机加工刀具的选择

刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重

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。CAD/CAM技术的发展，使得在数控加工中直接利用CAD的设计数据成为可能，特别是微机与数控机床的联接，

使得设计、工艺规划及编程的整个过程全部在计算机上完成，一般不需要输出专门的工艺文件。

现在，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，编程人员只要设臵了有关的参数，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。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、数控加工常用刀具的种类及特点

数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专

用刀柄。刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。数控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：①车削刀具，分外圆、内孔、螺纹、切割刀具等多种；

②钻削刀具，包括钻头、铰刀、丝锥等；③镗削刀具；④铣削刀具等。为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等的要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的30%～40%，金属切除量占总数的80%～90%。

数控刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下特点：

⑴刚性好（尤其是粗加工刀具），精度高，抗振及热变形小；

⑵互换性好，便于快速换刀；

⑶寿命高，切削性能稳定、可靠；

⑷刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间；

⑸刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除；

⑹系列化，标准化，以利于编程和刀具管理。

二、数控加工刀具的选择

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。

选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。

在进行自由曲面加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此，为保证加工精度，切削行距一般取得很能密，故球头常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀，因此，只要在保证不过切的前提下，无论是曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀。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。

在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀动作。因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具，迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围，以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。目前我国的加工中心采用TSG工具系统，其刀柄有直柄（三种规格）和锥柄（四种规格）两种，共包括16种不同用途的刀柄。

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。

三、数控加工切削用量的确定

合理选择切削用量的原则是，粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加

工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。

⑴切削深度t。在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，t就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量可略小于普通机床。

⑵切削宽度L。一般L与刀具直径d成正比，与切削深度成反比。经济型数控加工中，一般L的取值范围为：L=（0. 6～0.9）d。

⑶切削速度v。提高v也是提高生产率的一个措施，但v与刀具耐用度的关系比较密切。随着v的增大，刀具耐用度急剧下降，故v的选择主要取决于刀具耐用度。另外，切削速度与加工材料也有很大关系，例如用立铣刀铣削合金刚30CrNi2MoVA时，v可采用8m/min左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，v可选200m/min以上。

⑷主轴转速n(r/min)。主轴转速一般根据切削速度v来选定。计算公式为：

式中，d为刀具或工件直径（mm）。

数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调（倍率）开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。

⑸进给速度vF 。vF应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。vF的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时，vF可选择得大些。在加工过程中，vF也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。

随着数控机床在生产实际中的广泛应用，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，要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量。因此，编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平。

高速加工作为一种先进的切削技术，自二十世纪八十年

代以来得到了日益广泛的应用。高速加工采用远高于常规加

工的切削速度和进给速度，不仅可提高加工效率，缩短加工工时，同时还可获得很高的加工精度。随着高速加工主轴技术的发展，与其配套的新型刀具不断出现，对高速加工用刀具工艺参数的优化研究也不断深入。目前，德国、美国、日本等工业发达国家对高速加工技术的研究和应用处于世界

领先地位，特别是德国对高速加工的研究起步较早，成果较多。早在1984 年，德国国家研究技术部(DFG)就出资700 万马克资助德国Darmstadt 工业大学生产技术和机床研究

所(PTW，Institute of Productionand Engineering and M achine Tools)与41 家公司进行了为期4 年的合作，全面开展对高速加工切削机理、高速加工工艺、高速加工用机床与刀具的研究。由于政府的高度重视和大力资助，研究工作取得了丰硕成果。德国不少公司很快掌握了高速加工技术，并不断支持和推动该项技术的深入研究与发展。

本文对德国PTW研究所近年来在高速加工刀具工艺参数优化方面的最新研究成果作一介绍，希望能为国内的高速加工研究及应用提供有益的参考。

2 高速加工的特点

高速加工(High Speed Cutting，简称HSC)通常是指在高

于常规加工速度5～10倍的条件下进行的切削加工。在高速加工中，必须根据不同的加工材料、加工方式、加工工艺、刀具参数并考虑刀具使用寿命和加工表面质量来选择切削

速度。表1为加工不同工件材料时HSC 铣削与常规加工的切削速度比较。表2 为采用不同加工方式切削合金钢时HSC 与常规加工的切削速度比较。

表1 加工不同材料时HSC铣削与常规加工的切削速度比较

表2 加工合金钢时HSC 与常规加工的切削速度比较

3 高速加工刀具工艺参数的优化

高速加工的实现与刀具材料、刀具几何形状、被加工材料及加工参数等密切相关。下面以应用广泛的模具材料如铝合金、工具钢和铸铁的高速加工为例，介绍德国PTW研究所近年来对高速加工刀具工艺参数优化研究的成果。

3.1 高速加工铝合金的刀具工艺参数优化

1) 刀具材料

加工铝合金时，可供选择的刀具材料有硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、聚晶金刚石等。硬质合金是高速切削铝材的主要刀具材料。实际加工中通常使用无涂层的硬质合金刀具，这是因为较厚的涂层会导致刀尖圆弧钝化，而较薄的涂层则会在加工时迅速磨损，均难以起到延长刀具寿命的作用。由于P系列和M系列硬质合金中含有TiC成分，而TiC与铝的亲和性好，不利于切削，因此在粗加工时宜选用K系列硬质合金刀具。陶瓷材料材质较轻，常用于大型刀具；陶瓷刀具亦

