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______________________________________________________________________________________________________________ 刀具的選擇和切削用量的確定是數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容，它不僅影響數(shù)控機床的加工效率，而且直接影響加工質(zhì)量。CAD/CAM技術的發(fā)展，使得在數(shù)控加工中直接利用CAD的設計數(shù)據(jù)成為可能，特別是微機與數(shù)控機床的聯(lián)接，使得設計、工藝規(guī)劃及編程的整個過程全部在計算機上完成，一般不需要輸出專門的工藝文件。 　　現(xiàn)在，許多CAD/CAM軟件包都提供自動編程功能，這些軟件一般是在編程界面中提示工藝規(guī)劃的有關問題，比如，刀具選擇、加工路徑規(guī)劃、切削用量設定等，編程人員只要設置了有關的參數(shù)，就可以自動生成NC程序并傳輸至數(shù)控機床完成加工。因此，數(shù)控加工中的刀具選擇和切削用量確定是在人機交互狀態(tài)下完成的，這與普通機床加工形成鮮明的對比，同時也要求編程人員必須掌握刀具選擇和切削用量確定的基本原則，在編程時充分考慮數(shù)控加工的特點。本文對數(shù)控編程中必須面對的刀具選擇和切削用量確定問題進行了探討，給出了若干原則和建議，并對應該注意的問題進行了討論。 　　一、數(shù)控加工常用刀具的種類及特點 　　數(shù)控加工刀具必須適應數(shù)控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般應包括通用刀具、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要聯(lián)接刀具并裝在機床動力頭上，因此已逐漸標準化和系列化。數(shù)控刀具的分類有多種方法。根據(jù)刀具結構可分為：①整體式；②鑲嵌式，采用焊接或機夾式連接，機夾式又可分為不轉位和可轉位兩種；③特殊型式，如復合式刀具，減震式刀具等。根據(jù)制造刀具所用的材料可分為：①高速鋼刀具；②硬質(zhì)合金刀具；③金剛石刀具；④其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。從切削工藝上可分為：①車削刀具，分外圓、內(nèi)孔、螺紋、切割刀具等多種；②鉆削刀具，包括鉆頭、鉸刀、絲錐等；③鏜削刀具；④銑削刀具等。為了適應數(shù)控機床對刀具耐用、穩(wěn)定、易調(diào)、可換等的要求，近幾年機夾式可轉位刀具得到廣泛的應用，在數(shù)量上達到整個數(shù)控刀具的30%～40%，金屬切除量占總數(shù)的80%～90%。 　　數(shù)控刀具與普通機床上所用的刀具相比，有許多不同的要求，主要有以下特點： 　?、艅傂院茫ㄓ绕涫谴旨庸さ毒撸?，精度高，抗振及熱變形??； 　　⑵互換性好，便于快速換刀； 　　⑶壽命高，切削性能穩(wěn)定、可靠； 　　⑷刀具的尺寸便于調(diào)整，以減少換刀調(diào)整時間； 　?、傻毒邞芸煽康財嘈蓟蚓硇?，以利于切屑的排除； 　?、氏盗谢瑯藴驶?，以利于編程和刀具管理。 　　二、數(shù)控加工刀具的選擇 　　刀具的選擇是在數(shù)控編程的人機交互狀態(tài)下進行的。應根據(jù)機床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相關因素正確選用刀具及刀柄。刀具選擇總的原則是：安裝調(diào)整方便，剛性好，耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。 　　選取刀具時，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸相適應。