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合理选择数控加工中的刀具和切削用量

来源:       时间:  2017-04-11 11:49
        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。 目前经常使用的软件,如Pro/ENGINEER、UG、Cimatron、MasterCAM等许多CAD/CAM软件都提供自动编程功能,这些软件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把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。
        一、刀具的选择
        1、数控铣加工常用刀具的种类
        数控铣加工刀具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。
        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,因此对刀具和刀具材料提出更高的要求。
        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,通用铣床碰到这种情况很轻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,碰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。
       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,以利于编程和刀具治理,等等这些是数控加工与普通机床加工对刀具的不同要求。
        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,被加工零件的几何外形是选择刀具类型的主要依据。
        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;
        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,必须引起注重的是,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足的加工质量的前提。
        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。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,最大限度地提高生产率,降低成本。
        切削速度的确定。铣削的切削速度与刀具的耐用度T、每齿进给量fz、背吃刀量ap、侧吃刀量ae以及铣刀齿数Z成反比,与铣刀直径d成正比。当fz、ap、ae、Z增大时,同时工作的齿数增多,刀刃负荷和切削热增加,加快刀具磨损,因此刀具耐用度限制了切削速度的提高。假如加大铣刀直径则可以改善散热条件,相应提高切削速度。
        进给速度的确定。进给速度F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。在轮廓加工中,在接近拐角处应适当降低进给量,以克服由于惯性或工艺系统变形在轮廓拐角处造成“超程”或“欠程”现象。确定进给速度的原则:1)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100~200mm/min范围内选取。2)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20~50mm/min范围内选取。3)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。4)刀具空行程时,特别是远距离“回零”时,可以选择该机床数控系统给定的最高进给速度。
        背吃刀量的确定。在保证加工表面质量加工质量的前提下,背吃刀量应据机床、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。工件表面粗糙度要求为Ra3.2~12.5μm,分粗铣和半精铣两步铣削加工,粗铣后留半精铣余量0.5~1.0mm;工件表面粗糙度要求为R0.8~3.2μm,可分粗铣、半精铣、精铣三步铣削加工,半精铣时端铣背吃刀量或圆周铣侧吃刀量取1.5~2mm,精铣时端铣背吃刀量取0.5~1mm,圆周铣侧吃刀量取0.3~0.5mm。 总之,零件数控编程具有很大的灵活性,只有正确理解以上工艺参数,在实践中不断进行总结,才能编制出高质量的加工工艺,加工出高质量的模具零件。

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