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。特別是微機與數(shù)控機床的聯(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上完成成為可能。

現(xiàn)在，許多CAD/ CAM軟件包括提供自動編程功能，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、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交互狀態(tài)下完成的，這與普通機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)行了分析。

一、數(shù)控加工常用刀具的種類及性能

數(shù)控加工刀具必須適應(yīng)數(shù)控機床高速、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。刀柄要聯(lián)接刀具并裝在機床動力頭上，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：①整體式；②鑲嵌式。根據(jù)制造刀具所用的材料可分為：①高速鋼 刃具；②硬質(zhì)合金刀具；③金剛石刀具；④陶瓷刃具等。從切削工藝上可分為：①銑削刀具；②鉆削刀具；③鏜削刀具；④車削刀具等。

刀具材料應(yīng)具備的性能：

（1）高硬度刀具材料的硬度應(yīng)高于工件的硬度

（2）足夠的韌性承受切削力、振動和沖擊；

（3）高耐磨性耐磨性是材料抵抗磨損的能力；

（4）高耐熱性刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強度和韌性的能力；

（5）良好的工藝性

二、數(shù)控加工刀具的選擇

刀具的選擇應(yīng)根據(jù)機床的加工能力、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，平面輪廓的加工，常采用立銑刀；銑削平面時，應(yīng)選鑲硬質(zhì)合金刀片面銑刀；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、錐形銑刀和梯形銑刀等。在進(jìn)行曲面加工時，應(yīng)選用球頭刀具，并且球頭刀具半徑應(yīng)小于曲面的曲率半徑。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密，而平頭刃具在表面加工質(zhì)量和切削效率方面都優(yōu)于球頭刀，因此，只要在保證精度的前提下，無論是曲面的粗加工還是精加工，都應(yīng)優(yōu)先選擇平。

在數(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：①盡量減少刀具數(shù)量；②一把刀具裝夾后，應(yīng)完成其所能進(jìn)行的所有加工部位；③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；④先面后孔；⑤先進(jìn)行曲面精加工，后進(jìn)行二維輪廓精加工；⑥在可能的情況下，應(yīng)盡可能利用數(shù)控機床的自動換刀功能，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。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)濟性和加工成本。具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機床性能、切削用量手冊，并結(jié)合經(jīng)驗面定。同時，使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進(jìn)給速度三者相互適應(yīng)，以形成切削用量。

（1）背吃刀量 在機床，工件和刀具的剛度允許的情況下，應(yīng)盡可能使背吃刀量等于加工余量，這樣可以減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。為了保證零件的加工精度和表面粗糙度，應(yīng)留少量精加工余量，一般留0.2 -0.5mm。

（2）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。數(shù)控加工中，一般L的取值范圍為：L= （0.6- 0.9）d。

（3）切削速度切削速度也是提高生產(chǎn)率的一個措施，但切削速度與刀具耐用度的關(guān)系比較密切。隨著切削速度的增大，刀具耐用度急劇下降，故切削速度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45鋼時，切削速度可采用26m/ mi左右：而用同樣的立銑刀銑削鋁合金時，切削速度可選129m/ mi以上。

（4）主軸轉(zhuǎn)速n（r/mi）主軸轉(zhuǎn)速一般根據(jù)切削速度來選定。計算公式為：n= 1000/ d，式中d為刀具直徑（mm）。數(shù)控機床的控制面板上一般配有主軸轉(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)行倍率調(diào)整。

（5）進(jìn)給速度F進(jìn)給速度應(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。

確定進(jìn)給速度的原則：

一、當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠保證時，為提高生產(chǎn)效率，可選擇較高的進(jìn)給速度。一般在100 - 200mm/ mi范圍內(nèi)選取。

第二、在刀斷、加工深孔或用高速鋼具加工時，宜選擇較低的進(jìn)給速度，一般在20- 50mm/ mi范圍內(nèi)選取。

第三、當(dāng)加工精度、表面粗糙度要求高時，進(jìn)給速度應(yīng)選小些，一般在20- 5Omm/ min范圍內(nèi)選取。

在數(shù)控加工過程中，進(jìn)給速度也可通過機床控制面板上的進(jìn)給倍率修調(diào)開關(guān)進(jìn)行人工調(diào)整，但是進(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)控機床的優(yōu)點。