生產(chǎn)中，平面零件周邊輪廓的加工，常采用立銑刀；銑削平面時，應選硬質(zhì)合金刀片銑刀；加工凸臺、凹槽時，選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時，可選取鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀；對一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭銑刀、環(huán)形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。 　　在進行自由曲面加工時，由于球頭刀具的端部切削速度為零，因此，為保證加工精度，切削行距一般取得很能密，故球頭常用于曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工質(zhì)量和切削效率方面都優(yōu)于球頭刀，因此，只要在保證不過切的前提下，無論是曲面的粗加工還是精加工，都應優(yōu)先選擇平頭刀。另外，刀具的耐用度和精度與刀具價格關系極大，必須引起注意的是，在大多數(shù)情況下，選擇好的刀具雖然增加了刀具成本，但由此帶來的加工質(zhì)量和加工效率的提高，則可以使整個加工成本大大降低。 　　在加工中心上，各種刀具分別裝在刀庫上，按程序規(guī)定隨時進行選刀和換刀動作。因此必須采用標準刀柄，以便使鉆、鏜、擴、銑削等工序用的標準刀具，迅速、準確地裝到機床主軸或刀庫上去。編程人員應了解機床上所用刀柄的結構尺寸、調(diào)整方法以及調(diào)整范圍，以便在編程時確定刀具的徑向和軸向尺寸。目前我國的加工中心采用TSG工具系統(tǒng)，其刀柄有直柄（三種規(guī)格）和錐柄（四種規(guī)格）兩種，共包括16種不同用途的刀柄。 　　在經(jīng)濟型數(shù)控加工中，由于刀具的刃磨、測量和更換多為人工手動進行，占用輔助時間較長，因此，必須合理安排刀具的排列順序。一般應遵循以下原則：①盡量減少刀具數(shù)量；②一把刀具裝夾后，應完成其所能進行的所有加工部位；③粗精加工的刀具應分開使用，即使是相同尺寸規(guī)格的刀具；④先銑后鉆；⑤先進行曲面精加工，后進行二維輪廓精加工；⑥在可能的情況下，應盡可能利用數(shù)控機床的自動換刀功能，以提高生產(chǎn)效率等。 　　三、數(shù)控加工切削用量的確定 　　合理選擇切削用量的原則是，粗加工時，一般以提高生產(chǎn)率為主，但也應考慮經(jīng)濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質(zhì)量的前提下，兼顧切削效率、經(jīng)濟性和加工成本。具體數(shù)值應根據(jù)機床說明書、切削用量手冊，并結合經(jīng)驗而定。 　?、徘邢魃疃萾。在機床、工件和刀具剛度允許的情況下，t就等于加工余量，這是提高生產(chǎn)率的一個有效措施。為了保證零件的加工精度和表面粗糙度，一般應留一定的余量進行精加工。數(shù)控機床的精加工余量可略小于普通機床。 　?、魄邢鲗挾萀。一般L與刀具直徑d成正比，與切削深度成反比。經(jīng)濟型數(shù)控加工中，一般L的取值范圍為：L=（0.6～0.9）d。 　?、乔邢魉俣葀。提高v也是提高生產(chǎn)率的一個措施，但v與刀具耐用度的關系比較密切。隨著v的增大，刀具耐用度急劇下降，故v的選擇主要取決于刀具耐用度。另外，切削速度與加工材料也有很大關系，例如用立銑刀銑削合金剛30CrNi2MoVA時，v可采用8m/min左右；而用同樣的立銑刀銑削鋁合金時，v可選200m/min以上。 　?、戎鬏S轉速n(r/min)。主軸轉速一般根據(jù)切削速度v來選定。計算公式為： 　　式中，d為刀具或工件直徑（mm）。 　　數(shù)控機床的控制面板上一般備有主軸轉速修調(diào)（倍率）開關，可在加工過程中對主軸轉速進行整倍數(shù)調(diào)整。 　?、蛇M給速度vF 。