数控刀具选择与刀具系统的优化

加强刀具选择与优化刀具系统设计，将有助于降低企业刀具使用成本投入，更有利于提高数控机床生产效率。本文将简要阐述加强数控刀具管理、促进数控机床增效，并就数控机床，深入探讨数控车刀选择与优化刀具系统设计。

　　1.数控刀具的分类

　　1.1 根据数控刀具结构分类

　　就数控刀具结构而言，其可被简单划分为整体式、镶嵌式及减振式三大类。就镶嵌式数控刀具而言，其可被划分为机夹式及焊接式两类。就机夹式数控刀具刀体结构而言，其又可被划分为不转位及可转位两类。减振式数控刀具的适用情况：若刀具工作臂长，直径的比值过大，则往往使用减振式数控刀具以减少刀具振动，提高数控产品加工精度。

　　1.2 根据数控刀具制作材料分类

　　就数控刀具制作材料而言，其可被简单划分为高速钢刀具及硬质合金刀具、金刚石刀具三大类。通常情况下，高速钢属型坯材料，相对于硬质合金，高速钢的韧性更好，而其耐磨性、硬度及红硬性更差，因此高速钢刀具不适合用于高速切削及高硬度材料切削。相对于高速钢刀具及金刚石刀具，硬质合金刀具的切削性能更高，其在数控车削领域得到了广泛的应用。硬质合金刀片已经出现了标准规格系列产品，其具体切削性能及技术参数主要为其生产厂家提供。金刚石类刀具在难加工、高强度、高硬度、有色金属切削加工行业的应用较为普遍。

　　1.3 根据切削工序分类

　　就切削工序而言，数控车削刀具分为内孔、外圆、内螺纹、外螺纹及切槽、切端面环槽、切端面、切断等。数控车床机夹可转位刀具一般属标准规格，机夹可转位刀具的刀体及刀片均属标准规格，刀片材料以涂层硬质合金、硬质合金及高速钢为主。数控车床机夹可转位刀具类型以外圆刀具、内圆刀具、外螺纹刀具、内螺纹刀具、孔加工刀具(包括镗刀、中心孔钻头、丝锥等)切断刀具为主。机夹可转位刀具加固不重磨刀片常用结构有螺钉、杠销、螺钉压板、楔块等。就切削方式而言，数控车床所用刀具可分为圆表面切削刀具、中心孔类刀具、端面切削刀具。

　　2 数控加工刀具特点

　　2.1 刀具或刀片的经济寿命指标及耐用度的合理性

　　现阶段，数控加工刀具生产过程中，刀具质量测量的依据为刀具耐用度。切削刀具批量生产时，各刀具工件材质及材料间均或多或少地存在某些差异，原因是切削刀具生产将不可避免地受到某些客观因素的影响，如刃磨质量，所以，同一生产环境下生产的切削刀具，其耐用度也将不尽相同。就数控方面而言，刀具耐用度平均指标及其可靠指标Tp均应具备齐全。通常情况下，刀具标准可靠度不宜低于0.9。

　　2.2 刀片或刀具方便切削控制

　　因数控机床的各设备均存在多个刀具，且切削量相当大，则切削塑性金属过程中，必须确保刀具未被切屑缠绕及工艺和工件装备均应控制其切削不随意喷溅，以确保切削操作人员的安全及零件输送与定位，且避免其影响到切削液喷注施工质量，所以，在切削作业时做好使用振动切削、断屑块刀具等，以提高断削效果。

　　2.3 刀片或刀具切削参数及几何参数的典型化及规划化

　　数控刀具的精度应该得到切实的保证，数控刀具精度主要是指刀具形状精度、刀柄及刀片对数控机床主轴相对位置精度、刀柄及刀片拆装及转位重复精度。数控刀具切削部分几何尺寸变化幅度应该被控制在一定的范围内，不宜过大。此外，刀体刀片及刀杆反复装卸精度的稳定性应该得到控制。

　　2.4 优化刀柄及刀片自动换刀及定位基准系统

　　数控刀具更换的自动化及快速性要求刀柄及刀片高度的规格化、通用化及系列化，且刀具应该具备调整及控制尺寸的功能或自动补偿刀具磨损的装置，以加快刀具换刀调整速度。
　　3 刀具选择

　　3.1 数控刀具型号

　　国内外刀具厂商统一标准为ISO。若编号不同，其代表的刀具参数亦不同，则数控刀具选择时，应以其具体几何参数为参考依据。

　　3.2 刀片形状选择

　　3.2.1 数控车刀片形状主要由加工部位形状所决定，且其也为刀具选择的重要参考依据之一。数控车刀片形状主要包括刀尖角、刀具主偏角、刀具有效刃数等，通常情况下，刀尖强度随着刀尖角的增大而逐渐增强，若刀尖角小，其也不会对任何方面造成干涉。针对刀尖角小的刀具，其最佳使用范围为复杂型面，即沟槽或下坡型面开挖。表1列出了刀片形状选择所涉及的相关内容：

