基于数控加工的刀具及切削参数选用原则

沈阳第一机床厂 李欣 杨祥东

随着数控机床行业的快速发展，金属切削加工的条件复杂多变，所需刀具的种类繁多。在刀具选取过程中，我们需要根据加工设备、加工种类、工件材料、工件结构、加工精度、工艺要求等方面来确定刀具种类、材料、几何角度等一系列刀具参数。此外，在实际加工过程中，也要根据机床、工件、切削液等加工情况综合考虑背吃刀量、切削速度和进给量等切削参数。

一、刀具材料的选择

刀具材料的切削性能关系到刀具的耐用度和生产效率。如刀具材料的红硬性越高，则刀具耐用度就越大。但是在冲击切削、重型切削和难加工材料的切削时，影响刀具耐用度的主要因素为冲击韧性和抗弯强度。除此之外，刀具材料的工艺性还影响着刀具本身的制造和刃磨质量，合理的选择刀具材料，既可以保证产品质量又可以降低刀具成本。一般应采用如下原则[1]。

（1）普通材料工件加工时，一般选用普通高速钢和硬质合金；加工难加工材料时可选用高性能和新型材料牌号。只有在加工高硬度材料或精密加工中常规刀具材料不能满足加工精度要求时，才考虑用CBN（立方氮化硼）和PCD（聚晶金刚石）刀片。

（2）任何刀具材料在强度、韧性和硬度、耐磨性之间总是难以完全兼顾的，在选取刀具材料牌号时，可根据工件材料切削加工性和加工条件，通常先考虑耐磨性，崩刃问题尽可能用刀具合理的几何参数解决。如果因刀具材料脆性太大造成崩刃，才考虑降低耐磨性的要求，选用强度和韧性较好的牌号。一般情况下，低速切削时，切削过程不平稳，容易产生崩刃现象，宜选用强度和韧性好的刀具材料牌号；高速切削时，切削温度对数控刀具材料的磨损影响最大，应选择耐磨性好的刀具材料牌号。

二、刀具几何参数的选择

刀具几何角度是刀具几何参数的重要组成部分，它直接影响着切削过程中切削力的大小、切削温度和切削功率，影响刀刃和刀头的强度、散热体积，以及切削刃和后刀面的磨损，影响刃形及切削图形，影响切屑的流出方向和切削刃的锋利程度，以及切入切出时的平稳性。不同切削条件下，最适宜的刀具几何角度就会不同。

以前角为例，选择前角时首先应保证切削刃锋利，同时又要兼顾足够的切削刃强度。在保证加工质量的前提下，一般以达到最高的刀具寿命为目的。切削刃强度是否足够，是个相对的概念，它与被加工材料和刀具材料的力学物理性能，以及加工条件有着密切的关系。因此，前角的合理选取有如下原则[2]。

（1）加工塑性材料取较大前角；加工脆性材料取较小前角。

（2）粗加工时取较小的前角甚至负前角，精加工时应取较大的前角。

（3）当工件材料的强度和硬度低时，可取较大前角；当工件材料的强度和硬度高时，可以取较小的前角。

（4）当刀具材料的抗弯强度和冲击韧性较低时，取较小的前角；高速钢刀具的合理前角比硬质合金刀具的大，陶瓷刀具的合理前角比硬质合金刀具的要小。

（5）工艺系统刚性差和机床功率小时，宜选取较大的前角，以减小切削力和振动。

（6）数控机床、自动线上用的刀具，为保证刀具工作的稳定性，一般选用较小的前角。

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三、刀具结构形式的选择

刀具结构是组成刀具的基本因素之一，与刀具类型相对应，刀具的结构形式分为整体式、焊接式、机夹式等。不同的加工方法所对应的刀具结构形式是不同的。相同的加工方法，由于加工要求的不同也需选用不同的刀具结构，即使相同的加工方法、相同的加工条件也可以选用不同的刀具结构。刀具结构良好，不仅能满足一般的加工要求，防止加工过程的振动，降低切削力，还有助于提高刀具耐用度，加快换刀速度，从而提高加工效率。