vF應根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料來選擇。vF的增加也可以提高生產(chǎn)效率。加工表面粗糙度要求低時，vF可選擇得大些。在加工過程中，vF也可通過機床控制面板上的修調(diào)開關進行人工調(diào)整，但是最大進給速度要受到設備剛度和進給系統(tǒng)性能等的限制。 　　隨著數(shù)控機床在生產(chǎn)實際中的廣泛應用，數(shù)控編程已經(jīng)成為數(shù)控加工中的關鍵問題之一。在數(shù)控程序的編制過程中，要在人機交互狀態(tài)下即時選擇刀具和確定切削用量。因此，編程人員必須熟悉刀具的選擇方法和切削用量的確定原則，從而保證零件的加工質(zhì)量和加工效率，充分發(fā)揮數(shù)控機床的優(yōu)點，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和生產(chǎn)水平。 ???? 高速加工作為一種先進的切削技術，自二十世紀八十年代以來得到了日益廣泛的應用。高速加工采用遠高于常規(guī)加工的切削速度和進給速度，不僅可提高加工效率，縮短加工工時，同時還可獲得很高的加工精度。隨著高速加工主軸技術的發(fā)展，與其配套的新型刀具不斷出現(xiàn)，對高速加工用刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化研究也不斷深入。目前，德國、美國、日本等工業(yè)發(fā)達國家對高速加工技術的研究和應用處于世界領先地位，特別是德國對高速加工的研究起步較早，成果較多。早在1984 年，德國國家研究技術部(DFG)就出資700 萬馬克資助德國Darmstadt 工業(yè)大學生產(chǎn)技術和機床研究所(PTW，Institute of Productionand Engineering and Machine Tools)與41 家公司進行了為期4 年的合作，全面開展對高速加工切削機理、高速加工工藝、高速加工用機床與刀具的研究。由于政府的高度重視和大力資助，研究工作取得了豐碩成果。德國不少公司很快掌握了高速加工技術，并不斷支持和推動該項技術的深入研究與發(fā)展。? ???? 本文對德國PTW研究所近年來在高速加工刀具工藝參數(shù)優(yōu)化方面的最新研究成果作一介紹，希望能為國內(nèi)的高速加工研究及應用提供有益的參考。 2 高速加工的特點? ???? 高速加工(High Speed Cutting，簡稱HSC)通常是指在高于常規(guī)加工速度5～10倍的條件下進行的切削加工。在高速加工中，必須根據(jù)不同的加工材料、加工方式、加工工藝、刀具參數(shù)并考慮刀具使用壽命和加工表面質(zhì)量來選擇切削速度。表1為加工不同工件材料時HSC 銑削與常規(guī)加工的切削速度比較。表2 為采用不同加工方式切削合金鋼時HSC 與常規(guī)加工的切削速度比較。 表1 加工不同材料時HSC銑削與常規(guī)加工的切削速度比較 被加工材料 常規(guī)切削速度 (m/min) HSC切削速度 (m/min) 纖維增強塑料 ～800 1200～9000 輕金屬 ～800 200～5000 銅合金 ～400 1200～45000 鑄鐵 ～300 1000～3000 普通工具鋼 ～250 700～2000 鈦合金 ～80 200～1000 鎳基合金 ～20 100～300 表2 加工合金鋼時HSC 與常規(guī)加工的切削速度比較 加工方式 常規(guī)切削速度 (m/min) HSC切削速度 (m/min) 鉆削 ～100 ～200 拉削 ～40 ～80 精鏜 ～10 ～300 3 高速加工刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化? ???? 高速加工的實現(xiàn)與刀具材料、刀具幾何形狀、被加工材料及加工參數(shù)等密切相關。下面以應用廣泛的模具材料如鋁合金、工具鋼和鑄鐵的高速加工為例，介紹德國PTW研究所近年來對高速加工刀具工藝參數(shù)優(yōu)化研究的成果。 