技师评审论文：浅谈数控刀具的选择和应用
浅谈数控刀具的选择和应用
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(单位：江苏盐城技师学院 邮编：224002 )
2009-4-2
浅谈数控刀具的选择和应用
【摘要】在加工中正确选用刀具对加工效率、产品质量有所提高。本文主要讲述的是一些数控加工中常用刀具的分类和特点及刀具的选用。
【关键词】刀具 特点 质量 选用
人类的生活离不开刀具，刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783年，法国的勒内首先制出铣刀，那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，直到后来又制成含钨的合金工具钢、高速钢、陶瓷刀具、涂层硬质合金…
一、常见的数控刀具分类和要求
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、涂层刀具，陶瓷刀具等。数控刀具和普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，也有许多优点，主要有以下特点：①刚性好、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刀片及刀柄高度的通用化、规格化、系列化。⑥刀片或刀具的耐用度及经济寿命指标的合理性。⑦刀具或刀片几何参数和切削参数的规范化、典型化。⑧刀柄的强度要高、刚性及耐磨性要好。⑨刀柄或工具系统的装机重量有限度。⑩刀片及刀柄切入的位置和方向有要求。
1、刀具必须要有好的切削功能
目前生产上通常用刀具耐用度来评定刀具的好坏。刀具耐用度愈大，表示刀具切削性能愈好。但是切削一批相同的零件，由于使用的刀具材料及工件材质不可能完全相同，再加上刃磨质量等一些不能完全严格控制的因素，所以即使在相同条件下刀具耐用度仍然是不相同的。因此在数控上，除应给出刀具耐用度的平均值指标外，还应给出刀具的可靠指标。它已成为选择刀具的关键性指标。
2、可靠地断屑、排屑
刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除数控机床和自动线机床上每一工位设备上。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，为此，采用卷屑槽或断屑块的刀具，或用间隙切削或振动切削措施提高断屑效果。
3、要有高的精度
刀具切削部分的几何尺寸变化要小，刀体刀杆和刀片反复装卸也应能保持精度稳定。为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、可换等的要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用。
现在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许多特点，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。数控刀具的分类有多种方法。常见的有根据刀具结构可分为：①整体式；②镶嵌式，采用焊接或机夹式联接，特殊型式，如复合式刀具、减震式刀具等。
二、常用刀具的选择
现在，有越来越多的软件都能提供自动编程功能，这些软件一般是在编程界面中提示加工工件工艺规划的有关问题，如：如何正确选择刀具、加工路径规划等，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成程序并传输至数控机床完成加工。
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；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，切削行距一般采用顶端密距，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。
三、加工中心刀具的选用
加工中心的刀具在应用中，要根据加工中心机床的要求、夹具的要求、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。
刀具选择总的原则是：刀具的安装和调整方便，刚性好，耐用度和精度高。在保证安全和满足加工要求的前提下，刀具长度应尽可能短，以提高刀具的刚性。在加工中心机床上，各种刀具分别装在刀库中，按程序的规定进行自动换刀。因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的刀具能迅速、准确地装到机床主轴上。
