山东海特数控机床有限公司
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机加工数控刀具的选择方法,您掌握了吗?

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机加工数控刀具的选择方法,你掌握了吗?

刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容之一,不仅影响机床的加工效率,而且直接影响零件的加工质量。由于山东海特数控机床的主轴转速及范围远远高于普通机床,而且主轴输出功率较大,因此与传统加工方法相比,山东海特数控机床对数控加工刀具的提出了更高的要求,包括精度高、强度大、刚性好、耐用度高,而且要求尺寸稳定,安装调整方便。这就要求刀具的结构合理、几何参数标准化、系列化。

1 数控刀具是提高加工效率的先决

它的选用取决于被加工零件的几何形状、材料状态、夹具和机床选用刀具的刚性。应考虑以下方面:

(1)根据零件材料的切削性能选择刀具。如车或铣高强度钢、钛合金、不锈钢零件,建议选择耐磨性较好的可转位硬质合金刀具。

(2)根据零件的加工阶段选择刀具。即粗加工阶段以去除余量为主,应选择刚性较好、精度较低的刀具,半精加工、精加工阶段以保证零件的加工精度和产品质量为主,应选择耐用度高、精度较高的刀具,粗加工阶段所用刀具的精度最低、而精加工阶段所用刀具的精度最高。如果粗、精加工选择相同的刀具,建议粗加工时选用精加工淘汰下来的刀具,因为精加工淘汰的刀具磨损情况大多为刃部轻微磨损,涂层磨损修光,继续使用会影响精加工的加工质量,但对粗加工的影响较小。

(3)根据加工区域的特点选择刀具和几何参数。在零件结构允许的情况下应选用大直径、长径比值小的刀具;切削薄壁、超薄壁零件的过中心铣刀端刃应有足够的向心角,以减少刀具和切削部位的切削力。加工铝、铜等较软材料零件时应选择前角稍大一些的立铣刀,齿数也不要超过4齿。

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,切削行距一般很小,故球头铣刀适用于曲面的精加工。而端铣刀无论是在表面加工质量上还是在加工效率上都远远优于球头铣刀,因此,在确保零件加工不过切的前提下,粗加工和半精加工曲面时,尽量选择端铣刀。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,所有刀具全都预先装在刀库里,通过数控程序的选刀和换刀指令进行相应的换刀动作。必须选用适合机床刀具系统规格的相应标准刀柄,以便数控加工用刀具能够迅速、准确地安装到机床主轴上或返回刀库。编程人员应能够了解机床所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围等方面的内容,以保证在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸,合理安排刀具的排列顺序。

特征造型不仅能表达机械零件的底层几何信息,而且可从具有工程意义的较高层次上对产品进行表达和建模,有效支持产品整个生命周期内的各个环节。因此,特征造型是将设计与质量计算、工程分析、数控加工编程等环节联结起来的纽带。

大多数特征造型系统均采用边界表示法(B-rep)和构造几何法(CSG)相结合的方法来描述零件的形状特征。边界表示法主要用于描述构成几何体的几何元素(顶点、线、面等)之间的拓扑关系,并可辅助用户选取特定的几何元素;构造几何法则通过树形操作完成实体体素的拼合,形成最终设计特征。本文主要讨论构造几何法的扩展及其在数控镗刀特征造型系统中的应用。该方法对于其它数控刀具同样适用。

2 辅助面切割法的引入

由于数控刀具的形体为不规则的棱柱体,而构造几何法采用的拼合体素为规则形体,因此,单纯采用构造几何法对数控刀具进行造型,既不灵活效率又低。如引入辅助面切割法,则可简化造型过程,提高造型效率,在某些情况下还可降低造型难度。

若采用辅助面切割法解决上述问题,则只需构造原始长方体和辅助面P,然后用 P面切割原始长方体,即可达到目的。

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为获得形体Ⅰ,采用构造几何法需构造三个体素,即原始长方体、直棱柱Ⅱ和Ⅲ,且直棱柱Ⅱ和Ⅲ中总有一个直棱柱需被构造为比实际需要的体素大,这也增加了不必要的存储空间。并且,如要保证图2中Pt点的空间位置,则需提高原始长方体和直棱柱Ⅲ的造型要求,精确设计原始体素的尺寸,才能得到符合要求的Pt点。