3.1 高速加工鋁合金的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化 1) 刀具材料? ???? 加工鋁合金時，可供選擇的刀具材料有硬質(zhì)合金、陶瓷、金屬陶瓷、聚晶金剛石等。硬質(zhì)合金是高速切削鋁材的主要刀具材料。實際加工中通常使用無涂層的硬質(zhì)合金刀具，這是因為較厚的涂層會導致刀尖圓弧鈍化，而較薄的涂層則會在加工時迅速磨損，均難以起到延長刀具壽命的作用。由于P系列和M系列硬質(zhì)合金中含有TiC成分，而TiC與鋁的親和性好，不利于切削，因此在粗加工時宜選用K系列硬質(zhì)合金刀具。陶瓷材料材質(zhì)較輕，常用于大型刀具；陶瓷刀具亦可用于鋁材的高速切削，但Al2O3陶瓷刀具因脆性較大而不常使用。多晶金剛石刀具的使用壽命在相同切削條件下可比硬質(zhì)合金刀具顯著延長，但昂貴的價格使其難以得到廣泛使用；在加工Si含量較高的Al-Si合金時，由于硬質(zhì)合金刀具磨損很快，使用聚晶金剛石刀具則較為經(jīng)濟。近年來，綜合了聚晶金剛石和硬質(zhì)合金兩者優(yōu)點的CVD 聚晶金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具已得到越來越廣泛的應用。 2) 刀具幾何參數(shù)? ???? 刀具幾何形狀的選擇取決于鋁合金材料的抗拉強度和Si成分含量。研究表明，刀具前角和刀尖鈍圓半徑是影響鋁合金加工質(zhì)量的主要因素。刀具后角的選取會影響刀具剛度，增大后角有利于提高刀具壽命，但會降低刀刃剛度。為此可采用雙倒棱后角，在增大后角的同時保證刀具剛度。此外，刀尖圓弧半徑的選擇應適當，圓弧半徑過大或過小都會降低刀具使用壽命。整體刀具的螺旋角優(yōu)化值為20°～25°。表3 列出了加工不同鋁合金材料時刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化經(jīng)驗值。 表3 加工鋁合金材料的刀具幾何參數(shù)優(yōu)化經(jīng)驗值 工件材料 抗拉強度 或Si含量 刀具材料 后角 前角 刃傾角 刀尖圓弧半徑 (mm) 鋁塑合金 Rm<300N/mm2 硬質(zhì)合金 13°～18° 10°～15° ≥25° 0.005～0.01 鋁塑合金 Rm>300N/mm2 硬質(zhì)合金 12°～15° 12°～18° ≥20° 0.005～0.01 鋁鑄鐵合金 Si含量<12% 硬質(zhì)合金 12° 15° 0° 0.01～0.02 鋁鑄鐵合金 Si含量>12% 聚晶金剛石 12° 0° 0° 0.01～0.02 3) 加工工藝參數(shù)? ???? 研究表明，適合高速加工鋁合金材料的加工工藝優(yōu)化參數(shù)為：切削速度：≥4000m/min；每齒進給量：0.005～0.5mm；進給速度：加工Al-Si合金(Si<12%)和鋁銅合金時vf=1～12m/min，加工Al-Si合金(Si>12%)時vf=1～8m/min；切削率：加工Al-Si合金( Si< 12%)和鋁銅合金時為50～90cm3/mm·kW，加工Al-Si合金(Si> 12%)時為40～70cm3/mm·kW。加工Al-Si合金時應使用冷卻液(10%～15%乳化液，20～40巴)或微量冷卻潤滑技術(MVL，MinimumVolume Lubrication)，合理的冷卻潤滑可使刀具壽命提高50%。 4) 加工表面質(zhì)量? ???? 影響工件表面加工質(zhì)量的主要因素有：①刀具徑向跳動。②刀具磨損：當VB>0.2mm時，加工表面質(zhì)量明顯降低，因此精加工時必須將刀具磨損量控制在VB<0.2mm 以內(nèi)。③刀具工藝參數(shù)。④冷卻方法：使用刀尖圓弧半徑小于1μm 的人造金剛石刀具并輔以冷卻潤滑，可獲得良好的加工表面質(zhì)量(表面粗糙度可達Ra0.1μm)；采用P系列和K系列超細顆粒硬質(zhì)合金刀具(刀尖圓弧半徑2～3μm)加工時，表面粗糙度分別可達Ra0.3～0.4μm 和Ra0.4～0.6μm；使用金屬陶瓷刀具得到的加工表面質(zhì)量介于使用硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具之間。