PCD刀具加工有色金屬是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的，不同的鋁合金其加工效果也不盡相同。PCD刀具一般采用鋒利切削刃，在刀具使用初期出現(xiàn)表面質(zhì)量差的現(xiàn)象，隨著刀具使用時間的增加，其加工質(zhì)量越來越好，這是由于PCD刀具在切削過程中鋒利刃口的逐漸鈍化所致。在切削加工中，刃口鈍化是影響刀具性能和壽命的重要因素。刀具經(jīng)刃磨后刃口會存在毛刺和微缺口，這種微缺口會影響刀具壽命和加工工件表面質(zhì)量。刃口鈍化能有效去除小的毛刺和微缺口，得到光滑均勻的切削刃，從而提高工件表面質(zhì)量。刃口光滑性的提高能有效預(yù)防積屑瘤的產(chǎn)生。鈍化能夠提高和改善刀具的抗拉強度和刃口韌性，增加刀具強度，從而提高刀具壽命，減小因峰刃缺陷而引起的初期不穩(wěn)定磨損。刀具在涂層之前需經(jīng)過鈍化處理，提高刀具表面光潔度，從而使涂層牢固。

圖1 刀具鈍化實驗裝置

　　目前關(guān)于鈍化的研究主要針對硬質(zhì)合金，而對于PCD刀具鈍化的研究較少。本文探索一種PCD刀具的鈍化方法及其對鋁合金加工表面粗糙度的影響。通過國產(chǎn)小型鈍化機對PCD刀片進(jìn)行鈍化，并研究了鈍化加工參數(shù)對鈍化后刃口的影響，為選擇合理的鈍化加工參數(shù)提供參考。通過單因素試驗探究了鈍化對表面粗糙度的影響，研究分析了不同切削參數(shù)下鈍化刀具對車削1060鋁合金表面粗糙的影響規(guī)律。

刃口鈍化試驗研究

　　如圖1所示，本試驗鈍化設(shè)備為2MQ6712D小型可轉(zhuǎn)位刀片刃口鈍化機，用含金剛石磨料的盤刷對PCD刀具進(jìn)行鈍化。采用特殊的裝夾方式進(jìn)行鈍化，可以使鈍化后的刃口成倒圓形。鈍化后的刀片垂直于切削刃磨一個端面，從圖中可以看出鈍化后的刃口呈倒圓形（見圖2）。

圖2 鈍化后切削刃的剖面圖

　　小型可轉(zhuǎn)位刀片刃口鈍化機主要利用刀具與磨料刷的相對運動形成磨損，從而達(dá)到鈍化的目的。磨料刷對切削刃的磨損形式主要為磨料磨損，去除過程中切削刃的加工質(zhì)量和加工效率取決于尼龍絲對切削刃的碰撞作用。隨著轉(zhuǎn)速的提高和磨料顆粒的增大，磨料顆粒的動能增大，碰撞過程越劇烈。但過大的轉(zhuǎn)速和磨料顆粒在鈍化過程中會導(dǎo)致切削刃崩刃或者崩塊，降低了切削刃的表面質(zhì)量。通過試驗發(fā)現(xiàn)，選擇合適的轉(zhuǎn)速和磨料顆粒在保證加工效率的同時有利于提高切削刃的鈍化質(zhì)量。因此本試驗選用絲徑4mm含800目金剛石磨料的磨料刷，轉(zhuǎn)速800r/min，切削刃和磨料刷接觸長度為2mm，在該條件下能夠得到較好表面質(zhì)量的切削刃。圖2為切削刃鈍化后的微觀形貌，從圖中可以看出選擇上述鈍化加工參數(shù)得到的鈍化后的刃口很光滑均勻，隨著鈍化時間的改變可以得到不同大小的鈍化半徑。

　　通過圖2和圖3可以看出，利用國產(chǎn)小型可轉(zhuǎn)位刀片刃口鈍化機，采用特殊的裝夾方式并選用合理的鈍化加工參數(shù)對PCD刀片進(jìn)行鈍化，可以得到光滑均勻的倒圓刃。