在数控加工中一般选用可转位刀具。转位刀具是使用可转位刀片的机夹刀具。机夹可转位刀具是将压制有合理的几何参数、断屑槽形、装夹孔和具有数个切削刃的多边形刀片，用夹紧元件、刀垫，以机械夹固方法，将刀片夹紧在刀体上。可转位铣刀就是利用可转位刀片组合而制成的各种铣刀。刀片直接夹固在铣刀刀体上，如果在加工中一个切削刃磨钝后，可直接在机床上转换切削刃或更换刀片，而不必拆卸铣刀刀体。可转位铣刀的尺寸和精度，不会因为更换刀片而变化，刀体可多次使用。可转位刀具的这一特点对于自动化机床极为重要，因此可以节约许多辅助时间，并提高加工质量，降低刀具费用。可转位刀具技术的广泛使用，是现代化切削加工发展的方向。

四、刀具切削用量的选择

切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量和加工成本均有显著的影响。数控加工中选择切削用量时，就是在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。

自动换刀数控机床往往在主轴或刀库上装刀所费时间较长，所以选择切削用量要保证刀具加工完一个零件，或保证刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于半个工作班。对易损刀具可采用姊妹刀形式，以保证加工的连续性[3]。

粗、精加工时切削用量的选择原则如下：

（1）粗加工时切削用量的选择，首先选取尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。

（2）精加工时切削用量的限制，首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能地选取较高的切削速度。

应用以上选用原则，在背吃刀量的选取上，根据加工余量确定， 粗加工（Ra＝10～80μm） 时， 一次进给量尽可能切除全部余量。在中等功率机床上， 背吃刀量可达8～10mm。半精加工（Ra＝1.25～10μm） 时， 背吃刀量取为0.5～2mm。 精加工（Ra＝0.32～1.25μm） 时，背吃刀量一般取为0.2～0.4mm。

在切削速度的选择方面，根据已经选定的背吃刀量、进给量等，用经验公式计算，也可根据生产实践经验在机床说明书允许的切削速度范围内查表选取或者参考有关切削用量手册选用[4]。

五、刀具切削液的选择

在金属切削过程中，合理选择切削液，可以改善工件与刀具之间的摩擦状况，降低切削力和切削温度，减轻刀具磨损，减小工件的热变形，从而可以提高刀具耐用度，提高加工效率和加工质量。其选用原则如下：

（1）粗加工时，加工余量大，所用切削用量大，产生大量的切削热。采用高速钢刀具切削时，使用切削液的主要目的是降低切削温度，减少刀具磨损。硬质合金刀具耐热性好，一般不用切削液，必要时可采用低浓度乳化液或水溶液，但必须连续、充分地浇注，以免处于高温状态的硬质合金刀片产生巨大的内应力而出现裂纹。

（2）精加工时，要求表面粗糙度值较小，一般选用润滑性能较好的切削液，如高浓度的乳化液或含极压添加剂的切削油。

（3）根据工件材料的性质选用切削液。切削塑性材料用切削液，切削铸铁、黄铜等脆性材料时，一般不用切削液，以免崩碎切屑黏附在机床的运动部件上。加工高强度钢、高温合金等难加工材料时，由于切削加工处于极压润滑摩擦状态，故应选用含极压添加剂的切削液。切削有色金属和铜、铝合金时，为了得到较高的表面质量和精度，可采用10%～20%乳化液、煤油或者煤油与矿物油的混合物。但不能用含硫的切削液，因为硫对有色金属有腐蚀作用。切削镁合金时，不能有水溶液，以免燃烧。

六、结束语

在实际生产过程中，运用本文所提出的选用原则，合理选择数控加工的刀具材料、刀具几何参数、刀具结构形式、切削用量和切削液，可以充分发挥数控机床的优点，保证工件的加工质量和生产效率。

[1]深圳三工数控工具有限公司.刀具材料选用的基本原则 [EB/OL].(2011-08-04) [2011-08-25].http://foree.cn.gongchang.com/news/382950.html.

[2]吴明友.数控加工技术 [M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]秦云.数控车削中切削用量的选择 [J].科技资讯，2009， （15）： 119.

[4]张在新.浅谈数控机床刀具的分类特点及选择 [J].硅谷，2009， （13）： 129.