技师评审论文：数控刀具的要求
数控刀具的要求
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单位：江苏盐城技师学院 邮编：224000
2009-4-10
数控刀具的要求
【摘要】数控机床应该适应加工品种多、加工精度高、加工效率高、加工工序集中和零件装夹次数少的特点，因此对所使用的数控刀具提出了更高的要求。从刀具性能上讲，数控刀具应高于普通机床所使用刀具的要求。
【关键词】 精度 刚性 切削性能 自动换刀
一、切削性能要稳定可靠
要保证数控加工中不会发生刀具意外损伤及潜在缺陷而影响到加工的顺利进行，要求刀具及与之组合的附件必须具有很好的可靠性及较强的适应性。为适应刀具在粗加工或对难加工材料的工件加工时能采用大的背吃刀量和高进给量，刀具应具有能够承受高速切削和强力切削的性能。同时，同一批刀具在切削性能和刀具寿命方面一定要稳定，以便实现按刀具使用寿命换刀或由数控系统对刀具寿命进行管理。避免刀具过早的损坏，而造成机器经常不能正常运转。由于刀具和工件材料性能的分散性，以及刀具制造工艺和工作条件控制不严，有相当一部分的切削性能远远低于平均性能，使刀具的切削性能稳定可靠性差。所以要严格的控制刀具材料的质量，严格按刀具制造工艺来制造，特别是热处理和刃磨工序。严格对刀具质量进行检查非常重要，要确保数控刀具切削性能稳定可靠。
二、精度高
为适应数控加工的高精度和自动换刀等要求，刀具必须要具有较高的精度，例如有的整体式立铣刀的径向尺寸精度高达0.005MM。刀具的所有参数都是由砂轮与刀具的相对运动来决定的，因此，砂轮直径、砂轮直接参加切削的角度、砂轮轴的法兰长度、砂轮的磨损以及砂轮的粒度均影响刀具的精度。砂轮的粒度对刀具的表面粗糙度有直接影响。由于加工刀具时采用一次装夹磨削成形，且粗、精磨时用的同一砂轮，故选择粒度号偏大、偏硬的砂轮加工，有利于改善刀具的表面粗糙度。制造数控刀具时，机床的精度都是决定数控刀具精度的关键。在澳大利亚ANCA公司生产的数控工具磨床共有五轴，即X、Y、Z三个坐标轴和A、C两个旋转轴(此外还有一根可装、卸的用于加工特长工件的P轴)。每个轴的精度都很高，X、Y、Z三个坐标轴的定位精度可达0.001mm，A、C两个旋转轴的定位精度可达0.001°。机床的两个砂轮轴呈纵向排列，加工刀具的不同部位时，不仅可选择不同的砂轮，而且可选择不同的砂轮轴。在需要换砂轮轴时，可由程序控制自动进行更换，两轴的重复精度要很高。冷却液对磨削区的冷却效果会直接影响刀具的精度。选择性能优良的冷却液和适当的冷却压力有利于冷却液进入磨削区，将切削热和切屑及时带走，有效地降低刀具的表面粗糙度。刀具精度的提高，一直是刀具制造中的难点，其主要原因是由于刀具的有效部分、制造时刀具刃口离夹持部分太远。由于刃口离夹持部分太远，加上夹头有一定的夹持精度(一般在0.002 ～ 0.005mm)，因此在开始磨削之前，刀具刃口处的径向圆跳动公差就有可能已达到0.005mm ～0.01mm(甚至更大)。由于磨制刀具特别是磨削刀槽时采用强力磨削工艺，磨削力较大，使刀具的弹性变形大，加工过程中会产生许多问题，如刀具槽形不对称，刀具外圆尺寸、刃部参数、形状误差不符合要求，严重时甚至导致刀具被折断。为了解决这些问题，满足制造业对刀具高精度、高效率的要求，上海工具厂有限公司引进了一台澳大利亚ANCA公司研发制造的TGX五轴数控工具磨床用于专门加工刀具，可见数控刀具精度高的重要性。
三、能自动换刀
可以减少换刀停机时间，提高生产加工时间。在加工中心上，各种数控刀具要分别装在刀库上，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。刀柄与刀要相互配合。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（3种规格）和锥柄（4种规格）2种，共包括16种不同用途的刀柄。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，都将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。
刀具已形成了三大系统：
1．车削刀具系统
2．钻削刀具系统
3．镗铣刀具系统。
三类刀具对在与机器主轴连接时的刚性和连接精度、在保持刃具时的把持力和把持精度及其它各方面都提出了严格的要求。加快换刀及安装时间，可以达到提高小批量生产的经济性。加工中心的自动换刀系统,通常是由刀库和机械手组成,它是加工中心的象征,又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置,以求在激烈的竞争中取得好的效益。正因为自动换刀是加工中心的核心内容,各厂家都在保密,极少厂家才会公开有关资料。
