浅析数控机床刀具的选择及使用
刁辉 纪微微 １．沈阳黎明航空发动机（机械）集团有限责任公司；２．沈阳黎明航空零部件有限公司 辽宁沈阳 １１００４ ３
【摘要】刀具在数控机床中是重要部件，直接影响到机床的加工效率，本文对数控刀具的分类以及特点，刀具的选择进行了分析，并对数控切削 技术对工具提出的更高的要求进行了论述。 【关键词】数控机床刀具数控切削 中图分类号：Ｆ４２６文献标识码：Ａ文章编号：１００９－４０６７（２０１３）１８—１９３－０１
引言
数控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。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。刀柄要连接刀具，并装在机床
动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。
一、数控刀具的分类
根据刀具结构可分为：整体式、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；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：高速钢刀具；硬质合金刀具；
金刚石刀具；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：车削刀具。分外圆、内孔、螺纹、切割刀具
等多种。钻削刀具包括钻头、铰刀、丝锥等；镗削刀具；铣削刀具等。 二、数控刀具的特点
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：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；寿命高，切削性能稳定、可靠；刀具的尺寸便
于调整，‘以减少换刀调整时间；刀具应能可靠地断屑或卷屑。以利于切
屑的排除；系列化、标准化，以利于编程和刀具管理。 三、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
圈
据统计，世界范围内，五轴机床真正用于五轴联
动加工仅占５％，如叶轮、叶片、航空结构件等特殊零
件；７３％用于五轴定向加工，如模具制造等；五面体加
Ｉ￣２２％（见附表）。因此，建议数控系统厂家多关注
五轴定向加工和五面体加工的功能。
五轴加工分布情况表
五轴定向加工 五面体加工 五轴联动加工
７３％ ２２％ ５％
我国研制高速、高精、五轴联动和车铣复合机床
已有六七年时间了，真正能批量生产取代进Ｉ：１的不多。
究其原因，是对数控机床不理解，对机械、数控系统和
ＮＣ应用的共性技术研究不够，没有把三项技术最大性
能发挥出来。
一、多轴编程和后置处理
五轴联动包括ＲＴＣＰ编程和方向编程。国产五轴联
动数控系统存在的问题是，只关注ＲＴＣＰ编程，对以下
提供的控制指令很少，如：刀具矢量编程、速度控制、
轨迹特性控制和动态特性控制。
１．刀具矢量编程 （１）西门子五轴加工包可提供以下功能：
线性插补（ＯＲＩＡＸＥＳ）：ＲＴＣＰ编程；大圆插补
（ＯＲＩＶＥＣＴ）：在一个平面里进行方位的改变。圆锥
插补（ＯＲＩＣＯＮＣＷ ＯＲＩＣＯＮＣＣＷ）：刀具运动在一个
圆锥表面上变化；双曲线插补（ＯＲＩＣＵＲＶＥ）：刀具的 位置和方向能够通过两条曲线来控制。
刀具矢量大圆插补（ＯＲＩＶＥＣＴ）与线性插补
（ＯＲＩＡＸＥＳ）比较可知，当切削航空结构件时，用
ＲＴＣＰ编程，侧面轮廓会产生过切。
西门子提供的这些功能，其特点是把后置处理的工作
放在了系统里，主要目的是简化编程。通过系统提供的刀
具矢量控制可以手工二维编制五轴程序，程序段数减少。
Ｎｌ０ ＴＲＡＯＲＩ（１） Ｎ１２０ Ｇ５４ Ｎｌ３Ｏ ＴＲＡＮＳ Ｘ８Ｏ Ｙ９Ｏ Ｎ１４０ ＡＲＯＴＺ・・・ Ｎ１５０ ＯＲＩＷＫＳ Ｎ１６０ ０ＲｒＶＥＣＴ Ｎ１７０ ＣＵＴ３ＤＣ Ｎ１８Ｏ ＩＳＤ＝０ Ｎｌ９０Ｇ０Ｘ０Ｙ一４０Ｚ一３９ Ｎ２０ｏＧ１ Ｇ４１ ＸＯＹ一５０Ｚ一５Ｏ Ａ３－－０Ｂ３＝一１０Ｃ３－－４０ Ｎ２ｌＯ Ｘ２Ｏ Ｎ２２０ ＯＲＩＣ０ＮＣＣＷ Ｎ２３０ Ａ６－－０Ｂ６＝０Ｃ６＝１ Ｎ２４０ Ｇ３ Ｘ３０ Ｙ一４０ ＣＲ＝ｌＯ Ａ３＝１０ Ｂ３＝０ Ｃ３＝４０ Ｎ２５０ ＯＲＩＶＥＣＴ Ｎ２６０ Ｇ１ Ｙ４０ Ｎ２７０ ＯＲＩＣ０ＮＣＣＷ Ｎ２８０ Ａ６＝０Ｂ６＝０Ｃ６＝ｌ Ｎ２９０ Ｇ３ Ｘ２０ Ｙ５０ ＣＲ＝１０