可用于铝材的高速切削，但Al2O3陶瓷刀具因脆性较大而不常使用。多晶金刚石刀具的使用寿命在相同切削条件下可比硬质合金刀具显著延长，但昂贵的价格使其难以得到广泛使用；在加工Si含量较高的Al-Si合金时，由于硬质合金刀具磨损很快，使用聚晶金刚石刀具则较为经济。近年来，综合了聚晶金刚石和硬质合金两者优点的CVD 聚晶金刚石涂

层硬质合金刀具已得到越来越广泛的应用。

2) 刀具几何参数

刀具几何形状的选择取决于铝合金材料的抗拉强度和Si 成分含量。研究表明，刀具前角和刀尖钝圆半径是影响铝合金加工质量的主要因素。刀具后角的选取会影响刀具刚度，增大后角有利于提高刀具寿命，但会降低刀刃刚度。为此可采用双倒棱后角，在增大后角的同时保证刀具刚度。此外，刀尖圆弧半径的选择应适当，圆弧半径过大或过小都会降低刀具使用寿命。整体刀具的螺旋角优化值为20°～25°。表3 列出了加工不同铝合金材料时刀具几何参数的优化经验值。

表3 加工铝合金材料的刀具几何参数优化经验值

3) 加工工艺参数

研究表明，适合高速加工铝合金材料的加工工艺优化参数为：切削速度：≥4000m/min；每齿进给量：0.005～0.5m m；进给速度：加工Al-Si合金(Si<12%)和铝铜合金时vf=1～12m/min，加工Al-Si合金(Si>12%)时vf=1～8m/min；切削率：加工Al-Si合金( Si< 12%)和铝铜合金时为50～90cm3 /mm〃kW，加工Al-Si合金(Si> 12%)时为40～70cm3/mm〃k W。加工Al-Si合金时应使用冷却液(10%～15%乳化液，20～40巴)或微量冷却润滑技术(MVL，MinimumVolume Lubricat ion)，合理的冷却润滑可使刀具寿命提高50%。

4) 加工表面质量

影响工件表面加工质量的主要因素有：①刀具径向跳动。

②刀具磨损：当VB>0.2mm时，加工表面质量明显降低，因此精加工时必须将刀具磨损量控制在VB<0.2mm 以内。③刀具工艺参数。④冷却方法：使用刀尖圆弧半径小于1μm 的人造金刚石刀具并辅以冷却润滑，可获得良好的加工表面质量(表面粗糙度可达Ra0.1μm)；采用P系列和K系列超细颗粒硬质合金刀具(刀尖圆弧半径2～3μm)加工时，表面粗糙度分别可达Ra0.3～0.4μm 和Ra0.4～0.6μm；使用金属陶瓷刀具得到的加工表面质量介于使用硬质合金刀具和金刚石刀具

之间。⑤与常规加工类似，高速加工时进给速度对表面加工质量影响较大，但切削速度对表面加工质量影响甚微。

3.2 高速加工工具钢的刀具工艺参数优化

工具钢种类繁多，下列优化工艺参数适用于除奥氏体钢及淬硬钢外的工具钢高速加工。

1) 刀具材料

高速加工工具钢时，原则上应选用热强度高的P20/30系

列涂层硬质合金刀具，其加工性能优于仅含WC-Co 成分的K 系列硬质合金刀具。该刀具采用TiN-PVD涂层，可获得较长的使用寿命。

金属陶瓷刀具因不含WC 成分，扩散性较小，亦可获得较长的使用寿命，但由于脆性较大，只适于切深和进给量较小的精加工时使用。

氮系陶瓷刀具一般在切削速度大于1600m/in时使用，且进给量应控制在硬质合金刀具的50%，同时应严格选择vc、fz、ap、ae等切削参数值，以避免因刀刃破损降低刀具使用寿命。

加工淬火钢时推荐使用CBN刀具，其性能价格比较合理，加工时通常应选取较小的进给量(与使用陶瓷刀具接近)。

2) 刀具几何参数

高速加工工具钢时最重要的刀具参数是后角和刀尖圆弧半径，刀具前角对加工性能影响不显著(通常取为0°)。因高速加工时单位切削力减小，刀具后角可取16°～20°(大于20°后刀具稳定性将明显降低)。对于硬质合金刀具和金

属陶瓷刀具，在进给量较小时(如fz=0.2～0.3mm)可选用锋利的刃型；在进给量较大时采用倒棱(如0.2×20°)则可改善刀刃保持性；使用陶瓷刀具和CBN刀具时亦应采用刀刃保护棱。