　　3.2.2 刀片类型。刀片类型主要是指刀具是否存在中心孔或断屑槽，选定刀体之后，可用刀片可适当确定为一类或几类。通常情况下，A、G、N等正反面均设置有刀刃的类型更容易被选中，理由是这三类刀片类型有助于刀片利用率的提高。

　　3.2.3 刀尖半径。刀尖圆弧半径事关数控刀具切削效率、被加工工件精度及其表面粗糙度等。就刀尖最大进给量与其圆弧半径间的关系而言，最大进给量应该≤80%刀尖圆弧半径，不然，其势必会导致刀具切削条件恶化或出现打刀及螺纹状问题。所以，在选择刀具时，一定要确保刀具的刀尖圆弧半径应该≥1.25倍最大进给量。

　　3.2.4 就小余量而言，若车削为小进给量，则其刀尖圆弧半径也应该足够小;若车削为大进给量，则其刀尖圆弧半径应该足够大。通常情况下，就精加工而言，刀具刀尖圆弧半径被设定为0.2、0.4或0.8;就半精加工而言，刀具刀尖圆弧半径被设定为0.4、0.8或1.2;就粗加工而言，刀具刀尖圆弧半径被设定为0.8、1.2、1.6或2.4。　　

　　3.3 车刀类型选择

　　3.3.1 选择刀具时，其要求刀具强度应该达到一定标准，且严禁与工件间发生冲突。就刀具刀杆头部形式而言，其应该以直头及主偏角为主要指标。偏头形式多样，则在刀具使用过程中，应该协调好刀片类型与工件形状间的关系。

　　3.3.2 选择车刀类型时，应该以刀具主偏角为依据。通常情况下，若工件存在直角台阶，其刀杆主偏角应该≥90°。就粗车而言，工件刀杆主偏角应为45°～90°;就精车而言，工件刀杆主偏角应为45°～75°。若工艺系统刚度足够，则工件主偏角应该足够小;若工艺系统刚度较弱，则工件主偏角应该足够大。
　　3.3.3 选择刀片卡紧方式。目前，刀具刀片卡紧方式主要分为C、D、M、P、S，具体选择何种刀片卡紧方式应以刀片形状及切削强度为参考依据。
　　3.4 刀杆尺寸选择

　　3.4.1 刀杆基本尺寸包括刀杆长度及宽度、刀尖高度，就标准系统尺寸内，刀杆长度、宽度及高度间均为一一对应的关系。刀杆尺寸应该与机床匹配，且
　　刀尖高度应该在刀夹及刀垫的协助下方能与机床匹配。

　　3.4.2 刀杆长度确定依据应为夹持悬伸量及长度。就外圆刀杆而言，通常情况下，其悬伸量应为1.5倍刀尖高度。此外，刀具加工部位位置及孔深应由内孔刀悬伸量为参考依据。
　　4 刀具系统的设计优化

　　4.1 工位刀具系统

　　就工位刀具系统而言，应该尤其关注机床与卡具、工件与刀具间的碰撞及干涉问题，其主要表现为：

　　4.1.1 若刀具安装方向为径向，其长度如果过长，则势必会导致机床内壁与刀具于刀位转换过程中发生碰撞现象。

　　4.1.2 若刀具处于邻刀位位置，则其对工件的干涉将发生在大直径带小孔工件加工过程中，尤其是在孔加工刀具时，此种干涉现象尤其普遍。此外，刀具与卡具间相互干涉现象也易发生于小直径内孔加工过程中，若工件直径较大，则加工部位与中心位置间的间距应该足够大。

　　4.1.3 刀具系统调试过程中，如果机床内壁与刀具间相互干涉与否不能被准确判定，则应该合理绘制刀具干涉图。因刀架工位数量较多，则刀夹相邻角度会相应变小，并最终致使无干涉区范围缩小。若加工工件直径较大，则其无干涉区应该相应扩大，这样便可有效改变装刀位置及减小刀具长度，例如尽量隔开孔加工刀具等。

　　4.2 刀架最大转动惯量

　　就刀架最大转动惯量而言，若刀夹重量较大、镗杆直径加大及其长度过长，则应该精确计算出刀架转动惯量，以确保最大转动惯量被控制在允许值范围内。

　　5 结语

　　数控加工刀具可简单划分为两大类，即模块化刀具及常规刀具。模块化刀具是数控加工刀具未来的发展方向，相对于常规刀具，模块化刀具具备众多独特的优势，即换刀停机时间相对缩短，从而实现了数控生产加工效率的提高;换刀速度相对加快及刀具安装时间大大缩短，从而实现了小批量数控产品生产经济性的提高;刀具合理化及标准化程度相对更高;刀具管理水平及数控柔性加工水平等相对更高;刀具的利用率得到了扩大，且刀具的性能实现了最大化发挥;刀具测量工作中断现象被消除，从而实现了线外预调的目的。

　　综上，刀具选择及刀具系统设计优化过程中，应该综合考虑刀具使用数量的减少、刀具使用成本的降低、工件产品加工质量及效率的提高等，并基于分析的基础上，选择高层次刀具等。

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