编程人员应充分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。加工中心机床所用的刀具必须适应加工中心高速、高效和自动化程度高的特点，其刀柄部分要联接通用刀具并装在机床主轴上，由于加工中心类型不同，其刀柄柄部的型式及尺寸不尽相同。加工中心刀具的刀柄分为整体式工具系统和模块式工具系统两大类。模块式工具系统由于其定位精度高，装卸方便，连接刚性好，具有良好的抗振性，是目前用得较多的一种型式，它由刀柄、中间接杆以及工作头组成。它具有单圆柱定心，径向销钉锁紧的联接特点，它的一部分为孔，而另一部分为轴，两者之间进行插入连接，构成一个刚性刀柄，一端和机床主轴连接，另一端安装上各种可转位刀具便构成一个工具系统。
根据加工中心类型，可以选择莫氏及公制锥柄。中间接杆有等径和变径两类，根据不同的内外径及长度将刀柄和工作头模块相联接。工作头有可转位钻头、粗镗刀、精镗刀、扩孔钻、立铣刀、面铣刀、弹簧夹头、丝锥夹头、莫氏锥孔接杆、圆柱柄刀具接杆等多种类型。可以根椐不同的加工工件尺寸和工艺方法，按需要组合成铣、钻、镗、铰、攻丝等各类工具进行切削加工。
通用刀具根据制造所用的材料可分为以下几种：（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。
刀具的切削过程是非常复杂的，影响因素很多。在铣削加工时，刀具材料的性能、刀具类型、刀具几何参数、切削速度、切削深度和进给量等都影响切削力，从而影响整个工艺系统，最终影响加工精度和质量。
在加工中心机床上进行加工，其主轴转速比普通机床的主轴转速一般至少要高1到2倍，因此，在加工中心上进行铣加工，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。 平面铣削应选用不重磨硬质合金端铣刀或立铣刀。一般采用二次走刀，第一次走刀最好用端铣刀粗铣，沿工件表面连续走刀。选好每次走刀的宽度和铣刀的直径，使接痕不影响精铣精度。因此，加工余量大又不均匀时，铣刀直径要选小些。精加工时，铣刀直径要选大些，最好能够包容加工面的整个宽度。
在实际工作中，平面的半精加工和精加工，一般用可转位密齿面铣刀，可以达到理想的表面加工质量，甚至可以实现以铣代磨。密布的刀齿使进给速度大大提高，从而提高切削效率。精切平面时，可以设置2到4个刀齿。可转位螺旋立铣刀适用于高效率粗铣大型工件的台阶面、立面及大型槽的加工。如更换不同牌号的刀片，可加工钢、铸铁、铸钢、耐热钢等多种材料。硬质合金螺旋齿立铣刀是一种用于加工铸铁、钢件、有色金属的精加工刀具，刀片一般为焊接式。镶硬质合金刀片的端铣刀和立铣刀主要用于加工凸台、凹槽和箱口面。
为了提高槽宽的加工精度，减少铣刀的种类，加工时采用直径比槽宽小的铣刀，先铣槽的中间部分，然后再利用刀具半径补偿（或称直径补偿）功能对槽的两边进行铣加工。铣削盘类零件的周边轮廓一般采用立铣刀。所用的立铣刀的刀具半径一定要小于零件内轮廓的最小曲率半径。一般取最小曲率半径的0.8到0.9倍即可。零件的加工高度（Z方向的吃刀深度）最好不要超过刀具的半径。若是铣毛坯面时，最好选用硬质合金波纹立铣刀，它在机床、刀具、工件系统允许的情况下，可以进行强力切削。
总之，加工中心机床刀具是一个较复杂的系统，如何根据实际情况进行正确选用，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，在实际工作中才能灵活运用，提高工作效率。
四、刀具顺序的排列、刀具与切削用量
在经济型数控机床的加工过程中，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步骤；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。
在加工过程中刀具在不断的磨损，为了减少成本和提高生产效率，就必须减少刀具的磨损，合理的选择切削用量是必不可少的：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。具体要考虑以下几个因素：①切削深度 ②切削宽度 ③切削速度 ④进给速度 随着数控机床在生产实际中的广泛应用，生产线的统一形成，数控编程已经逐渐成为数控加工中的重要问题之一。能够合理的选用优质的刀具是加工的关键，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥数控刀具的优点，提高企业的经济效益和生产水平。因此，刀具在生产过程中有着举足轻重的地位。
结束语：
越来越多的数控机床在生产中得到广泛的应用，许多生产厂商注意到了正确选用刀具的重要性，选用好的刀具可以达到事倍功半的效果。所以编程人员必须熟悉刀具的特点及其性能，只有这样才能正确的、合理的选择刀具，提高生产的效率和质量，体现出现代的生产水平。
参考文献
[1] 肖诗纲主编《刀具材料及其合理选择》 机械工业出版社
[2] 陈亚岗 范为军主编《数控机床结构编程与操作》 江苏盐城技师出版社
技师评审论文：浅谈数控刀具的选择和应用