圖3 鈍化后的切削刃的形貌

單因素切削試驗

　　在相同的切削條件下，采用相同切削參數(shù)對比鈍化與未鈍化的PCD刀具車削1060鋁合金材料對表面粗糙度的影響規(guī)律。為了進(jìn)一步研究切削深度對鈍化刀具所形成表面粗糙度的影響，選用較小切削深度參數(shù)分析切削深度對表面粗糙度的影響。

1.試驗條件

　　機床參數(shù)：SK50P/750型數(shù)控車床；工件材料：1060鋁合金，工件尺寸Φ70mm×250mm圓棒；刀桿型號：SDJCR2525M11；刀片參數(shù)：PCD刀片型號DCMW11T304，粒度約10μm。測量儀器：車削后工件的表面粗糙度的測量采用觸針式表面粗糙度儀（時代TR200），取樣長度2.5mm，取樣數(shù)量5，在不同位置取5次樣計算平均值。PCD刀具的主要幾何參數(shù)如表1所示。

表1 PCD車刀的主要幾何參數(shù)

2.試驗方案

　　采用鈍化和未鈍化兩種PCD車刀車削工件外圓，選取的刀具鈍化值約為18μm。冷卻方式為乳化液冷卻，切削參數(shù)及測量結(jié)果如表2和表3所示，鈍化和未鈍化刀具均采用此組參數(shù)。

試驗結(jié)果分析

1.不同切削參數(shù)下PCD刀具鈍化對表面粗糙度的影響分析

表2 切削參數(shù)及實驗結(jié)果

　　根據(jù)表2中所得的試驗結(jié)果繪制各參數(shù)對表面粗糙度影響圖，圖4為鈍化和未鈍化兩種刀具切削速度對表面粗糙度的影響，可見，鈍化刀具加工工件表面粗糙度總體低于未鈍化刀具。鈍化和未鈍化刀具加工工件表面粗糙度都隨切削速度的增大而增大，但增大幅度很小。

圖4 鈍化和未鈍化刀具切削速度對表面粗糙度的影響

　　圖5為鈍化和未鈍化兩種刀具進(jìn)給量對表面粗糙度的影響。從圖中可以看出，鈍化和未鈍化刀具隨著進(jìn)給量的增加表面粗糙度呈增大趨勢，且增大的幅度較大。在進(jìn)給量較小時，鈍化和未鈍化刀具車削所形成表面粗糙度區(qū)別不大；隨著進(jìn)給量的增大，鈍化對表面粗糙度的影響越來越明顯，在進(jìn)給較大時鈍化刀具車削所形成表面粗糙度明顯小于未鈍化刀具。

圖5 鈍化和未鈍化兩種刀具進(jìn)給量對表面粗糙度的影響

　　圖6為鈍化和未鈍化兩種刀具切削深度對表面粗糙度的影響。從圖中可以看出，鈍化刀具加工工件表面粗糙度總體低于未鈍化刀具。在0.1-06mm切削深度范圍內(nèi)，切削深度對表面粗糙度影響不大。

圖6 鈍化和未鈍化兩種刀具切削深度對表面粗糙度的影響

　　由上述分析可知，PCD刀具車削1060鋁合金時進(jìn)給量對表面粗糙度的影響，速度和切削深度對表面粗糙度的影響較小。在不同切削參數(shù)下鈍化后的刀具所形成表面粗糙度低于未鈍化刀具，隨著進(jìn)給量的增大鈍化對表面粗糙度的影響越來越大。這是由于鈍化后的刀具在刃口處形成了一個光滑均勻的倒圓刃，消除了刃磨后的微缺口，同時由于鈍化半徑的存在對已加工表面起擠壓修光作用，因此鈍化后的刀具車削所形成的工件表面質(zhì)量更高。

2.鈍化刀具在小切削深度時對表面粗糙度的影響

　　通過分析可知，在所選的切削深度范圍內(nèi)，切削深度對表面粗糙度基本沒有影響。為了進(jìn)一步研究切削深度對鈍化刀具車削形成的表面粗糙度的影響規(guī)律，采用小切削深度，研究鈍化對車削所形成的表面粗糙度的影響。測量結(jié)果見表3。

