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合理選擇數(shù)控銑加工中的刀具和切削用量
摘要: 在借助CAM軟件進(jìn)行數(shù)控編程的過程中,刀具的選擇和切削用量的確定是十分重要,它不僅對被加工零件的質(zhì)量影響巨大,甚至可以決定著機(jī)床功效的發(fā)揮和安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。所以,在編制加工程序時(shí),選擇合理的刀具和切削用量,是編制高質(zhì)量加工程序的前提。
關(guān)鍵詞:刀具 種類 要求 選擇 切削用量
現(xiàn)在,如Pro/ENGINEER、UG、Cimatron、MasterCAM等許多CAD/CAM軟件包都提供自動(dòng)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、加工路徑規(guī)劃 、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(dòng)生成NC程序并傳輸至數(shù)控機(jī)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(jī)交互狀態(tài)下完成的,這與普通機(jī)床加工形成鮮明的對比,同時(shí)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(shí)充分考慮數(shù)控加工的特點(diǎn)。眾所周知,在借助CAM軟件進(jìn)行數(shù)控編程的過程中,刀具的選擇和切削用量的確定是十分重要,它不僅對被加工零件的質(zhì)量影響巨大,甚至可以決定著機(jī)床功效的發(fā)揮和安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。所以無論是手工編程或計(jì)算機(jī)輔助編程,在編制加工程序時(shí),選擇合理的刀具和切削用量,是編制高質(zhì)量加工程序的前提。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)行了探討,給出了若干原則和建議,并對應(yīng)該注意的問題進(jìn)行了討論。
一、刀具的選擇
1、 數(shù)控銑加工常用刀具的種類
數(shù)控銑加工刀具種類很多,為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床高速、高效和自動(dòng)化程度高的特點(diǎn),所用刀具正朝著標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化的方向發(fā)展,主要包括銑削刀具和孔加工刀具兩大類。為了滿足高效和特殊的銑削要求,又發(fā)展了各種特殊用途的專用刀具。數(shù)控銑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,采用焊接或機(jī)夾式連接,機(jī)夾式又可分為不轉(zhuǎn)位和可轉(zhuǎn)位兩種;③特殊型式,如復(fù)合式刀具,減震式刀具等。根據(jù)制造刀具所用的材料可分為:①高速鋼刀具;②硬質(zhì)合金刀具;③金剛石刀具;④其他材料刀具,如立方氮化硼刀具,陶瓷刀具等。從切削工藝上可分為:平端立銑刀、圓角立銑刀、球頭刀和錐度銑刀等。
2、數(shù)控銑加工對刀具的要求
為了保證數(shù)控銑機(jī)床的加工精度,提高數(shù)控銑機(jī)床的生產(chǎn)效率及降低刀具材料的消耗,在選用數(shù)控銑機(jī)床刀具和刀具材料時(shí),除滿足普通機(jī)床應(yīng)具備的基本條件外, 還要考慮在數(shù)控銑機(jī)床中刀具工作條件等多方面因素,如切屑的斷屑性能、刀具快速調(diào)整與更換,因此對刀具和刀具材料提出更高的要求。
1)銑刀剛性要好 一是為提高生產(chǎn)效率而采用大切削用量的需要;二是為適應(yīng)數(shù)控銑床加工過程中難以調(diào)整切削用量的特點(diǎn)。當(dāng)工件各處的加工余量相差懸殊時(shí),通用銑床遇到這種情況很容易采取分層銑削方法加以解決,而數(shù)控銑削就必須按程序規(guī)定的走刀路線前進(jìn),遇到余量大時(shí)無法象通用銑床那樣“隨機(jī)應(yīng)變”,除非在編程時(shí)能夠預(yù)先考慮到,否則銑刀必須返回原點(diǎn),用改變切削面高度或加大刀具半徑補(bǔ)償值的方法從頭開始加工,多走幾刀。但這樣勢必造成余量少的地方經(jīng)常走空刀,降低了生產(chǎn)效率,如刀具剛性較好就不必這么辦。2)銑刀的耐用度要高 尤其是當(dāng)一把銑刀加工的內(nèi)容很多時(shí),如刀具不耐用而磨損較快,就會(huì)影響工件的表面質(zhì)量與加工精度,而且會(huì)增加換刀引起的調(diào)刀與對刀次數(shù),也會(huì)使工作表面留下因?qū)Φ墩`差而形成的接刀臺階,降低了工件的表面質(zhì)量。除上述兩點(diǎn)之外,互換性好,便于快速換刀;刀具的尺寸便于調(diào)整,以減少換刀調(diào)整時(shí)間; 刀具應(yīng)能可靠地?cái)嘈蓟蚓硇?以利于切屑的排除; 系列化,標(biāo)準(zhǔn)化,以利于編程和刀具管理,等等這些是數(shù)控加工與普通機(jī)床加工對刀具的不同要求。
3、數(shù)控銑加工刀具類型的選擇
