芜湖职业技术学院数控专业毕业设计.docx

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芜湖职业技术学院数控专业毕业设计

合理选择数控铣加工中的刀具和切削用

重要性探讨

摘要:

在借助CAM软件进行数控编程的过程中,刀具的选择和切削用量的确定是十分重要,它不仅对被加工零件的质量影响巨大,甚至可以决定着机床功效的发挥和安全生产的顺利进行。

所以,在编制加工程序时,选择合理的刀具和切削用量,是编制高质量加工程序的前提。

关键词：

数控铣床；刀具；切削量

数控铣床是主要采用铣削方式加工工件的数控铣床，它能够进行外形轮廓铣削，平面或曲面型腔铣削及三维复杂型面的铣削，如凸轮，模具，叶片，螺旋桨等。

另外，数控铣床还具有孔加工的功能，通过特定的功能指令可进行一系列孔的加工。

如钻孔，扩孔，镗孔和攻螺纹孔。

适合铣削加工的类型有平面类零件，变斜角类零件，曲面类零件，雕刻类零件。

现在,如Pro/ENGINEER、UG、Cimatron、MasterCAM等许多CAD/CAM软件包都提供自动编程功能,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。

众所周知,在借助CAM软件进行数控编程的过程中,刀具的选择和切削用量的确定是十分重要,它不仅对被加工零件的质量影响巨大,甚至可以决定着机床功效的发挥和安全生产的顺利进行。

所以无论是手工编程或计算机辅助编程,在编制加工程序时,选择合理的刀具和切削用量,是编制高质量加工程序的前提。

本文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,给出了若干原则和建议,并对应该注意的问题进行了讨论。

1、刀具的选择

1．1、数控铣加工常用刀具的种类

数控铣加工刀具种类很多,为了适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点,所用刀具正朝着标准化、通用化和模块化的方向发展,主要包括铣削刀具和孔加工刀具两大类。

为了满足高效和特殊的铣削要求,又发展了各种特殊用途的专用刀具。

数控铣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:

平端立铣刀、圆角立铣刀、球头刀和锥度铣刀等。

1.2、数控铣加工对刀具的要求

为了保证数控铣机床的加工精度,提高数控铣机床的生产效率及降低刀具材料的消耗,在选用数控铣机床刀具和刀具材料时,除满足普通机床应具备的基本条件外,还要考虑在数控铣机床中刀具工作条件等多方面因素,如切屑的断屑性能、刀具快速调整与更换,因此对刀具材料提出更高的要求。

1.2.1、铣刀刚性要好

一是为提高生产效率而采用大切削用量的需要;二是为适应数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点。

当工件各处的加工余量相差悬殊时,通用铣床遇到这种情况很容易采取分层铣削方法加以解决,而数控铣削就必须按程序规定的走刀路线前进,遇到余量大时无法象通用铣床那样“随机应变”,除非在编程时能够预先考虑到,否则铣刀必须返回原点,用改变切削面高度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工,多走几刀。

但这样势必造成余量少的地方经常走空刀,降低了生产效率,如刀具刚性较好就不必这么办。

1.2.2、铣刀的耐用度要高

尤其是当一把铣刀加工的内容很多时,如刀具不耐用而磨损较快,就会影响工件的表面质量与加工精度,而且会增加换刀引起的调刀与对刀次数,也会使工作表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶,降低了工件的表面质量。

除上述两点之外,互换性好,便于快速换刀;刀具的尺寸便于调整,以减少换刀调整时间;刀具应能可靠地断屑或卷屑,以利于切屑的排除;系列化,标准化,以利于编程和刀具管理,等等这些是数控加工与普通机床加工对刀具的不同要求。

1.3、数控铣加工刀具类型的选择

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。

生产中,被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。

1.3.1、铣削刀具的选用

加工曲面类零件时,为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切,而避免刀刃与工件轮廓发生干涉,一般采用球头刀,粗加工用两刃铣刀,半精加工和精加工用四刃铣刀;铣较大平面时,为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度,一般采用刀片镶嵌式盘形铣刀;铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀;铣键槽时,为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀。

1.3.2、孔加工刀具的选用

数控机床孔加工一般无钻模,由于钻头的刚性和切削条件差,选用钻头直径D应满足L/D≤5（L为钻孔深度）的条件;钻孔前先用中心钻定位,保证孔加工的定位精度;精绞前可选用浮动绞刀,绞孔前孔口要倒角;镗孔时应尽量选用对称的多刃镗刀头进行切削,以平衡镗削振动;尽量选择较粗和较短的刀杆,以减少切削振动。

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。

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。

总之,根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量,选择刚性好,耐用度高的铣刀,是充分发挥数控铣床的生产效率和获得满意的加工质量的前提。

