1.7 加工刀具的選擇和切削用量的確定

加工刀具的選擇和切削用量的確定是數控加工工藝中的重要內容，它不僅影響數控機床的加工效率，而且直接影響加工質量。CAD/CAM 技術的發展，使在數控加工中直接利用CAD的設計數據成為可能，特別是計算機與數控機床的連接，使設計、工藝規劃及編程的整個過程可以全部在計算機中完成，一般不需要輸出專門的工藝文件。

現在，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劃的有關問題，比如刀具選擇、加工路徑規劃和切削用量設定等。編程人員只要設置了有關的參數，就可以自動生成數控程序并傳輸至數控機床完成加工。因此，數控加工中的刀具選擇和切削用量的確定是在人機交互狀態下完成的，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控加工的特點。

1.7.1 數控加工常用刀具的種類及特點

數控加工刀具必須適應數控機床高速、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。刀柄要連接刀具并裝在機床動力頭上，因此已逐漸標準化和系列化。數控刀具的分類有多種方法。根據切削工藝可分為車削刀具（分外圓、內孔、螺紋和切割刀具等多種）、鉆削刀具（包括鉆頭、鉸刀和絲錐等）、鏜削刀具、銑削刀具等；根據刀具結構可分為整體式、鑲嵌式、采用焊接或機夾式連接刀具，機夾式又可分為不轉位和可轉位兩種；根據制造刀具所用的材料可分為高速鋼刀具、硬質合金刀具、金剛石刀具及其他材料刀具，如陶瓷刀具、立方氮化硼刀具等。為了適應數控機床對刀具耐用、穩定、易調、可換等要求，近幾年機夾式可轉位刀具得到了廣泛的應用，在數量上占到全部數控刀具的30%～40%，金屬切除量占總數的80%～90%。

數控刀具與普通機床所用刀具相比，有許多不同的要求，主要有以下特點。

? 剛性好，精度高，抗振及熱變形小。

? 互換性好，便于快速換刀。

? 壽命高，切削性能穩定、可靠。

? 刀具的尺寸便于調整，以減少換刀調整時間。

? 刀具應能可靠地斷屑或卷屑，以利于切屑的排除。

? 系列化、標準化，以利于編程和刀具管理。

1.7.2 數控加工刀具的選擇

刀具的選擇是在數控編程的人機交互狀態下進行的。應根據機床的加工能力、加工工序、工件材料的性能、切削用量以及其他相關因素正確選用刀具和刀柄。刀具選擇的總原則是適用、安全和經濟。適用是要求所選擇的刀具能達到加工的目的，完成材料的去除，并達到預定的加工精度。安全是指在有效去除材料的同時，不會產生刀具的碰撞和折斷等，要保證刀具及刀柄不會與工件相碰撞或擠擦，造成刀具或工件的損壞。經濟是指能以最小的成本完成加工。在同樣可以完成加工的情形下，選擇相對綜合成本較低的方案，而不是選擇最便宜的刀具；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，應選用硬質合金刀片銑刀；加工凸臺、凹槽時，選用高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時，可選用鑲硬質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、環形銑刀、盤形銑刀和錐形銑刀。

在生產過程中，銑削零件周邊輪廓時，常采用立銑刀，所用的立銑刀的刀具半徑一定要小于零件內輪廓的最小曲率半徑。一般取最小曲率半徑的0.8～0.9倍即可。零件的加工高度（Z方向的背吃刀量）最好不要超過刀具的半徑。

平面銑削時，應選用不重磨硬質合金端銑刀、立銑刀或可轉位面銑刀。一般采用二次進給，第一次進給最好用端銑刀粗銑，沿工件表面連續進給。選好每次進給的寬度和銑刀的直徑，使接痕不影響精銑精度。因此，加工余量大且不均勻時，銑刀直徑要選得小一些。精加工時，一般用可轉位密齒面銑刀，銑刀直徑要選得大些，最好能夠包容加工面的整個寬度，可以設置6～8個刀齒，密布的刀齒使進給速度大大提高，從而提高切削效率，同時可以達到理想的表面加工質量，甚至可以實現以銑代磨。

加工凸臺、凹槽和箱口面時，選取高速鋼立銑刀、鑲硬質合金刀片的端銑刀和立銑刀。在加工凹槽時應采用直徑比槽寬小的銑刀，先銑槽的中間部分，然后再利用刀具半徑補償（或稱直徑補償）功能對槽的兩邊進行銑加工，這樣可以提高槽寬的加工精度，減少銑刀的種類。

加工毛坯表面時，最好選用硬質合金波紋立銑刀，它在機床、刀具和工件系統允許的情況下，可以進行強力切削。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、錐形銑刀和盤形銑刀。加工孔時，應該先用中心鉆刀打中心孔，用以引正鉆頭。然后再用較小的鉆頭鉆孔至所需深度，之后用擴孔鉆頭進行擴孔，最后加工至所需尺寸并保證孔的精度。在加工較深的孔時，特別要注意鉆頭的冷卻和排屑問題，可以利用深孔鉆削循環指令G83進行編程，即讓鉆頭攻進一段后，快速退出工件進行排屑和冷卻；再攻進，再進行冷卻和排屑，如此循環直至孔深鉆削完成。

