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合理选择数控铣加工中的刀具和切削用量
摘要: 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,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 种类 要求 选择 切削用量
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,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。本文对数控编程中必须面对的刀具选择和切削用量确定问题进行了探讨,给出了若干原则和建议,并对应该注意的问题进行了讨论。
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。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/D≤5(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;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,必须引起注意的是,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意的加工质量的前提。
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。
(1)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。其中原因是fz、ap、ae、 Z增大时,使同时工作齿数增多,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。如果加大铣刀直径则可以改善散热条件,相应提高切削速度。下表列出了铣削切削速度的参考值。
铣削时的切削速度参考表
工件材料 硬度(HBS) 切削速度Vc(m/min)
钢 <225 18~42 66~150
225~325 12~36 54~120
325~425 6~21 36~75
铸铁 <190 21~36 66~150
190~260 9~18 4590
260~320 4.5~10 21~30
(2)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。
(3)背吃刀量(或侧吃刀量)的确定 在保证加工表面质量加工质量的前提下,背吃刀量(ap)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Ra0.8~3.2μm,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15~2mm,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程序,加工出高质量的模具零件。
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