二、切削用量的确定

数控编程时,编程人员必须确定每道工序的切削用量,并以指令的形式写入程序中。

切削用量包括切削速度、背吃刀量或侧吃刀量及进给速度等.数控铣床切削用量的选择如何选择切削用量。

在数控机床上加工零件时，切削用量都预先编入程序中，在正常加工情况下，人工不予改变。

只有在试加工或出现异常情况时．才通过速率调节旋钮或电手轮调整切削用量。

因此程序中选用的切削用量应是最佳的、合理的切削用量。

只有这样才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。

影响切削用量的因素有：

机床切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范围、进给速度范围之内。

机床—刀具—工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。

切削用量的选择应使机床—刀具—工件系统不发生较大的“振颤”。

如果机床的热稳定性好，热变形小，可适当加大切削用量。

刀具材料是影响切削用量的重要因素。

数控机床所用的刀具多采用可转位刀片（机夹刀片）并具有一定的寿命。

机夹刀片的材料和形状尺寸必须与程序中的切削速度和进给量相适应并存入刀具参数中去。

标准刀片的参数请参阅有关手册及产品样本。

工件。

不同的工件材料要采用与之适应的刀具材料、刀片类型，要注意到可切削性。

可切削性良好的标志是，在高速切削下有效地形成切屑，同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。

较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，可以获得较好的表面粗糙度。

合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。

冷却液，冷却液同时具有冷却和润滑作用。

带走切削过程产生的切削热，降低工件、刀具、夹具和机床的温升，减少刀具与工件的摩擦和磨损，提高刀具寿命和工件表面加工质量。

使用冷却液后，通常可以提高切削用量。

冷却液必须定期更换，以防因其老化而腐蚀机床导轨或其他零件，特别是水溶性冷却液。

以上讲述了机床、刀具、工件、冷却液对切削用量的影响。

下面主要论述铣削加工的切削用量选择原则。

铣削加工的切削用量包括：

切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。

从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：

先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。

2.1、背吃刀量ap或侧吃刀量ae

背吃刀量ap为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。

端铣时，ap为切削层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。

侧吃刀量ae为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。

端铣时，ae为被加工表面宽度；而圆周铣削时，ae为切削层深度。

背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：

2.1.1、当工件表面粗糙度值要求为Ra=12.5～25μm时，如果圆周铣削加工余量小于5㎜，端面铣削加工余量小于6㎜，粗铣一次进给就可以达到要求。

但是在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为两次进给完成。

2.1.2、当工件表面粗糙度值要求为Ra=3.2～12.5μm时，应分为粗铣和半精铣两步进行。

粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。

粗铣后留0.5～1.0㎜余量，在半精铣时切除。

2.1.3、当工件表面粗糙度值要求为Ra=0.8～3.2μm时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。

半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2㎜；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5㎜，面铣刀背吃刀量取0.5～1㎜。

2.2、进给量f进给速度Vf的选择

铣削加工的进给量f（㎜/r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度Vf（㎜/min）是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。

进给速度与进给量的关系为Vf=nf（n为铣刀转速，单位r/min）。

进给量与进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量fz，再根据公式f=Zfz（Z为铣刀齿数）计算。

每齿进给量fz的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。

工件材料强度和硬度越高，fz越小；反之则越大。

硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。

工件表面粗糙度要求越高，fz就越小。

每齿进给量的确定可参考表1-1选取。

工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。

表1-1铣刀每齿进给量参考值

工件材料

粗铣（fz/㎜）

精铣（fz/㎜）

高速钢铣刀

0.10～0.15

0.10～0.25

硬质合金铣刀

0.02～0.05

0.10～0.15

高速钢铣刀

0.03～0.06

0.10～0.12

钢

0.08～0.14

0.12～0.24

铸铁

0.12～0.20

0.15～0.30

2.3、切削速度Vc

铣削的切削速度Vc与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。

其原因是当fz、ap、ae和Z增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。

为提高刀具耐用度允许使用较低的切削速度。

但是加大铣刀直径则可改善散热条件，可以提高切削速度。

铣削加工的切削速度Vc可参考表1-2选取，也可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。

表1-2铣削加工的切削速度参考值

工件材料

Vc/（m.min）硬度（HBS）＜190

Vc/（m.min）硬度（HBS）＜225

高速钢铣刀

21～3666～150

18～42

66～150

硬质合金铣刀

190～260

50～130

225～32512～3654～120

钢

9～1845～90b

325～4256～21

铸铁

260～3204.5～1021～30

8～5436～75

合理选择切削用量的原则是，粗加工时一般以提高生产率为主，但也要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，兼顾切削效率和经济性和加工成本。

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。

1。

切削深度t。

在机床，工件和刀具刚度允许的情况下，t就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。

为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。

数控机床的精加工余量可略小于普通车床。

2.切削宽度L。

一般L与刀具直径D成正比，与切削深度成反比。

经济型数控加工中，一般L的取值范围为：

L=（0.6~0.9）D。

3.切削速度V。

提高V也是提高生产率的一个措施。

但V与刀具耐用度的关系比较密切。

随着V的增大，刀具耐用度急剧下降，故V的选择主要取决于刀具耐用度。

另外切削速度与加工材料也有很大的关系，例如用立铣刀铣削合金刚30CrNi2MoVA时，v可采用8m/min左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，v可选择200m/min以上。

4.主轴转速n（r/min）。

主轴转速一般根据切削速度v而定。

公式为：

n=1000*Vcp*d式中，d为工件直径。

数控机床的控制面板上一般备有主轴转速的修调开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。

进给速度Vf。

应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料选择。

Vf的增加也可以提高生产率。

加工表面粗糙度要求低时，Vf可选择大些。

在加工过程中，Vf也可以通过机床控制版面上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能的等的限制。

随着机床在生产实际中的广泛运用，数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。

在数控程序的编制过程中，要在实际情况下进行。

三、总结及展望

综上所述，数控铣床的刀具选择与生产效率与生产质量密切相关，它的选择要根据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。

数控铣床切削量的控制关系到被加工工件的工艺及经济效益，所以适合的切削量选择要在综合条件下进行选择，如加工成本，原材料性能等。

数控铣床当前在机械加工尤其是模具制造加工业应用极其广泛，因为它不仅可以加工平面还可以加工三维立体工件，是很多企业正在广泛应用的加工机床。

数控加工是现代机械行业的基础，在世界工厂正向中国转移的时刻愿中国的数控领域更快的发展取得巨大突破，为机械行业乃至中国的制造业做出新的贡献。

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