数控刀具的选择方法优化

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：数控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、切削用量以及其他相关因素正确选用刀具及刀柄。所以说数控刀具刀柄的选择是要讲究方法的。

1.数控刀具的选择

数控机床刀具的选择和确定是数控加工中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。它与普通机床相比，对刀具提出了更高的要求，这体现在要求精度高、刚性好、装夹调整方便、切削性能强、寿命长等方面。数控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、切削用量以及其他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、寿命长和精度高。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。

选择刀片或刀具时应考虑的因素是多方面的。随着机床种类、型号的不同，生产经验和习惯的不同以及其他种种因素而得到的效果是不相同的，归纳起来应该考虑到以下几个方面。

（1）刀片形状的选择加工的零件形状是选择刀片形状的第一依据。刀片安装在刀柄上，刀具主、副切削刃不得与工件的已加工表面或待加工表面发生干涉。

刀具形状与切削区的刀尖角的大小有直接关系，因此刀片形状直接影响刀尖强度，刀尖角越大，刀尖强度越高。按刀尖角大小顺序排为：R、O、H、P、S、L、M、A、B、W、C、E、T、K、D、V。另外，刀尖角越大，车削中对工件的径向分力越大，越易引起切削振动，故精加工时宜采用较小的刀尖角型号。

在保证刀具强度、工件精度的前提下，可选用切削刃较多的W型、T型刀片。

此外，某些刀片形状的使用范围有其专用性。如D型、V型车削刀片一般只在仿形车削时才使用。R型刀片在仿形、车削盘类零件（车轮）、曲面加工时采用。

（2）刀片主切削刃后角的选择当刀片后角选N型0°时，刀片可正反使用，这样可以降低刀片成本。此时刀柄上的刀片安装面不是水平的，当刀片与刀体组合后，刀具形成正的后角，只是刃倾角为负。由于数控机夹刀片一般都有断屑槽，故前角也为正值。因此N型刀片被较多选用，选用时注意考虑槽形。另外，由于该型刀具的刃倾角为负，在进行曲面加工时，刀具上切削点位置不同，且不在同一中心高上，故在进行较大的精密曲面加工时会造成误差。

主切削刃后角型号一般选择原则如下。

1）可转位车削用刀片后角的选择。凡重负荷粗加工，刀片一律选用N型0°后角刀片；带断屑槽的N型刀片分别可选用为精加工、半精加工、粗加工；B、C、P型选用为精加工、半精加工；铝及非金属材料车削刀片，宜选用E型。

2）孔加工用刀片后角的选用。一般镗孔刀片，选用C、P型，对大尺寸孔可选用N型；钻孔用的刀片，选用C、P型。

3）可转位铣削用刀片后角的选用。

面铣刀用刀片：强冲击切削用N型，一般铣削用P、D型，不锈钢类难加工材料宜选用E、D型，铝及非金属材料选用F型。

立铣用刀片：常用D、P型，有色金属用E型，立装刀片用N型。

三面刃铣刀：常用P型，立装刀片用N型。

（3）刀片精度的选择选用G级精度的车刀片的主要原因是为了获得精磨的锋利刃口，比如为了减轻振动而降低切削力；非铁金属材料的精加工、半精加工宜选用G级精度刀片；精加工至重负荷粗加工，除上述两特例外都可选用M级刀片。

（4）可转位刀片的固定形式的选择对刀片固定形式的选择，实际是对刀具的装夹结构的选择。当刀柄确定后，刀片的固定形式就已经确定了。就一般情况而言：外圆车刀选M、P、C型较多；面铣刀选S、C型较多；立装刀片原则上选用沉孔固定形式；排屑空间受限制的加工环境，如中小尺寸的内孔镗削刀具、浅孔钻、深孔钻，宜选用S型固定形式。

（5）刀片切削刃长平装可转位刀片所使用的切削刃有效长度不应超过切削刃长度的2/3，立装刀片特别是铣刀片可以大一点。

（6）刀片厚度的说明刀片厚度在前面的代码选定后，即已确定，没有选择的自由。

（7）刀尖圆弧半径及修光刃代码

1）半径选用的关键因素。包括粗加工时的强度和精加工时的表面质量。

2）刀尖半径选择原则。选择尽可能大的刀尖圆弧，以获得坚固的切削刃，大刀尖半径时允许使用高进给量；如果有振动倾向，选择小的刀尖半径；孔加工时为减小振动倾向，刀尖圆弧半径应选择小一点。