⑤與常規(guī)加工類似，高速加工時進給速度對表面加工質(zhì)量影響較大，但切削速度對表面加工質(zhì)量影響甚微。 3.2 高速加工工具鋼的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化? ???? 工具鋼種類繁多，下列優(yōu)化工藝參數(shù)適用于除奧氏體鋼及淬硬鋼外的工具鋼高速加工。 1) 刀具材料? ???? 高速加工工具鋼時，原則上應選用熱強度高的P20/30系列涂層硬質(zhì)合金刀具，其加工性能優(yōu)于僅含WC-Co 成分的K 系列硬質(zhì)合金刀具。該刀具采用TiN-PVD涂層，可獲得較長的使用壽命。? ???? 金屬陶瓷刀具因不含WC 成分，擴散性較小，亦可獲得較長的使用壽命，但由于脆性較大，只適于切深和進給量較小的精加工時使用。? ???? 氮系陶瓷刀具一般在切削速度大于1600m/in時使用，且進給量應控制在硬質(zhì)合金刀具的50%，同時應嚴格選擇vc、fz、ap、ae等切削參數(shù)值，以避免因刀刃破損降低刀具使用壽命。? ???? 加工淬火鋼時推薦使用CBN刀具，其性能價格比較合理，加工時通常應選取較小的進給量(與使用陶瓷刀具接近)。 2) 刀具幾何參數(shù)? ???? 高速加工工具鋼時最重要的刀具參數(shù)是后角和刀尖圓弧半徑，刀具前角對加工性能影響不顯著(通常取為0°)。因高速加工時單位切削力減小，刀具后角可取16°～20°(大于20°后刀具穩(wěn)定性將明顯降低)。對于硬質(zhì)合金刀具和金屬陶瓷刀具，在進給量較小時(如fz=0.2～0.3mm)可選用鋒利的刃型；在進給量較大時采用倒棱(如0.2×20°)則可改善刀刃保持性；使用陶瓷刀具和CBN刀具時亦應采用刀刃保護棱。 3) 加工工藝參數(shù)? ???? 在200～400m/min切削速度下切削鋼材時，會形成較多積屑瘤，嚴重影響刀具使用壽命。當切削速度提高到600m/min以上時，因排屑速度提高減少了積屑瘤形成的接觸時間，可使加工條件得以改善。此外，當切削速度低于600m/min時，產(chǎn)生的切削高溫會加速刀具中的碳化物向被加工材料中擴散，從而破壞刀具材料的晶格結構。因此，切削速度600m/min時的切削溫度常作為切削性能改善的轉折點。此外，刀具壽命與被加工材料性能密切相關，材料抗拉強度增大會降低刀具使用壽命。? ???? 對于整體硬質(zhì)合金刀具，每齒進給量fz的選擇范圍為0.2～0.3mm。對于可更換刀片的刀具，目前還難以給出理想的fz優(yōu)化值，由于其fz值遠大于整體硬質(zhì)合金刀具的fz值，且與其它參數(shù)(特別是ae值)密切相關，因此其可優(yōu)化范圍很小，這也給其它參數(shù)的優(yōu)化帶來困難。? ???? 采用陶瓷刀具和CBN刀具加工時，工藝參數(shù)的選取與此類似，但進給量只能達到硬質(zhì)合金刀具的50%左右。 4) 加工表面質(zhì)量? ???? 當切削速度vc=600～800m/min時，加工表面質(zhì)量最好。隨著切削速度的提高，表面粗糙度值最初變化不大，然后有所下降。表面粗糙度值隨著進給量的增加而增大。高速加工鋼材時，使用冷卻液不僅不能提高加工表面質(zhì)量，反而會大大降低刀具使用壽命，因此對鋼材的高速加工一般宜采用干切削，其加工表面質(zhì)量可達Ra0.1μm。 3.3 高速加工鑄鐵的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化 1) 刀具材料? ???? 可用于高速加工鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵)的刀具材料主要有硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、氮化硅陶瓷和CBN等。? ???? 