数控加工刀具的选择及切削用量的确定.doc

1、西安机电信息技术学院毕业设计 （论文）数控加工刀具的选择及切削用量的确定学 生 姓 名： 学 号： 专 业 班 级： 指 导 教 师： 摘 要在数控机床加工中，数控刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。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，随着数控机床在生产实际中的广

2、泛应用，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，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。关键词：刀具；切削用量；数控加工。目 录摘 要I引 言31.数控车

3、床刀具的选择及切削用量的确定21.1 数控车床类刀具知识21.1.1 刀具材料性能21.1.2 常用刀具材料31.1.3 如何选择车床刀具41.2 数控车床切削用量的选择及其如何确定52 数控铣加工中的刀具和切削用量合理选择82.1 刀具的选择82.1.1一般应遵循以下原则：92.2数控铣床切削用量的选择92.2.1如何选择切削用量92.2.2 切削用量的选择原则103 CNC加工中心刀具的选择与切削用量的确定133.1数控加工刀具的选择133.2 数控加工切削用量的确定144 图样设计（4-1）及程序编程16结 论18致 谢19参 考 文 献20引 言刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺

4、中的重要内容，不仅影响数控机床的加工效率，而且影响工件加工质量。随着CADCAM软件技术的发展，使得数控加工中直接利用CAD或PRO/E软件设计的数据成为可能，特别是微机与数控机床的联接，使得设计、工艺规划、编程的整个过程全在计算机上完成。例如选择刀具、确定加工路线、设定切削用量等，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成CNC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，一般不需要输出专门的工艺文件。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

5、用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点，能够正确选择刀刃具及切削用量。铣床的出口量下降比较严重，部分产品出口转内销，进一步加剧了国内市场竞争。而对于产品档次比较高的企业来说，受到的冲击就不是很明显，特别是高精尖的高档机床依旧是供不应求。这些都在说明，国内机床市场转型已迫在眉睫。- 25 -1. 数控车床刀具的选择及切削用量的确定1.1 数控车床类刀具知识1.1.1 刀具材料性能刀具材料性能 刀具材料不仅是影响刀具切削性能的重要因素，而且它对刀具耐用度、切削用量、生产率、加工成本等有着重要的影响。因此，在机械加工过程中，不数控车床但要熟悉各种刀具材料的种类、性能和用途，还必须能根据不

6、同的工件和加工条件，对刀具材料进行合理的选择。 切削时，刀具在承受较大压力的同时，还与切屑、工件产生剧烈的摩擦，由此而产生较高的切削温度；在加工余量不均匀和切削断续表面时，加工中心刀具还将受到冲击，产生振动。为此，刀具切削部分的材料应具备下列基本性能。(1) 刀具材料性能 刀具材料不仅是影响刀具切削性能的重要因素，而且它对刀具耐用度、切削用量、生产率、加工成本等有着重要的影响。因此，在机械加工过程中，不但要熟悉各种刀具材料的种类、性能和用途，还必须能根据不同的工件和加工条件，对刀具材料进行合理的选择。(2) 大压力的同时，还与切屑、工件产生剧烈的摩擦，由此而产生较高的切削温度；在加工余量不均匀

7、和切削断续表面时，刀具还将受到冲击，产生振动。为此，刀具切削部分的材料应具备下列基本性能。硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须大于工件材料的硬度，一般情况下，要求其常温硬度在60HRC以上。通常，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好，刀具切削部分抗磨损的能力也就越强。耐磨性还取决于材料的化学成分、显微组织。刀具材料组织中硬质点的硬度越高，数量越多，晶粒越细，分布越均匀，则耐磨性越好。此外，刀具材料对工件材料的抗黏附能力越强，耐磨性也越好。强度和韧性。由于切削力、冲击和振动等作用，数控车床刀具材料必须具有足够的抗弯强度和冲击韧性，以避免刀具材料在切削过程中产生断裂和崩刃。耐热性与化学稳定性。耐热性是指刀

8、具材料在高温下保持其硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。耐热性越好，则允许的切削速度越高，同时抵抗切削刃塑性变形的能力也越强。化学稳定性是指刀具材料在高温下不易和工件材料、周围介质发生化学反应的能力。化学稳定性越好，刀具的磨损越慢。除此之外，刀具材料还应具有良好的工艺性和经济性。如工具钢淬火变形要小加工中心，脱碳层要浅及淬透性要好；热轧成形刀具应具有较好的高温塑性等。1.1.2 常用刀具材料1 高速钢 高速钢是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，有较高的热稳定性，切削温度达500650C时仍能进行切削，有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性。其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造

9、，这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、数控车床拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。高速钢的品种繁多；按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢；按化学成分可分为钨系、钨钼系和钼系高速钢；按制造工艺不同，分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。普通高速钢。国内外使用最多的普通高速钢是W6M05Cr4V2(M2钼系)及W18Cr4V(W18钨系)钢，含碳量为0?09，硬度6366HRC，不适于高速和硬材料切削。新牌号的普通高速钢W6M03Cr4V(W9)是根据我国资源情况研制的含钨量较多、含钼量较少的钨钼钢。其硬度为65665HRC，有较好硬度和韧性的配合，热塑性、热稳定性都较好，焊

