数控加工中刀具选用研究论文

加工中心所用的刀具是由通用刀具（又称工作头或刀头）和与加工中心主轴前端锥孔配套的刀柄等组成。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。JT（ISO7388）表示加工中心机床用的锥柄柄部（带有机械手夹持槽），其后面的数字为相应的ISO锥度号，如50、45、和40分别代表大端直径为69.85、57.15和44.45毫米的7：24锥度。ST（ISO297）表示一般数控机床用的锥柄柄部（没有机械手夹持槽），数字意义与JT类相同。BT（MAS403）表示用于日本标准MAS403的带有机械手夹持槽联接。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。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。加工中心上用的立铣刀一般有三种形式：球头刀（R=r）、端铣刀（r=0）和R刀（r）（有的称为“牛鼻刀”），其中R为刀具的半径、r为刀角半径。刀具参数中还有刀杆长度L和刀刃长度l，如图1所示。图1 立铣刀结构示意图加工空间曲面和变斜角轮廓外形时，由于球头刀具的球面端部切削速度为零，而且在走刀时，每两行刀位之间，加工表面不可能重叠，总存在没有被加工去除的部分，每两行刀位之间的距离越大，没有被加工去除的部分就越多，其高度（通常称为“残留高度”） 就越高，加工出来的表面与理论表面的误差就越大，表面质量也就越差。加工精度要求越高，走刀步长和切削行距越小，编程效率越低。因此，应在满足加工精度要求的前提下，尽量加大走刀步长和行距，以提高编程和加工效率。而在两轴及两轴半加工中，为提高效率，应尽量采用端铣刀，由于相同的加工参数，利用球头刀加工会留下较大的残留高度。因此，在保证不发生干涉和工件不被过切的前提下，无论是曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀或R刀（带圆角的立铣刀）。不过，由于平头立铣刀和球头刀的加工效果是明显不同的，当曲面形状复杂时，为了避免干涉，建议使用球头刀，调整好加工参数也可以达到较好的加工效果。在选择刀刃长度和刀杆长度时，应考虑机床的情况及零件的尺寸是否会干涉。在可能的情况下，应尽量选短一些，以提高刀具的刚度。钻孔时，要用中心钻打中心孔，用以引正钻头。先用较小的钻头钻孔至所需深度Z，再用较大的钻头进行钻孔，最后用所需的钻头进行加工，以保证孔的精度。在进行较深的孔加工时，特别要注意钻头的冷却和排屑问题，一般利用深孔钻削循环指令G83进行编程，可以工进一段后，钻头快速退出工件进行排屑和冷却，再工进，再进行冷却和排屑直至孔深钻削完成。若工件为铸件，则不能使用冷却液。在选用刀具进行编程时，应注意区分刀尖和刀心，两者均是刀具的对称轴上的点，其间差一个刀角半径。图2 三种形式的立铣刀的刀心和刀尖实际应用时，要规定刀具的结构尺寸，在刀具装到机床上之前，应根据编程时确定的参数，在机外的预调装置中调整到所需的尺寸。下面利用CAXA制造工程师软件中“铣刀参数”对刀具参数进行说明。图3 铣刀参数设置对话框（1）当前铣刀名 为当前铣刀的名称，用于刀具标识和列表，刀具名是唯一的。通过下拉列表，可以显示刀具库中的所有刀具，并可在列表中选择当前刀具。（2）刀具号 刀具安装在加工中心机床的刀具库中的刀位号。用于后置处理的自动换刀指令。刀具号唯一。（3）刀具补偿号 刀具补偿值的序列号，其值可以与刀具号不一致。（4）刀具半径 刀具的半径值。该参数用于确定刀具半径补偿的量。（5）刀角半径 刀具的刀角半径，应不大于刀具半径。（6）刀刃有效长度 刀具的刀杆可用于切削部分的长度。（7）刀杆长度 刀尖到刀柄之间的距离。刀杆长度应大于刀刃有效长度。并且一般刀杆长度要大于工件总切深。如果不大于总切深，一定要检查刀柄是否会与工件相接触。（8） 增加刀具 用于增加刀具到软件系统的刀具库中，并非加工中心机床的刀具库。单击“增加铣刀”按钮→弹出“增加铣刀”对话框→输入增加的铣刀的名称→单击“确定”→可以修改刀具的各个参数，如图4所示。图4 增加铣刀对话框（9） 删除当前刀具 删除CAXA系统的刀具库中不需要的刀具。而不是删除机床刀具库中的刀具。选择需删除的刀具→鼠标单击“删除当前铣刀”按钮→按“确认”按钮后，该刀具即被删除，如图5所示。图5 删除铣刀对话框（10）预显刀具参数 修改刀具参数后，按“预显刀具参数”按钮可显示参数修改后刀具的形状。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，提高工作效率和安全生产