對鑄鐵的高速切削可分為750～1250m/min和1250～4500m/min兩個速度范圍，但應盡可能在較高切削速度范圍內(nèi)加工。在1250～4500m/min速度范圍內(nèi)切削鑄鐵時，最好使用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具。Si3N4陶瓷刀具的優(yōu)化切削速度為2000m/min，CBN刀具的優(yōu)化切削速度為3000～4500m/min。CBN刀具使用壽命較長，但價格昂貴，應視具體情況選擇。? ???? 若機床主軸轉速、進給速度及刀具幾何參數(shù)不允許在高于1250m/min的速度下切削，則應選用硬質(zhì)合金刀具和金屬陶瓷刀具。研究表明，涂層硬質(zhì)合金刀具與無涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命可相差10倍；金屬陶瓷刀具與無涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命可相差2～3 倍。因此，選用P 系列或K 系列涂層硬質(zhì)合金刀具可獲得較滿意的加工效果(推薦選用P20/30 系列帶TiC/ TiN 多層涂層的硬質(zhì)合金刀具)，刀具的具體選擇則應根據(jù)加工材料和加工參數(shù)而定。 2) 刀具幾何參數(shù)? ???? 高速切削鑄鐵的刀具幾何參數(shù)與切削工具鋼時相似，但后角取值應在12°左右。硬質(zhì)合金刀具、金屬陶瓷刀具和CBN刀具應有10μm 左右的刀尖圓角半徑；陶瓷刀具通常應帶有0.1×10°的刀刃保護棱。 3) 加工工藝參數(shù)? ???? 在750～1250m/min切削速度下，可采用硬質(zhì)合金刀具或金屬陶瓷刀具進行加工，此時可選用較大的每齒進給量(如fz=0.8mm)，因為在一定范圍內(nèi)刀具壽命可隨進給量的增大而提高；在1250～4500m/min切削速度下，可采用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具進行加工，與前一種切削速度范圍相比，此時每齒進給量應減小50%左右，由于切削速度高，此時獲得的進給速度仍比前一速度范圍高4～5 倍。? ???? 與鋼的高速切削類似，高速加工鑄鐵時也建議采用干式切削。 4) 加工表面質(zhì)量? ???? 一般情況下，加工表面質(zhì)量可隨切削速度及進給速度的提高而改善。但在加工鑄鐵時應注意，鑄鐵的縱向和橫向表面粗糙度相差較大，這主要是由加工時產(chǎn)生的鱗刺造成的(可在粗加工表面觀察到)。加工鑄鐵工件的最終表面粗糙度可達Ra0.2μm。 3.4 其它材料的高速加工? ???? 石墨、纖維增強塑料、鎂合金、銅合金、表面淬火和整體淬火鋼、高合金鋼、鈦合金、鎳基合金等材料也可通過高速切削進行加工，但對這些材料的高速加工仍存在不少技術難點，對有關切削機理的研究目前還在繼續(xù)進行。 4 結語? ???? 由于高速加工過程及其機理相當復雜，目前仍缺少成熟、可靠的加工仿真技術，因此對高速加工刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化仍主要依賴于切削試驗。由于切削試驗條件與實際加工條件不完全一致，因此試驗結果還需在加工實踐中進一步校驗修正。此外，德國與中國在使用的加工機床和刀具材料等方面存在較大差別，因此本文介紹的高速切削刀具工藝參數(shù)優(yōu)化結果僅供國內(nèi)有關人員借鑒參考。? ???? 我國在二十世紀九十年代初期才開始對高速加工的各項關鍵技術進行系統(tǒng)研究，與國外相比起步較晚，在模具制造領域差距更大。我們應立足于我國的刀具、材料及技術條件，適當借鑒國外先進經(jīng)驗，加強對高速加工技術的研究及應用，迅速提高我國高速加工技術水平。  THANKS !!! 致力為企業(yè)和個人提供合同協(xié)議，策劃案計劃書，學習課件等等 打造全網(wǎng)一站式需求 歡迎您的下載，資料僅供參考 -可編輯修改-