3）刀尖半径与进给速度。通常f值不超过r/2。

4）刀尖半径与最小切削深度。对于钢、铸铁、铝合金的车镗加工，通常a_p不小于r/3。

5）刀尖半径与断屑可靠性。从断屑可靠性考虑，通常对于小余量、小进给量的车削加

工，刀片宜采用较小的刀尖圆弧半径，反之采用较大的刀尖圆弧半径。

6）刀尖圆弧半径对零件加工表面粗糙度的影响。刀尖圆弧半径、进给速度是影响表面粗糙度的两个因素，其三者之间的关系见表1-15（铸铁加工例外）。

（8）刀片切削刃截面形状代码切削有色金属、非金属材料大多采用F型刃口刀具，小余量精加工尤其是小尺寸内孔精镗也采用F型刃口刀具；涂层刀片基本是E型刃口；陶瓷刀片通常采用T型刃口，可转位铣刀片，凡平装刀片多采用T型刃口；涂层铣刀片通常采用S型刃口。

表1-15 刀尖圆弧半径、进给速度与表面粗糙度的关系

（9）断屑槽型代码在数控加工中，断屑、排屑非常重要，断屑槽型国家标准中推荐23种，新开发出的更多，具体选用请参照标准及刀具厂家的刀具选择手册。

2.数控刀具刀柄的选择及注意事项

（1）数控刀具刀柄的选择方法刀柄的选择直接影响了机床性能的发挥，影响整个的加工效率。如果刀柄过少，使得机床无法实现某些操作；选择刀柄的数量过多又会影响投资。所以说数控刀具刀柄的选择是要讲究方法的。

1）根据机床上典型零件的加工工艺来选择。数控机床上使用的钻、扩、铰、镗及铣削、攻螺纹等各种用途的刀柄，其规格数将达到数百种之多。而用户所购买的只是某台具体的机床，用户就只能根据要在这台机床上加工的典型零件的加工工艺来进行选择了。这样既能够满足基本的加工需要，又不会造成积压，是有效经济的选择方法。

2）根据刀柄匹配数量。刀柄匹配数量与机床所要加工的零件品种、规格及数量有关，也同样与复杂程度、机床的负荷有关，一般为所需刀柄数量的2～3倍。因为要考虑到机床工作的同时，还有一定数量的刀柄正在被预调或者修整。只有在机床负荷不足时，才为2倍或者不到2倍。加工中心刀库只用来装载正在加工工件所需的刀柄。零件的复杂程度与刀库容量有关，因此配置数量也大约为刀库容量的2～3倍才能满足一般的自动加工要求。

3）根据刀柄的柄部形状是否正确来进行选择。根据换刀的需要，镗铣类数控机床及其加工中心的主轴孔多选为不自锁的7∶24的锥度，但是刀柄与机床相配的柄部并没有完全统一。有的柄部在7∶24锥度的小端带有圆柱头，而另一些就没有，这明显是不符合国际标准的。对于自动换刀机床用工具柄部，应当确定选用的机床应配用符合哪个标准的工具柄部。要求选择的刀柄要与机床主轴孔的规格（30号、40号还是45号）相一致。并且刀柄的抓紧部位要能适应机械手的形态位置要求，拉钉的形状、尺寸要与主轴的拉紧机构相互匹配。

4）应当尽量选择加工效率高的刀柄和刀具。希望能够最大限度地发挥数控机床的加工能力，应当尽量选择加工效率高的刀柄和刀具。譬如，粗镗孔时选用双刃镗刀刀柄来代替单刃镗刀刀柄，在提高加工效率的同时还能减少振动。加工时选择强力弹簧夹头不但可以夹持直柄刀具，而且可以通过接杆夹持带孔刀具。