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密，故球頭刀具常用于曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工質量和切削效率方面都優于球頭刀，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，在大多數情況下，雖然選擇好的刀具增加了刀具成本，但由此帶來的加工質量和加工效率的提高，則可以使整個加工成本大大降低。

加工中心上的各種刀具分別裝在刀庫上，按程序規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、銑等工序用的標準刀具迅速、準確地裝到機床主軸或刀庫中去。編程人員應了解機床上所用刀柄的結構尺寸、調整方法以及調整范圍，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，其刀柄有直柄（三種規格）和錐柄（四種規格）兩類，共包括十六種不同用途的刀柄。

在經濟型數控加工中，由于刀具的刃磨、測量和更換多為人工手動進行，并且占用輔助時間較長，必須合理安排刀具的排列順序。一般應遵循以下原則：盡量減少刀具數量；一把刀具裝夾后，應完成其所能進行的所有加工；粗、精加工的刀具應分開使用，即使是相同尺寸規格的刀具；先銑后鉆；先進行曲面精加工，后進行二維輪廓精加工；在可能的情況下，應盡可能利用數控機床的自動換刀功能，以提高生產效率。

1.7.3 切削用量的確定

合理選擇切削用量的原則如下：粗加工時，一般以提高生產率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質量的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書和切削用量手冊，并結合經驗而定。

1.背吃刀量a_p

背吃刀量a_p也稱為切削深度，在機床、工件和刀具剛度允許的情況下，a_p就等于加工余量，這是提高生產率的一個有效措施。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。數控機床的精加工余量可略小于普通機床。

2.切削寬度L

切削寬度L稱為步距，一般切削寬度L與刀具直徑D成正比，與背吃刀量成反比。在經濟型數控加工中，一般L的取值范圍為L=（0.6～0.9）D。在粗加工中，大步距有利于加工效率的提高。使用圓鼻刀進行加工，實際參與加工的部分是從刀具直徑扣除刀尖的圓角部分，即實際加工寬度d=D-2r（D為刀具直徑，r為刀尖圓角半徑），L可以取（0.8～0.9）d。使用球頭刀進行精加工時，步距的確定應首先考慮所能達到的精度和表面粗糙度。

3.切削線速度v_c

切削線速度v_c也稱為單齒切削量，單位為m/min。提高v_c值也是提高生產率的一個有效措施，但v_c與刀具壽命的關系比較密切。隨著v_c的增大，刀具壽命急劇下降，故v_c的選擇主要取決于刀具壽命。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鋼30CrNi2MoVA時，v_c可采用8m/min左右；而用同樣的立銑刀銑削鋁合金時，v_c可選200m/min以上。一般好的刀具供應商都會在其手冊或刀具說明書中提供刀具的切削速度推薦數值。

此外，在確定精加工、半精加工的切削速度時，應注意避開積屑瘤和鱗刺產生的區域；在易發生振動的情況下，切削速度應避開自激振動的臨界速度；在加工帶硬皮的鑄鍛件或加工大件、細長件、薄壁件以及切斷工件時，應選用較低的切削速度。

4.主軸轉速n

主軸轉速的單位是 r/min，一般應根據切削速度v_c、刀具或工件直徑來選定。計算公式為

式中，D_c是刀具直徑，單位為mm。

在使用球頭銑刀時要做一些調整，球頭銑刀的計算直徑D_eff要小于銑刀直徑D_c，故其實際轉速不應按銑刀直徑D_c計算，而應按計算直徑D_eff計算。

數控機床的控制面板上一般備有主軸轉速修調（倍率）開關，可在加工過程中對主軸轉速進行整倍數調整。

5.進給速度v_f

進給速度v_f是指機床工作臺在做插位時的進給速度，單位為mm/min。v_f應根據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。v_f的增加可以提高生產效率，但是刀具壽命也會降低。加工表面粗糙度要求低時，v_f可選擇得大些。在加工過程中，v_f也可通過機床控制面板上的修調開關進行人工調整，但是最大進給速度要受到設備剛度和進給系統性能等的限制。進給速度可以按以下公式進行計算

v_f=nzf_z

式中，v_f是工作臺進給速度，單位為mm/min；n是主軸轉速，單位為r/min；z是刀具齒數；f_z是進給量，單位為mm/齒，f_z值由刀具供應商提供。

在數控編程中，還應考慮在不同情形下選擇不同的進給速度。如在初始切削進給時，特別是在Z軸下刀時，因為是在進行端銑，受力較大，同時還要考慮程序的安全性問題，所以應以相對較慢的速度進給。

隨著數控機床在生產實際中的廣泛應用，數控編程已經成為數控加工中的關鍵步驟之一。在數控加工程序的編制過程中，要在人機交互狀態下及時選擇刀具、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量和加工效率，充分發揮數控機床的優點，提高企業的經濟效益和生產水平。