刀具的選擇是在數(shù)控編程的人機(jī)交互狀態(tài)下進(jìn)行的。應(yīng)根據(jù)機(jī)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。生產(chǎn)中,被加工零件的幾何形狀是選擇刀具類型的主要依據(jù)。1)銑削刀具的選用:加工曲面類零件時(shí),為了保證刀具切削刃與加工輪廓在切削點(diǎn)相切,而避免刀刃與工件輪廓發(fā)生干涉,一般采用球頭刀,粗加工用兩刃銑刀,半精加工和精加工用四刃銑刀;銑較大平面時(shí),為了提高生產(chǎn)效率和提高加工表面粗糙度,一般采用刀片鑲嵌式盤形銑刀;銑小平面或臺階面時(shí)一般采用通用銑刀;銑鍵槽時(shí),為了保證槽的尺寸精度、一般用兩刃鍵槽銑刀;2)孔加工刀具的選用: 數(shù)控機(jī)床孔加工一般無鉆模,由于鉆頭的剛性和切削條件差,選用鉆頭直徑D應(yīng)滿足L/D≤5(L為鉆孔深度)的條件;鉆孔前先用中心鉆定位,保證孔加工的定位精度;精絞前可選用浮動(dòng)絞刀,絞孔前孔口要倒角;鏜孔時(shí)應(yīng)盡量選用對稱的多刃鏜刀頭進(jìn)行切削,以平衡鏜削振動(dòng);盡量選擇較粗和較短的刀桿,以減少切削振動(dòng)。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控加工中,由于刀具的刃磨、測量和更換多為人工手動(dòng)進(jìn)行,占用輔助時(shí)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先銑后鉆;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(jī)床的自動(dòng)換刀功能,以提高生產(chǎn)效率等。另外,刀具的耐用度和精度與刀具價(jià)格關(guān)系極大,必須引起注意的是,在大多數(shù)情況下,選擇好的刀具雖然增加了刀具成本,但由此帶來的加工質(zhì)量和加工效率的提高,則可以使整個(gè)加工成本大大降低�？傊�, 根據(jù)被加工工件材料的熱處理狀態(tài)、切削性能及加工余量,選擇剛性好,耐用度高的銑刀,是充分發(fā)揮數(shù)控銑床的生產(chǎn)效率和獲得滿意的加工質(zhì)量的前提。
二、切削用量的確定
數(shù)控編程時(shí),編程人員必須確定每道工序的切削用量,并以指令的形式寫入程序中。切削用量包括切削速度、背吃刀量或側(cè)吃刀量及進(jìn)給速度等。對于不同的加工方法,需要選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度,充分發(fā)揮刀具切削性能,保證合理的刀具耐用度并充分發(fā)揮機(jī)床的性能, 最大限度地提高生產(chǎn)率,降低成本。
(1)切削速度的確定 銑削的切削速度與刀具的耐用度T、每齒進(jìn)給量fz、背吃刀量ap、側(cè)吃刀量ae以及銑刀齒數(shù)Z成反比,與銑刀直徑d成正比。其中原因是fz、ap、ae、 Z增大時(shí),使同時(shí)工作齒數(shù)增多,刀刃負(fù)荷和切削熱增加,加快刀具磨損,因此刀具耐用度限制了切削速度的提高。如果加大銑刀直徑則可以改善散熱條件,相應(yīng)提高切削速度。下表列出了銑削切削速度的參考值。
銑削時(shí)的切削速度參考表
工件材料 硬度(HBS) 切削速度Vc(m/min)
鋼 <225 18~42 66~150
225~325 12~36 54~120
325~425 6~21 36~75
鑄鐵 <190 21~36 66~150
190~260 9~18 4590
260~320 4.5~10 21~30
(2)進(jìn)給速度的確定 進(jìn)給速度F是數(shù)控機(jī)床切削用量中的重要參數(shù),主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進(jìn)給速度受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的性能限制。在輪廓加工中,在接近拐角處應(yīng)適當(dāng)降低進(jìn)給量,以克服由于慣性或工藝系統(tǒng)變形在輪廓拐角處造成“超程”或“欠程”現(xiàn)象。確定進(jìn)給速度的原則:1)當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時(shí),為提高生產(chǎn)效率,可選擇較高的進(jìn)給速度。一般在100~200mm/min范圍內(nèi)選取。2)在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時(shí),宜選擇較低的進(jìn)給速度,一般在20~50mm/min范圍內(nèi)選取。3)當(dāng)加工精度,表面粗糙度要求高時(shí),進(jìn)給速度應(yīng)選小些,一般在 20~50mm/min范圍內(nèi)選取。4)刀具空行程時(shí),特別是遠(yuǎn)距離“回零”時(shí),可以選擇該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)給定的最高進(jìn)給速度。
(3)背吃刀量(或側(cè)吃刀量)的確定 在保證加工表面質(zhì)量加工質(zhì)量的前提下,背吃刀量(ap)應(yīng)據(jù)機(jī)床、工件和刀具的剛度來決定,在剛度允許的條件下,應(yīng)盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量, 這樣可以減少走刀次數(shù),提高生產(chǎn)效率。工件表面粗糙度要求為Ra3.2~12.5μm,分粗銑和半精銑兩步銑削加工,粗銑后留半精銑余量 0.5~1.0mm;工件表面粗糙度要求為Ra0.8~3.2μm,可分粗銑、半精銑、精銑三步銑削加工,半精銑時(shí)端銑背吃刀量或圓周銑側(cè)吃刀量取1.5~2mm,精銑時(shí)端銑背吃刀量取0.5~1mm,圓周銑側(cè)吃刀量取0.3~0.5mm。
總之,零件數(shù)控編程具有很大的靈活性,只有正確理解以上工藝參數(shù),在實(shí)踐中不斷進(jìn)行總結(jié),才能編制出高質(zhì)量的加工程序,加工出高質(zhì)量的模具零件。
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