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CNC數(shù)控加工中心刀具的選擇與切削用量的確定


日期:2009年07月29 來源:本站原創(chuàng) 關(guān)鍵字:CNC
    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(jī)床的加工效率,而且直接影響加工質(zhì)量。CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展,使得在數(shù)控加工中直接利用CAD的設(shè)計數(shù)據(jù)成為可能,特別是微機(jī)與數(shù)控機(jī)床的聯(lián)接,使得設(shè)計、工藝規(guī)劃及編程的整個過程全部在計算機(jī)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(guān)問題,比如,刀具選擇、加工路徑規(guī)劃、切削用量設(shè)定等,編程人員只要設(shè)置了有關(guān)的參數(shù),就可以自動生成NC程序并傳輸至數(shù)控機(jī)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(jī)交互狀態(tài)下完成的,這與普通機(jī)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(jìn)行了探討,給出了若干原則和建議,并對應(yīng)該注意的問題進(jìn)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(yīng)數(shù)控機(jī)床高速、高效和自動化程度高的特點,一般應(yīng)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(jī)床動力頭上,因此已逐漸標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。數(shù)控刀具的分類有多種方法。根據(jù)刀具結(jié)構(gòu)可分為:整體式;鑲嵌式,采用焊接或機(jī)夾式連接,機(jī)夾式又可分為不轉(zhuǎn)位和可轉(zhuǎn)位兩種;特殊型式,如復(fù)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:高速鋼刀具;硬質(zhì)合金刀具;金剛石刀具;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:車削刀具,分外圓、內(nèi)孔、螺紋、切割刀具等多種;鉆削刀具,包括鉆頭、鉸刀、絲錐等;鏜削刀具;銑削刀具等。為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對刀具耐用、穩(wěn)定、易調(diào)、可換等的要求,近幾年機(jī)夾式可轉(zhuǎn)位刀具得到廣泛的應(yīng)用,在數(shù)量上達(dá)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(jī)床上所用的刀具相比,有許多不同的要求,主要有以下特點:
  剛性好(尤其是粗加工刀具),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(wěn)定、可靠;
  刀具的尺寸便于調(diào)整,以減少換刀調(diào)整時間;
  刀具應(yīng)能可靠地斷屑或卷屑,以利于切屑的排除;
  系列化,標(biāo)準(zhǔn)化,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(jī)交互狀態(tài)下進(jìn)行的。應(yīng)根據(jù)機(jī)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(guān)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(yīng)。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(yīng)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(jìn)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(yīng)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(guān)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(jìn)行選刀和換刀動作。因此必須采用標(biāo)準(zhǔn)刀柄,以便使鉆、鏜、擴(kuò)、銑削等工序用的標(biāo)準(zhǔn)刀具,迅速、準(zhǔn)確地裝到機(jī)床主軸或刀庫上去。編程人員應(yīng)了解機(jī)床上所用刀柄的結(jié)構(gòu)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(jì)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(jìn)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(yīng)遵循以下原則:盡量減少刀具數(shù)量;一把刀具裝夾后,應(yīng)完成其所能進(jìn)行的所有加工部位;粗精加工的刀具應(yīng)分開使用,即使是相同尺寸規(guī)格的刀具;先銑后鉆;先進(jìn)行曲面精加工,后進(jìn)行二維輪廓精加工;在可能的情況下,應(yīng)盡可能利用數(shù)控機(jī)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(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性和加工成本;半精加工和精加工時,應(yīng)在保證加工質(zhì)量的前提下,兼顧切削效率、經(jīng)濟(jì)性和加工成本。具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機(jī)床說明書、切削用量手冊,并結(jié)合經(jīng)驗而定。
  切削深度t。在機(jī)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(yīng)留一定的余量進(jìn)行精加工。數(shù)控機(jī)床的精加工余量可略小于普通機(jī)床。
  切削寬度L。一般L與刀具直徑d成正比,與切削深度成反比。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控加工中,一般L的取值范圍為:L=0.60.9d
  切削速度v。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(guān)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(guān)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。
  主軸轉(zhuǎn)速n(r/min)。主軸轉(zhuǎn)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(jī)床的控制面板上一般備有主軸轉(zhuǎn)速修調(diào)(倍率)開關(guān),可在加工過程中對主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行整倍數(shù)調(diào)整。
  進(jìn)給速度vF 。vF應(yīng)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(jī)床控制面板上的修調(diào)開關(guān)進(jìn)行人工調(diào)整,但是最大進(jìn)給速度要受到設(shè)備剛度和進(jìn)給系統(tǒng)性能等的限制。
  隨著數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)實際中的廣泛應(yīng)用,數(shù)控編程已經(jīng)成為數(shù)控加工中的關(guān)鍵問題之一。在數(shù)控程序的編制過程中,要在人機(jī)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(jī)床的優(yōu)點,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)水平。


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