3) 加工工艺参数

在200～400m/min切削速度下切削钢材时，会形成较多积屑瘤，严重影响刀具使用寿命。当切削速度提高到600m/ min以上时，因排屑速度提高减少了积屑瘤形成的接触时间，可使加工条件得以改善。此外，当切削速度低于600m/min 时，产生的切削高温会加速刀具中的碳化物向被加工材料中扩散，从而破坏刀具材料的晶格结构。因此，切削速度600 m/min时的切削温度常作为切削性能改善的转折点。此外，刀具寿命与被加工材料性能密切相关，材料抗拉强度增大会降低刀具使用寿命。

对于整体硬质合金刀具，每齿进给量fz的选择范围为0. 2～0.3mm。对于可更换刀片的刀具，目前还难以给出理想的fz优化值，由于其fz值远大于整体硬质合金刀具的fz值，且与其它参数(特别是ae值)密切相关，因此其可优化范围很小，这也给其它参数的优化带来困难。

采用陶瓷刀具和CBN刀具加工时，工艺参数的选取与此类似，但进给量只能达到硬质合金刀具的50%左右。

4) 加工表面质量

当切削速度vc=600～800m/min时，加工表面质量最好。随着切削速度的提高，表面粗糙度值最初变化不大，然后有所下降。表面粗糙度值随着进给量的增加而增大。高速加工钢材时，使用冷却液不仅不能提高加工表面质量，反而会大大降低刀具使用寿命，因此对钢材的高速加工一般宜采用干切削，其加工表面质量可达Ra0.1μm。

3.3 高速加工铸铁的刀具工艺参数优化

1) 刀具材料

可用于高速加工铸铁(灰铸铁、球墨铸铁)的刀具材料主要有硬质合金、金属陶瓷、氮化硅陶瓷和CBN等。

对铸铁的高速切削可分为750～1250m/min和1250～450 0m/min两个速度范围，但应尽可能在较高切削速度范围内加

工。在1250～4500m/min速度范围内切削铸铁时，最好使用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具。Si3N4陶瓷刀具的优化切削速度为2000m/min，CBN刀具的优化切削速度为3000～4500m/ min。CBN刀具使用寿命较长，但价格昂贵，应视具体情况选择。

若机床主轴转速、进给速度及刀具几何参数不允许在高于1250m/min的速度下切削，则应选用硬质合金刀具和金属陶瓷刀具。研究表明，涂层硬质合金刀具与无涂层硬质合金刀具的使用寿命可相差10倍；金属陶瓷刀具与无涂层硬质合金刀具的使用寿命可相差2～3 倍。因此，选用P 系列或K 系列涂层硬质合金刀具可获得较满意的加工效果(推荐选用P20/30 系列带TiC/ TiN 多层涂层的硬质合金刀具)，刀具的具体选择则应根据加工材料和加工参数而定。

2) 刀具几何参数

高速切削铸铁的刀具几何参数与切削工具钢时相似，但后角取值应在12°左右。硬质合金刀具、金属陶瓷刀具和C BN刀具应有10μm 左右的刀尖圆角半径；陶瓷刀具通常应带有0.1×10°的刀刃保护棱。

3) 加工工艺参数

在750～1250m/min切削速度下，可采用硬质合金刀具或金属陶瓷刀具进行加工，此时可选用较大的每齿进给量(如f z=0.8mm)，因为在一定范围内刀具寿命可随进给量的增大而提高；在1250～4500m/min切削速度下，可采用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具进行加工，与前一种切削速度范围相比，此时每齿进给量应减小50%左右，由于切削速度高，此时获得的进给速度仍比前一速度范围高4～5 倍。

与钢的高速切削类似，高速加工铸铁时也建议采用干式切削。

4) 加工表面质量

一般情况下，加工表面质量可随切削速度及进给速度的提高而改善。但在加工铸铁时应注意，铸铁的纵向和横向表面粗糙度相差较大，这主要是由加工时产生的鳞刺造成的(可在粗加工表面观察到)。加工铸铁工件的最终表面粗糙度可达Ra0.2μm。

3.4 其它材料的高速加工

石墨、纤维增强塑料、镁合金、铜合金、表面淬火和整

体淬火钢、高合金钢、钛合金、镍基合金等材料也可通过高速切削进行加工，但对这些材料的高速加工仍存在不少技术难点，对有关切削机理的研究目前还在继续进行。

4 结语

由于高速加工过程及其机理相当复杂，目前仍缺少成熟、可靠的加工仿真技术，因此对高速加工刀具工艺参数的优化仍主要依赖于切削试验。由于切削试验条件与实际加工条件不完全一致，因此试验结果还需在加工实践中进一步校验修正。此外，德国与中国在使用的加工机床和刀具材料等方面存在较大差别，因此本文介绍的高速切削刀具工艺参数优化结果仅供国内有关人员借鉴参考。

我国在二十世纪九十年代初期才开始对高速加工的各项

关键技术进行系统研究，与国外相比起步较晚，在模具制造领域差距更大。我们应立足于我国的刀具、材料及技术条件，适当借鉴国外先进经验，加强对高速加工技术的研究及应用，迅速提高我国高速加工技术水平。