表3 小切削深度參數(shù)對表面粗糙度的影響

　　根據(jù)表3中實驗結(jié)果繪制切削深度對表面粗糙度影響規(guī)律如圖7所示。從圖中可以看出，在切削深度為20μm時，鈍化刀具所形成表面粗糙度比同一條件下其他切削深度所形成的表面粗糙度低，未鈍化刀具沒有此現(xiàn)象?？梢?，當(dāng)切削深度約為20μm時，鈍化半徑對表面粗糙度的影響比較明顯。

圖7 小切削深度對表面粗糙度的影響

小結(jié)

（1）采用特殊的裝夾方式，在合理的加工參數(shù)下通過國產(chǎn)小型鈍化機作鈍化處理后，可以得到光滑均勻的正倒圓切削刃。

（2）PCD刀具車削1060鋁合金時，進(jìn)給量對表面粗糙度的影響，切削速度和切削深度對表面粗糙度的影響較小。在相同切削條件下，使用相同切削參數(shù)鈍化刀具車削1060鋁合金所獲得的表面粗糙度低于未鈍化刀具。隨著進(jìn)給量的增大，鈍化對表面粗糙度的影響越來越大，在進(jìn)給量較大時鈍化刀具車削所形成表面粗糙度明顯小于未鈍化刀具。刀具經(jīng)鈍化后消除了刃口毛刺和微刃口，同時在刃口處形成一個倒圓形刃口半徑。刃口半徑的存在對工件已加工表面起到了擠壓修光作用，提高了工件表面質(zhì)量。

（3）鈍化刀具在切削深度為20μm時加工獲得的表面粗糙度低于其他切削深度，鈍化對表面粗糙度的影響比較明顯。

螺紋加工常見問題及解決方案

1、主要原因

（1）車刀的前角太大，機床X軸絲桿空隙較大；

（2）車刀裝置得過高或過低；

（3）工件裝夾不牢；

（4）車刀磨損過大；

（5）切削用量太大。

2、解決方法

（1）減小車刀前角，修理機床調(diào)整X 軸的絲桿空隙，利用數(shù)控車床的絲桿空隙主動補償功用補償機床X 軸絲桿空隙。

（2）車刀裝置得過高或過低：過高，則吃刀到一定深度時，車刀的后刀面頂住工件，增大摩擦力，甚至把工件頂彎，構(gòu)成扎刀現(xiàn)象；過低，則切屑不易排出，車刀徑向力的方向是工件中心，加上橫進(jìn)絲杠與螺母空隙過大，致使吃刀深度不斷主動趨向加深，從而把工件抬起，呈現(xiàn)扎刀。此刻，應(yīng)及時調(diào)整車刀高度，使其刀尖與工件的軸線等高(可利用尾座鼎尖對刀)。在粗車和半精車時，刀尖方位比工件的中心高出1%D左右(D表明被加工工件直徑)。

（3）工件裝夾不牢：工件本身的剛性不能接受車削時的切削力，因而產(chǎn)生過大的撓度，改變了車刀與工件的中心高度(工件被抬高了)，構(gòu)成切削深度突增，呈現(xiàn)扎刀，此刻應(yīng)把工件裝夾牢固，可使用尾座鼎尖等，以添加工件剛性。

（4）車刀磨損過大：引起切削力增大，頂彎工件，呈現(xiàn)扎刀。此刻應(yīng)對車刀加以修磨。

（5）切削用量(主要是背吃刀量和切削速度)太大：依據(jù)工件5 導(dǎo)程巨細(xì)和工件剛性挑選合理的切削用量。

亂扣

1、毛病現(xiàn)象

當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，工件未轉(zhuǎn)過整數(shù)轉(zhuǎn)而構(gòu)成的。

2、主要原因

（1）機床主軸編碼器同步傳動皮帶磨損，檢測不到主軸的同步實在轉(zhuǎn)速；

（2）編制輸入主機的程序不正確；X軸或Y軸絲桿磨損。

3、解決方法

（1）主軸編碼器同步皮帶磨損

由于數(shù)控車床車削螺紋時，主軸與車刀的運動關(guān)系是由機床主機信息處理中心發(fā)出的指令來操控的，車削螺紋時，主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變，X 或Y 軸能夠依據(jù)工件導(dǎo)程巨細(xì)和主軸轉(zhuǎn)速來調(diào)整移動速度，所以中心有必要檢測到主軸同步實在轉(zhuǎn)速，以發(fā)出正確指令操控X 或Y 軸正確移動。

