浅谈数控加工中刀具的选择与切削用量的确定

摘要：在数控程序的编制过程中，要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量，因此，编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则，从而保证零件的加工质量和加工效率。

关键词：数控加工；刀具的选择；切削用量；确定

中图分类号：G718文献标识码：B文章编号：1672-1578（2015）03-0024-01

在数控加工中，刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。目前CAD/CAM技术飞快的发展，使得在数控加工中直接利用CAD/CAM的设计数据成为热点，特别是计算机与数控机床的直接联接，使得设计、工艺规划及编程的整个过程全部在计算机上完成，一般不需要输出专门的工艺文件。

现在，许多CAD/CAM软件提供自动编程功能，这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题，比如，刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成NC程序并传输至数控机床完成加工。因此，数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机床加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点。在此对数控编程中必须面对的刀具选择和切削用量确定问题进行了探讨，并谈谈自己原则和建议，并对应该注意的问题进行了讨论。

1.数控加工常用刀具的种类及特点

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，因此已逐渐标准化和系列化。数控刀具的分类有多种方法。根据刀具结构可分为：（1）整体式；（2）镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；（3）特殊型式，如复合式刀具，减震式刀具等。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，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。为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等的要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的30%～40%，金属切除量占总数的80%～90%。

数控刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下特点：（1）刚性好（尤其是粗加工刀具），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）刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除；（6）系列化，标准化，以利于编程和刀具管理。

2.数控加工刀具的选择

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；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；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，切削行距一般取得很能密，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。

在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，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。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（三种规格）和锥柄（四种规格）两种，共包括16种不同用途的刀柄。

在经济型数控加工中，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部位；（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。

3.确定切削用量

数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。

3.1确定主轴转速。主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。其计算公式为：n=1000v/3.14D 式中：v―切削速度，单位为m/m动，由刀具的耐用度决定；n一一主轴转速，单位为r/min；D―工件直径或刀具直径，单位为mm。计算的主轴转速n，最后要选取机床有的或较接近的转速。

3.2确定进给速度（走刀速度）。进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。确定进给速度的原则：当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在100一200mm/min范围内选取；在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20一50mm/min范围内选取；当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20——50mm/min范围内选取；刀具空行程时，特别是远距离"回零"时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。

3.3确定背吃刀量（切削深度）。背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5m m，总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。

同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。

切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓"合理的"切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。

参考文献：

[1]朱明松、王翔编数控铣床编程与操作项目教程。机械工业出版社，2007.9

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