若采用辅助面切割法,为获得形体Ⅰ,则只须构造一个基本体素——原始长方体,然后构造切割辅助面P1和P2,如需保证Pt点的位置,只要保证P1和P2平面均过Pt点即可,而这一点不难做到。

为叙述方便和清楚,以上所举二例都是经化简的模型,实际造型中所遇到的问题要复杂得多,而且用构造几何法构造一个空间形体可以经由不同的拼合路径。与所有拼合方法相比,采用辅助面切割法都具有明显的优越性。

3 辅助面切割法的实现

虽然采用辅助面切割法可大大简化构造几何法,但并非在所有情况下都能实现。如图3所示情况,为获得形体Ⅰ,必须在原始长方体上减掉长方体Ⅱ,在此情况下辅助面切割法就无法使用。因此,辅助面切割法只能作为构造几何法的补充和扩展,而无法完全取代构造几何法。

辅助面切割法的应用条件为:

(1)构造几何法中两体素必须作差拼合运算;

(2)拼合形成的最终形体必须位于辅助面一侧。

因此,为了最大限度地应用辅助面切割法,在形成最终形体时,应尽量采用差拼合方法。凡是能经机械加工得到的零件,均可通过精心设计基本体素而以差拼合方法实现其特征造型。

实现辅助面切割法的关键是辅助面的构造及体素被切割后两部分的取舍。

平面的几何定义为:通过空间一固定点且垂直于一空间向量的曲面。即由一空间固定点和一空间向量可唯一地确定一个平面,其中固定点位于平面上,空间向量为平面的法向量。因此,平面可由其点法式方程确定,即

A(X-X0)+B(Y-Y0)+C( Z-Z0)=0 (1)

其中P0(X0,Y0,Z0)为一固定点,而V={A,B,C}为平面的法向量。

根据定义,可用平面上一点和平面的法向量来构造平面。在某些情况下,如平面的法向量不易确定,但能较容易地找到平面上的三个点P0、P1、P2,则可通过构造向量V1=P0P1和V2=P0P2,然后求V1和V2的叉积而得到平面的法向量V0=V1×V2。

辅助面构造完成后,切割后的形体如何取舍?在此作如下规定:凡切割后得到的两个形体,位于法向量正方向的形体为所需形体,位于法向量负方向的形体为舍弃形体。在构造平面时,一定要仔细处理法向量的方向,使其指向所需形体。

4 数控刀具造型设计实例

构造几何法是实体造型中广泛应用的方法,但单纯采用构造几何法进行造型设计有时难度相当大。本文提出应用辅助面切割法对构造几何法进行扩展并应用于数控刀具的特征造型过程,大大降低了造型设计的复杂程度和难度,具有较好的应用价值。

4.1 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。

4.1.1 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,采用焊接或机夹式联接,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%一40%,金属切除量占总数的80%~90%。

4.1.2 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:

(1)刚性好(尤其是粗加工刀具)、精度高、抗振及热变形小;互换性好,便于快速换刀;

(2)寿命高,切削性能稳定、可靠;

(3)刀具的尺寸便于调整,以减少换刀调整时间;

(4)刀具应能可靠地断屑或卷屑,以利于切屑的排除;

(5)列化标准化以利于编程和刀具管理。

4.2 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、工件材科的性能、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。

(1)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。

(2)在进行自由曲面(模具)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,切削行距一般采用顶端密距,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。

(3)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按刀动作。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(3种规格)和锥柄(4种规格)2种,共包括16种不同用途的刀柄。

(4)在经济型数控机床的加工过程中,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步骤;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。

4.3 加工过程中切削用量的确定

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。

具体要考虑以下几个因素:

(1)切削深度ap。在机床、工件和刀具刚度允许的情况下,ap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。

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。经济型数控机床的加工过程中,一般L的取值范围为L=(0.6~0.9)d。

(2)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。

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:V=pnd/1000。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。

(3)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。

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