5）选用模块式刀柄和复合式刀柄要综合考虑。采用模块式刀柄必须配一个柄部、一个接杆和一个镗刀头部。当刀库容量大、更换刀具频繁时，可以考虑使用模块式刀柄。如果要长期反复使用，不需要反复拼装的话，就可以使用普通刀柄。而对于加工批量大又要进行反复生产的典型零件时，为了减少加工时间和换刀次数，就可以考虑采用专门设计的复合式刀柄。尽管复合式刀柄的价格贵一些，但是采用了一把复合式刀柄后，可以大大地节省工时。而且一般来说数控机床的主轴功率很大，机床的刚性较好，能够承受较大的切削力。采用多刀多刃强力切削，可以充分发挥机床的性能，提高生产率，缩短生产周期。为了有效地减少设计和加工的工作量，在设计专用的复合刀柄时，应当尽量采取标准化的刀具模块。

此外，在选用特殊刀柄时，把增速头刀柄用于小孔加工，则其转速比主轴转速提高了好几倍。多轴加工动力头刀柄用于同时加工多个小孔。万能铣头刀柄可以改变刀具与主轴轴线的夹角，灵活运用可以扩大应用范围。内冷却刀柄切削液通过刀柄，然后经过刃具内通孔，直接在切削区域冲击，可以得到很好的冷却效果，适用于深孔加工。高速磨头刀柄适于在加工中心磨削淬火加工面或者抛光模具面等。特殊刀柄的选用必须考虑对机床主轴端面安装位置的要求，并结合实际情况加以判断。

（2）选择数控刀具刀柄应注意的问题

1）标准刀柄与机床主轴连接的结合面是7∶24锥面。刀柄有多种规格，常用的有ISO标准的40号、45号、50号，个别的还有35号和30号。另外还必须考虑换刀机械手夹持尺寸的要求和主轴上拉紧刀柄的拉钉尺寸要求。目前国内机床上使用的刀柄规格很多，而且使用标准有美国的、德国的、日本的。因此，在选定机床后、选择刀柄之前必须了解该机床主轴用的刀柄规格和机械手夹持尺寸及刀柄的拉钉尺寸。

2）在TSG工具系统中有相当部分产品是不带刀具的，这些刀柄相当于过渡的连接杆。它们必须再配置相应的刀具（如立铣刀、钻头、镗刀头和丝锥等）和附件（如钻夹头、弹簧夹头和丝锥夹头等）。

3）全套TSG系统刀柄有数百种，用户只能根据典型工件的工艺所需的工序及其工艺卡片来填制所需的刀具卡片，见表1-16。用户根据各种典型刀具卡片，可以确定需配刀柄、刀具及附件等的数量。

表1-16 刀具卡片

4）选用模块式刀柄和复合式刀柄要综合考虑，选用模块式刀柄时，必须按一个小的工具系统来考虑才有意义。与非模块式刀柄相比，使用单个普通刀柄肯定是不经济的。对一些长期反复使用且不需要拼装的简单刀柄，如钻夹头刀柄等，配置普通刀柄较经济。对一些批量较大，而年产几千件到上万件，又反复生产的典型工件，应尽可能考虑选用复合式刀柄。尽管复合式刀柄价格要贵得多，但在加工中心上采用复合式刀柄加工，可把多道工序变成一道工序，由一把刀具完成，大大减少了机加工时间。加工一批工件只要能减少几十小时工时，就可以考虑采用复合式刀柄。一般数控机床的立轴电动机功率较大，机床刚性好，能够承受多刀多刃强力切削，采用复合式刀柄可以充分发挥数控机床的切削性能，提高生产率。

3.刀具材料与常用切削速度

高速钢车刀：20～30m/min（车削260HBW普通钢材）。

硬质合金：70～90m/min（车削260HBW普通钢材）。

TiN涂层硬质合金：100～120m/min（车削260HBW普通钢材）。

氧化铝涂层硬质合金：200～400m/min（车削260HBW普通钢材）。

金属陶瓷：200～350m/min（车削260HBW奥氏体不锈钢）。

陶瓷刀片：200～400m/min（车削300HBW灰铸铁）。

立方氮化硼刀片：400～800m/min（车削灰铸铁和淬硬钢及耐热合金）。

金刚石刀片：1000～3000m/min（车削铝合金）。