10、接性能、磨削加工性能都较高，磨削效率比M2高20，表面粗糙度值也小。高性能高速钢指在普通高速钢中加入一些合金，如Co、A1等，使其耐热性、耐磨性又有进一步提高，热稳定性高。但综合性能不如普通高速钢，数控车床不同牌号只有在各自规定的切削条件下，加工中心才能达到良好的加工效果。我国正努力提高高性能高速钢的应用水平，如发展低钴高碳钢W12M03Cr4V3CoSSi、含铝的超硬高速钢W6MoSCr4V2A!、W10M04Cr4V3A1，提高韧性、热塑性、导热性，其硬度达6769HRC，可用于制造出口钻头、铰刀、铣刀等。粉末冶金高速钢。可以避免熔炼法炼钢时产生的碳化物偏析。其强度、韧性比熔炼钢有很大提高

11、。可用于加工超高强度钢、不锈钢、钛合金等难加工材料。用于制造大型拉刀和齿轮刀具，特别制造是切削时受冲击载荷的刀具效果更好。2 硬质合金硬质合金是由高硬度、高熔点的金属碳化物(如WC、TiC等)粉末，以钴(C。)为黏结剂，用粉末冶金方法制成的。硬质合金的硬度、耐磨性、数控车床耐热性都很高，硬度可达8993HRA，在8001000C还能承担切削，耐用度较高速钢高十几倍，允许采用的切削速度达100300mmiD_，甚至更高，约为高速钢刀具的410倍，并能切削一般工具钢刀具不能切削的材料(如淬火钢、玻璃、大理石等)。但其抗弯强度较高速钢低，仅为0915GPa；冲击韧度差，切削时不能承受大的振动和冲击负

12、荷。 硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料，如车刀、加工中心端铣刀以至深孔钻等。它制成各种形式的刀片，然后用机械夹紧或用钎焊方式固定在刀具的切削部位上。常用的硬质合金牌号按其金属碳化物的不同分为三类：钨钴类(国家标准代号为YG，数控车床ISO标准代号为K)；钨钛钴类(国家标准代号为YT，IS()标准代号为P)；钨钛钽(铌)类(国家标准代号为YW，ISO标准代号为M)。常用硬质合金刀片牌号性能及用途，按不同加工对象所排出的切屑形状又可分为：P类适于加工长切屑的黑色金属(钢)，以蓝色为标志；M类适于加工长切屑或短切屑的黑色金属和有色金属，以黄色为标志；K类适于加工短切屑的黑色金属(铸铁)、有

13、数控车床金属及非金属材料，以红色为标志。3 其他刀具材料a 涂层刀具：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体或高速钢刀具基体上，加工中心涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN等。b 陶瓷：陶瓷分纯A1：()，陶瓷及A12()：TiC混合陶瓷两种，它们有很高的硬度(9195HRA)和耐磨性；有很高的耐热性，在1200C以上还能进行切削；切削速度比硬质合金高25倍；但其脆性大，抗弯强度低，冲击韧度差，易崩刃，使其使用范围受到限制。c 金刚石：金刚石与立方氮化硼称为超硬刀具。金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的物质，显微硬度可达10000HV。d 立方氮化硼。立数控车

14、床方氮化硼(CBN)是由六方氮化硼(白石墨)在高温高压下转化而成的，是20世纪?o年代发展起来的新型刀具材料。其主要优点如下：有很高的硬度(80009000HV)及耐磨性，仅次于金刚石；加工中心有比金刚石高得多的热稳定性，1400C时不发生氧化，与大多数金属、铁系材料都不起化学作用，因此能高速切削高硬度的钢铁材料及耐热合金，刀具的黏结与扩散磨损较小；有较好的导热性，与钢的摩擦因数较小；抗弯强度与断裂韧性介于陶瓷与硬质合金之间。1.1.3 如何选择车床刀具1 数控车床用的机床车刀一般分为3类：即尖形车刀、圆形车刀和成型车刀。尖形刀具指车刀由直线形切刃为特征的车刀，圆形车刀指构成主切削形状为一个圆

15、度误差或线轮廓误差很小的圆弧的车刀，成型车刀是指切削刃形状与加工零件的轮廓一致的车刀。2 机床主轴转速的确定机床切削加工时机床主轴转速应根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度选择切削速度可用经验公式计算，也可参考有关机床切削用量手册选取。数控车床加工螺纹，因其传动链的改变，原则上其转速只要能保证主轴每转一周时，刀具沿主进给轴(多为z轴)方向位移一个螺距即可大多数经济型数控车床数控系统推荐车螺纹时主轴转速如下：n1200PK 1-1）式中：P为被加工螺纹螺距(mm)；A为保险系数一般为80。3 进给速度v的确定进给速度的大小直接影响表粗糙度的值和车削效率，因此机床进给速度的确定应在保证表 面

