后，接下来需要进行曲面精加工，以便进一步提高其表面光洁度。曲面精加工一般选用球刀，平铣刀或圆鼻刀的加工效果不理想。常用加工公差为0.005～0.025，进刀量为O．1～O．5，进给率为300～500，参数具体大小应根据工件材料、大小及工件要求精度来确定。工件小、精度要求高，则其公差、进刀量、进给率均应取小一些，反之亦然。
曲面加工形式：
1、 平行铣削：平行铣削分为粗加工平行铣削和精加工平行铣削。
粗加工平行铣削是最常用的一种加工方法，其特点是刀具沿着指定的方向进行切削，生成的刀具路径相互平行。粗加工平等铣削一般用于加工单一的凸体或凹体。（注意：1、粗加工时一般设置较大的整体误差以便提高加工效率。2、单向切削可以保证切削方向一致，有利于提高加工零件的表面质量和力学性能。双向切削可以减少加工耗时，从而提高加工效率）
精加工平行铣削的加工流程和参数设置方法和粗加工平行铣削都是一样的，区别就是加工的对象和加工精度不一样而已。精加工平行铣削适合用于平面或坡度不大、较为平缓的曲面铣削加工。
2、 放射状加工：放射状加工是一种适合加工对称性曲面的加工形式，可以稳定地加工中心对称和近似中心对称类型的曲面，并产生放射状的加工路径。放射状加工又分为精、粗加工两步，且设置方法一致。
放射状加工的参数设置：
●“最大角度增量”文本框：该文本框设置以某一中心为放射点，放射出去的各条相邻刀轨之间的最小角度。
●“起始补正距离”文本框：该文本框是设定最小切削边界到放射中心的距离。
●“起始角度”文本框：该文本框设置第一刀的刀轨和X轴正方向之间的角度。
●“由内向外”单选按钮：该选项是设置放射加工从内部开始切削。
●“由外向内”单选按钮：该选项是设置放射加工从外部开始切削。
3、 投影加工：投影加工指的是将已有的刀具路径或者几何图形投影到要加工的曲面上，以生成刀具路径来进行切削。投影加工也分为投影粗加工和投影精加工。
投影加工的参数设置：
“投影方式”选项组下的选项的意义：
●“NCI”单选按钮：该选项是将已有的刀具路径投影到曲面上生成刀具路径。
●“选取曲线”单选按钮：该选项是将选择的曲线投影到曲面上生成刀具路径。
●“选取点”单选按钮：该选项是将选择的点投影到曲面上生成刀具路径。
4、 曲面流线加工：曲面流线加工的方法，其刀具路径将沿曲面的流线方向生成。流线精加工和粗加工一样，都是刀具沿曲面流线运动。曲面流线精加工往往能获得更好的加工效果。
5、 等高外形式：等高外形加工就是将毛坯一层一层地切去，将一层外形铣至要求的形状后，再进行Z方向的进给，加工下一层，直到最后加工完毕。
6、 残料加工：一般在粗加工后，往往会留下一些没有加工到的地方，对这些位置的加工被称为残料加工。残料加工分残料粗加工和残料精加工，而残料精加工用于清除先前加工由于刀具直径过大而遗留下来的切削材料。
7、 挖槽粗加工：挖槽粗加工的特点就是加工时按距离、高度来将路径分层，即在同一个高度完成了所有的加工之后，再进行下一高度的加工。它是在实际中运用极为广泛的一种加工方式。
8、 钻削式粗加工：钻削式粗加工就是刀具连续地在毛坯上采用类似钻孔的方式来去除材料。这种切削方式加工速度快，但对刀具和机床的要求也比较高。
9、 平行陡斜面加工：对于比较陡峭的斜面，在粗加工时往往会留下较多的残料，这是Mastercam X软件在精加工中专门提供了针对这种陡斜曲面的精加工方式。
平行陡斜面加工的参数设置：
●“切削方向延伸量”文本框：该文本框设置延伸参数，可以控制刀具路径从以前的切削区域下刀，设置的距离为延伸距离，从而延伸刀具路径沿曲面变化。
●“陡斜面的范围”选项组：该选项组用来限制陡斜面加工区域。其中“从倾斜角度”文本框和“到倾斜角度”文本框用来设置倾斜的范围的。当选定“包含外部的切削”复选按钮，将在陡斜面切削范围外生成刀具路径。
10、 浅平面加工：与陡斜面加工刚好相反，浅平面加工主要用于加工一些比较平坦的曲面。大大多数加工过程中，往往会对平坦部分加工得不够，残料剩余相对比较多，因此需要在后面使用浅平面精加工的方法来保证加工质量。
11、 交线清角加工：交线清角加工是用于清除曲面间交角外的残余材料的。它相当于在曲面间增加了一个倒圆面。
12、 环绕等距加工：环绕等距加工指的是刀具在加工有多个曲面的零件时，刀具路径沿着曲面环绕并且相互等距，即残料高度固定，它适用于曲面间曲率变化较大的零件，多用于当毛坯已经接近零件时的精加工。
13、 熔接铣削：熔接铣削加工是针对由两条曲线决定的区域的区域加工方法。