如果體系檢測不到主軸的實在轉(zhuǎn)速，在實際車削時會發(fā)出不同的指令給X或Y，那么這時主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具移動的距離就不是一個導(dǎo)程，第二刀車削時螺紋就會亂扣。這種情況下，咱們只有修理機床，更換主軸同步皮帶。

（2）編制輸入的程序不正確

車削螺紋時為了避免亂扣，有必要確保后一刀車削軌道要與前一刀車削軌道重合，在普車上咱們用倒順車法來防備亂扣。

在數(shù)控車床上，咱們用程序來防備亂扣，就是在編制加工程序時，咱們用程序操控螺紋刀在車削前一刀后，退刀，使后一刀起點方位與前一刀起點方位重合(相當(dāng)于在普車上車削螺紋時，螺紋刀退回到前一刀所車出的螺旋槽內(nèi))，這樣車出的螺紋就不會亂扣。

有時，由于程序輸入的導(dǎo)程不正確(后一段程序?qū)С膛c前一段程序?qū)С滩灰恢?，車削時也會呈現(xiàn)亂扣現(xiàn)象。

（3）X 軸或Y 軸絲桿磨損嚴(yán)重：修理機床，更換X 軸或Z軸絲桿。

螺距不正確

主軸編碼器傳送回機床體系的數(shù)據(jù)不經(jīng)確；X 軸或Y 軸絲桿和主軸的竄動過大；編制和輸入的程序不正確。

（1）主軸編碼器傳送數(shù)據(jù)不經(jīng)確：修理機床，更換主軸編碼器或同步傳送皮帶；

（2）X 軸或Y 軸絲桿和主軸竄動過大：調(diào)整主軸軸向竄動，X 軸或Y 軸絲桿空隙能夠用體系空隙主動補償功用補償;

（3）檢視程序，務(wù)必使程序中的指令導(dǎo)程與圖紙要求一致。

牙型不正確

車刀刀尖刃磨不正確；車刀裝置不正確；車刀磨損。

（1）車刀刀尖刃磨不正確：正確刃磨和測量車刀刀尖角度，對于牙型角精度要求較高的螺紋車削，能夠用標(biāo)準(zhǔn)的機械夾固式螺紋刀車削，或者把螺紋刀用磨床刃磨。

（2）車刀裝置不正確：裝刀時用樣板對刀，或者經(jīng)過用百分表找正螺紋刀桿來裝正螺紋刀。

（3）車刀磨損：依據(jù)車削加工的實際情況，合理選用切削用量，及時修磨車刀。

螺紋外表粗糙度大毛病剖析

（1）刀尖產(chǎn)生積屑瘤；

（2）刀柄剛性不行，切削時產(chǎn)生轟動；

（3）車刀徑向前角太大；

（4）高速切削螺紋時，切削厚度太小或切屑向傾斜方向排出，拉毛已加工牙側(cè)外表；

（5）工件剛性差，而切削用量過大；

（6）車刀外表粗糙度差。

（1）用高速鋼車刀切削時應(yīng)下降切削速度，并正確挑選切削液；

（2）添加刀柄截面，并減小刀柄伸出長度；

（3）減小車刀徑向前角；

（4）高速鋼切削螺紋時，終一刀的切屑厚度一般要大于0.1mm，并使切屑沿筆直軸線方向排出；

（5）挑選合理的切削用量；

（6）刀具切削刃口的外表粗糙度應(yīng)比零件加工外表粗糙度值小2 —— 3 層次。

螺紋加工常見問題及解決方法

總歸，車削螺紋時產(chǎn)生的毛病形式多種多樣，既有設(shè)備的原因，也有刀具、操作者等的原因，在排除毛病時要具體情況具體剖析，經(jīng)過各種檢測和確診手法，找出具體的影響要素，采納有效的解決方法。