16、质量的前提下，选择较高的进给速度。一般根据零件的表面粗糙度、刀具及工件材料等因 素，查阅切印用量手册选取。1.2 数控车床切削用量的选择及其如何确定一 数控车床切削用量的选择切削用量(ap、f、v)选择是否合理，对于能否充分发挥机床潜力与刀具切削性能，实现优质、高产、低成本和安全操作具有很重要的作用。这里主要针对车削用量的选择原则进行论述：1 粗车时，首先考虑选择一个尽可能大的背吃刀量ap，其次选择一个较大的进给量f ，最后确定一个合适的切削速度v。增大背吃刀量ap 可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑，因此根据以上原则选择粗车切削用量对于提高生产效率，减少刀具消耗，降低加工成本是有利的。

17、 2 精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀，因此选择精车切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。因此精车时应选用较小（但不太小）的背吃刀量ap和进给量f，并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度v。a 背吃刀量ap的确定 ：在工艺系统刚度和机床功率允许的情况下，尽可能选取较大的背吃刀量，以减少进给次数。当零件精度要求较高时，则应考虑留出精车余量，其所留的精车余量一般比普通车削时所留余量小，常取0.10.5。 b 进给量f（有些数控机床用进给速度Vf） ：进给量f的选取应该与背吃刀量和主轴转速相（有些数控机床用进给速度Vf

18、） 进给量f的选取应该与背吃刀量和主轴转速相适应。在保证工件加工质量的前提下，可以选择较高的进给速度（2000/min以下）。在切断、车削深孔或精车时，应选择较低的进给速度。当刀具空行程特别是远距离“回零”时，可以设定尽量高的进给速度。 粗车时，一般取f=0.30.8/r，精车时常取f=0.10.3/r，切断时f=0.050.2/r。 c 主轴转速的确定 ：（1）光车外圆时主轴转速 光车外圆时主轴转速应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具材料以及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。 切削速度除了计算和查表选取外，还可以根据实践经验确定。需要注意的是，交流变频调速的数控车床低速输出力矩小

19、，因而切削速度不能太低。 切削速度确定后，用公式n =1000 vc/d计算主轴转速n（r/min）。如何确定加工时的切削速度，除了可参考表1-1图列出的数值外，主要根据实践经验进行确定。 表1-1硬质合金外圆车刀切削速度的参考值：工件材料热处理状态ap/(0.3,2)(2,6)（6,10）f/（ .r-1）(0.08,0.3)(0.3,0.6)（0.6,1）vc（m.min-1）低碳钢、易切钢热轧140-180100-12070-90中碳钢热轧130-16090-11060-80调质100-13070-9050-70合金结构钢热轧100-13070-9050-70调质80-11050-704

20、0-60工具钢退火90-12060-8050-70灰铸铁HBS19090-12060-8050-70HBS=190-22580-11050-7040-60高锰钢10-20铜及铜合金200-250120-18090-120铝及铝合金300-600200-400150-200铸铝合金（wsi13%）100-18080-15080-150注：切削钢及灰铸铁时刀具耐用度约为60min。 二 车螺纹时主轴的转速 在车削螺纹时，车床的主轴转速将受到螺纹的螺距P（或导程）大小、驱动电机的升降频特性，以及螺纹插补运算速度等多种因素影响，故对于不同的数控系统，推荐不同的主轴转速选择范围。大多数经济型数控车床推荐

21、车螺纹时的主轴转速n(r/min)为： n （1200/P）k 1-2）式中 P被加工螺纹螺距，； k保险系数，一般取为80。 此外，在安排粗、精车削用量时，应注意机床说明书给定的允许切削用量范围，对于主轴采用交流变频调速的数控车床，由于主轴在低转速时扭矩降低，尤其应注意此时的切削用量选择。2 数控铣加工中的刀具和切削用量合理选择2.1 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。

22、 数控铣刀具的分类有多种方法，根据刀具结构可分为：整体式；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；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：高速钢刀具；硬质合金刀具；金刚石刀具；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

23、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。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

24、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。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

25、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）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/D5（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

26、；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。2.1.1一般应遵循以下原则：尽量减少刀具数量；一把刀具装夹后，应完成其所能进行的所有加工部位；粗精加工的刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格的刀具；先铣后钻；先进行曲面精加工，后进行二维轮廓精加工；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

27、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。2.2数控铣床切削用量的选择 2.2.1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：1 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

28、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。2 刀具 刀具材料是影响切削用量的重要因素。表1是常用刀具材料的性能比较。 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。表2.1 常用刀具材料的性能比较刀具材料切削速度耐磨性硬度硬度随温度变化高速钢最低最差最低最大硬质合金低差低大陶瓷刀片中中中中金刚石高好高小3 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

29、，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。4 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。2.2.2 切削用量的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

30、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。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：当工件表面粗糙度值要求为Ra=12.525m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。当工件表面粗糙度值要求为Ra=3.212.5m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0.51.0余量，在半精铣时切除。当工件表面粗糙度值要求为Ra=0.83.2m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1.52；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.30.5 ，面铣刀背吃刀量取