四、耐用度高
数控加工的刀具不论在粗加工或精加工中，都应具有比普通机床加工所用刀具更高的耐用度，以尽量减少更换或修磨刀具及对刀的次数，从而提高数控机床的加工效率和保证加工质量。应该采用切削性能好且耐磨性高的涂层刀片以及合理地选择切削用量。当刀加工的内容很多时，如刀具不耐用而磨损较快，就会影响工件的表面质量与加工精度，而且会增加换刀引起的调刀与对刀次数，也会使工作表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶，降低了工件的表面质量。扩大刀具的利用率，充分发挥刀具的性能。
五、断屑及排屑性能好
数控加工中，断屑和排屑不像普通机床加工那样能及时由人工处理，切屑易缠绕在刀具和工件上，会损坏刀具和划伤工件已加工表面，甚至会发生伤人和设备事故，影响加工质量和机床的安全运行。每台数控机床上都装置着许多刀具，切削量大，切屑多，因此，在切削塑性金属时，必须控制切屑不缠绕在刀具，工件及工艺装备上，不妨碍工作循环，控制切屑不飞溅，保证操作者安全，不影响切削液喷注，不影响零件的定位和输送，不划伤已加工表面，使切屑易于清理所以要求刀具具有较好的断屑和排屑性能。应不产生紊乱的带状切屑，缠绕在刀具和工件上，不易断屑的刀具应该保证切屑顺利的卷出和排出，避免形成细碎的切屑，精加工时切屑不划伤已加工表面，切屑流出时不妨碍切削液的浇注。
为了保证可靠地断屑卷屑和排屑，可以采用以下方法：
合理选用可转位刀片的断屑槽槽形
合理地调整切削用量
在刀体中设置切削液通道，将切削液直接送到切削处，可以帮助清除切屑
利用高压切削液强迫断屑。
六、刚性与动平衡性要好
刀具的刚性一直是机械加工中被重视的主要问题之一。刚性不足会引起刀具的振动或发生刀具倾斜，影响加工精度、加工效率。并且因为刀具的振动会加快刃具的磨损，甚至影响刀具及机器的寿命。如果将刀柄杆部近似成一实心圆柱刚体，那它的刚性与截面直径的4次方成正比，与柱长的3次方则成反比。也就是说，一把刀柄在它的质量限定后，当然越粗越短刚性便越强。除此以外，还可以通过改变其自身结构从而增强刚性。比如一般的铣刀夹头虽然其锁紧螺母很粗，但螺母底部与刀柄本体之间总有间隙，使刚性损失很多。当工件各处的加工余量相差悬殊时，通用铣床遇到这种情况很容易采取分层铣削方法加以解决，然而数控铣削就必须按程序规定的走刀路线前进，遇到余量大时无法象通用铣床那样“随机应变”，除非在编程时能够预先考虑到，否则铣刀必须返回原点，用改变切削面高度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工，要多走几刀。但这样势必造成余量少的地方经常走空刀，降低了生产效率，如刀具刚性较好就不必这么办。再者，在通用铣床上加工时，若遇到刚性不强的刀具，也比较容易从振动、手感等方面及时发现并及时调整切削用量加以弥补，而数控铣削时则很难办到。在数控铣削中，因铣刀刚性较差而断刀并造成工件损伤的事例是常有的，所以解决数控刀具的刚性这个问题是至关重要的。高速加工对刀具的动平衡性也提出很高的要求。这是因为动平衡性不好的刀具在高速转动时受到很大的离心力的作用(与不平衡力矩及转速的平方成正比)，刀杆发生弯曲并容易引起振动。弹簧夹头、铣刀的刀柄可以通过平衡修正来解决这个问题。但是如一般带微调机构的精镗头，在调节加工直径时镗头的重心也在改变，所以就无法通过平衡修正来去取得动平衡。最近，日本大昭和精机推出了一种可以进行自动平衡补偿的镗头。在镗头内部安装了一个小齿轮和一个平衡块，在调节直径、使套管轴向外移动时，平衡块将通过小齿轮的作用向相反方向移动，从而保持重心位置不变。
结束语：
中国人有句古训：磨刀不勿砍材功。在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约8米/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。自动化换刀刀具的发明更能证明数控刀具不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，同时还能够大大改善工人的劳动条件。刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。
参考文献：
[1]陆剑中 主编 《金属切削原理与刀具》 上海理工大学出版社
[2]肖诗纲 主编 《刀具材料及其合理选择》 机械工业出版社
技师评审论文：数控刀具的要求