近年来，为了适应市场需要，不少职业技术学校相继开设了数控技术方面的专业。我校也于去年购置了两台经济型数控车床和一台数控床身铣床并配置华兴数控仿真软件（机床数控系统是南京华兴数控操作系统）以满足数控教学的要求。通过几个学期的教学实践，深感要做好数控机床操作，零件加工前的准备工作相当重要。 一、零件的加工程序编写及校验 在数控机床上加工零件，不管数控机床使用的是何种操作系统，必须要有与数控机床相适应的数控加工程序。首先，学生根据教师给出的零件图自行编制加工程序。在编写加工程序的时候先分析零件图，根据零件图的技术要求来分析加工工艺路线，确定加工步骤，合理选择加工中每一道工序中要使用的刀具以及加工中的切削用量参数，并进行与数控加工程序相关的数学处理。在数学处理时会出现一些繁琐的坐标计算问题，为简化计算和缩短计算时间，我们让学生在计算机模拟房内利用AutoCAD软件先绘制零件图，再利用AutoCAD软件的查询命令予以解决并记下数据。通过工艺分析与数学计算，再根据所确定的工艺路线与零件加工步骤来编写程序。在编写完数控加工程序之后，利用数控机床制造商提供的配套数控仿真教学软件在计算机模拟室进行反复校验和仿真模拟，以检查程序的正确性，同时，对坐标数值、进给量、刀补值等参数进一步处理，以适应实际加工需要。 为什么要这样做呢？因为一般职业技术学校受经费等原因限制，数控机床数量较少，学生要同时上数控机床校验不太可能，况且时间拖得长不利于教学。另一方面，通过校验还可以使学生在数控机床操作之前熟悉数控加工软件的使用方法以及熟悉数控机床的操作面板，为下一步的数控机床操作打好基础。最后，教师对每个学生编制的加工程序做全面细致的审核，确定最终加工程序。教师审核的内容主要是程序结构的合理性、走刀线路、主轴转速、进给量、吃刀深度以及刀具的选择等，在审核的同时为学生提出建设性的修改意见，使学生知道为什么要这样修改，不改会造成什么后果，程序确定之后，及时将程序记下以备操作。 二、加工材料及刀具、夹具的准备 程序准备仅仅是第一步，程序校验通过以后，接下来就是加工材料及刀具和夹具的准备。这一步工作做得如何，将直接影响到数控操作的最终效果和学生的学习兴趣，因此要认真做好。 目前，职业技术学校供数控机床操作教学用的材料主要是铝材、尼龙棒、钢材、石蜡、硬木砧板等，选用的材料要能最大限度地满足数控操作教学的要求，同时要考虑经济性。根据我校的实际情况，我们选择铝和石蜡作为车床和铣床的加工材料。刀具的选择则要根据被加工材料的表面形状、材质等来选择，由于我们所选用的这些材料没有很高的硬度，故对刀具无特别要求，选用普通刀具即可。但在加工时由于零件的形状和技术要求不同，要选择不同类型的刀具来加工，例如加工三角形螺纹要选择三角螺纹车刀，加工圆弧则要选择圆弧到或者是尖刀来进行加工等，合理的选择加工刀具是加工好零件的基本保证。夹具的选择比较简单，如在数控车床上加工铝棒和石蜡棒，铝棒和石蜡棒直接由三爪自定心卡盘夹紧即可；而在铣床上加工时，只要按普通铣床的要求，用压板将铝或石蜡板固定在工作台上或机用平口钳夹紧就可以了，夹紧力的控制以在加工过程中工件不发生移动为宜。 但是在实际数控机床加工应用中，要综合考虑数控机床的技术要求、夹具的特点、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相关因素来正确选用刀具和夹具，而在学习过程中要求学生把石蜡材料看成是金属材料来进行加工，用加工金属材料的切削参数来加工石蜡材料，在加工过程中合理分配加工余量，将粗加工和精加工进行区分。通过以上做法，加工出的工件符合图纸要求，效果良好，达到了数控机床操作的目的。