第3章习题解答
3.1 简述数控伺服系统的组成和作用。
数控伺服驱动系统按有无反馈检测元件分为开环和闭环（含半闭环）两种类型。开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测元件、比较环节组成。位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。
3.2 数控机床对伺服系统有哪些基本要求？
数控机床对伺服系统的基本要求：⒈ 精度高；⒉ 快速响应特性好；⒊ 调速范围宽；
⒋ 系统可靠性好。
3.3 数控伺服系统有哪几种类型？简述各自的特点。
数控伺服系统按有无检测装置分为开环伺服系统、半闭环伺服系统和闭环伺服系统。
开环伺服系统是指不带位置反馈装置的控制方式。开环控制具有结构简单和价格低廉等优点。
半闭环伺服系统是通过检测伺服电机的转角间接地检测出运动部件的位移（或角位移）反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。这种系统的调试十分方便，并具有良好的系统稳定性。
闭环伺服系统将直接测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器中与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置的精度，而与机械传动链的误差无关，其控制精度将超过半闭环系统。
3.4 简述步进电动机的分类及其一般工作原理。
从结构上看，步进电动机分为反应式与激磁式，激磁式又可分为供电激磁和永磁式两种。按定子数目可分为单段定子式与多段定子式。按相数可分为单相、两相、三相及多相，转子做成多极。
在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转速随电信号的方向和大小而改变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转。
◇高教论述◇ 科技墨向导 ２０１３年２１期 数控刀具的选用及切削用量的分析 贺鹏 （抚顺市技师学院辽宁抚顺１ １３１２３） 【摘要】随着现代科学技术的不断发展，数控技术在机械加工中得到广泛应用，因此，对于刀具的选择以及切削用量的确定提出了更高的 要求。数控刀具的选择以及切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，不仅仅影响数控机床的加工效率，而且还影响加工质量。因此。应该 正确选择数控刀具以及确定切削用量。本文对数控机床常用刀具的种类以及特点做一概述，重点探讨数控刀具的选择以及切削用量的确定，若 有不当之处，还望加以改正。 【关键词】数控刀具；切削用量；特点；选择 目前．ＣＡＤ技术在数控加工中得到不断应用．这些软件都提供一 定的１９动编程功能．由编程人员将切削用量以及加工路径进行设定之 后，自动生成ＵＧ程序并且传输到数控机床中从而完成加工的 与传 统机床的明显区别在于数控加工中的刀具选择以及切削用量都是在 人机交互的状态完成的．同时对编程人员的技术知识掌握要求也比较 高．必须掌握刀具的选择以及切削用量确定的原则．在进行数据编程 时，应该充分考虑其数控加工特点。下面就对数控机床中常用刀具以 及选择做出具体分析 １．数控机床常用刀具种类以及特点 数控机床常用刀具的种类比较多．分为常规刀具或者模块化刀 具．同时模块化刀具能够提高生产加工时间．减少换刀停机时间，从而 提高其刀具的合理化以及标准化 （１）刀具分类：①按照切削工艺划分：铣削刀具（立铣、面铣等）、钻 削刀具（铰刀、钻头）以及车削刀具（车槽、外圆）。②按照刀具结构划 分：镶嵌式（主要是采用焊接或者机夹式进行连接）、内冷式、整体式以 及特殊型式（复合式刀具）。③按照制造刀具材料划分：金刚石刀具、陶 瓷刀具以及立方氮化硼刀具。到目前为止，为了能够使用数控机床对 刀具的要求．在加工过程中．使用机夹式刀具比较常见，占到３５％。 （２）刀具特点：与传统机床上使用的刀具进行相比，有着许多不同 的独有特点：互换性比较好、耐磨性比较好、精度高；标准化、通用化以 及系列化：寿命比较长、切削性比较好；刀具的尺寸能够随意调整，具 有很大的灵活性：钢性高以及强度高，最后刀具能够灵活的卷屑以及 断屑．有利于排屑切削 ２．数控刀具的选择 在数控加工中．对于刀具的选择主要是为了实现提高生产效率， 降低生产成本．提高经济效益的目标，因此．数控刀具的选择坚持的总 原则为：不仅仅满足普通机床的具备的条件．还应该考虑刀具自身的 工作条件．使刀具的用处发挥到最大限度。 在选择刀具时．刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸是相一致 的。对于在平面零件的周边轮廓进行加工时．应该使用立铣刀；对于加 工毛坯表面或者粗加工孔时．选择镶嵌硬质合金刀的铣刀：对于曲面 的精加工．常常考虑到球头刀具的端部切削速度为零．为了能够进一 步的保证加工精度，采用球头的刀具；在加工凹槽或者是凸台时，一般 选用的是高速钢立铣刀：对于一些立体型面或者是变斜角的轮廓形， 采用的是环形铣刀或者盘形铣刀：在对于表面加工或者是为了追求切 削效率上．一般选用平头刀具。因此，无论是平面的精加工还是曲面的 粗加工。在保证不过切的条件下，一般都选用平头刀具，具有很高的经 济效益以及性能比 在数控机床进行孔加工时．因为钻头的钢性或者切削的条件比较 差．因此．在选用钻头时。采用的钻头直径一般小于或者等于５０毫米。 在进行钻孔前．应该先用中心钻进行定位．镗孔时最大限度使用对称 的多刃镗刀孔，对于精绞前可以采用浮动铰刀。对于自由曲面的加工， 为了能够确保其加工精度．在切削行距上一般都选取的比较精密。最 后，粗加工的刀具尽量分开使用．尽管是尺寸规格都一样的刀具：在有 条件的前提下，尽量使用数控机床的自动换刀能力，不造成人工换取， 以免降低生产效率 刀具的耐用度以及精度与刀具的价格有着很大的关系 在很多情 况下．好的刀具尽管增加了刀具的成本。但是在很大程度上能够提高 生产效率．因此，不能丢了西瓜捡了芝麻。在加工中心，各种刀具都装 在刀库．按照编程的程序随时都能够换刀或者是选刀 为了能够快速 并且正确的安装刀具．必须选择制造标准的刀具。做为数据编程人员 应该熟练掌握各机床上所使用的刀具的机构尺寸以及调整范围，从而 在进行数据编程时．将准确的刀具轴向尺寸编到程序中 对于我国来 说，到目前为止．数控机床加工中心．其刀柄主要有三种规格的直柄以 及四种规格的椎柄。尤其值得注意的是．在经济型数控机床的加工过 程中．刀具的刃磨以及测量大多是人工进行换取的．占用的辅助时间 比较多，因此，必须合理安排刀具的顺序．从而减少换取刀具的时间。 ３．切削用量的选择 正确选择切削用量的大小能够降低加工成本．提高经济效益．减 少切削效率以及延长刀具的使用寿命。当然，选择切削用量是建立在 确保加工质量以及刀具耐用度的条件上的．能够最大限度的发挥刀具 的性能，提高切削效率。编程人员在进行数控编程时，必须按照每一道 工序的切削用量来进行编程．通过指令的形式将其用量大小编到程序 中。切削用量包括有切削速度、切削深度以及进给速度等。因此．在选 择切削用量时坚持的总原则为：在进行半粗加工或者精加工时，在保 证加工质量的前提之下．再确保切削效率以及经济效益：在进行粗加 工时．应该主要以提高生产效率．同时兼顾经济成本 ３．Ｉ切削速度 提高切削速度是保证提高生产效率的前提．然而．切削速度的高 低主要是由刀具的耐用度以及刀具的材料相关的 当切削速度在逐渐 增大时．刀具的耐用度就会下降。同时切削材料也会直接影响其切削 速度。当加工材料的强度比较大，硬度比较大．以及材料的韧性比较 差，都会降低其切削速度。因此，对于同一刀具在加工不同材料时，应 该适当的选择切削力度。对于软材料，需要的切削力度就比较小，因 此，这时可以选择大的切削速度；对于硬材料。需要的切削力度就比较 大，这时应该选择小得切削速度。另外，切削速度的大小还与切削的角 度以及刀具的形状有着密切关系 ３．２进给速度 进给速度的选择与加工精度与粗糙度相关．因此．在选择进给速 度时，对于加工表面比较粗糙的，可以选择较大的进给速度：对于加工 表面比较光滑的．就选择比较小的进给速度。同时，在加工的过程中， 进给速度也可以通过人工调整控制面板上的修调机关来人工设置。另 外，在进行轮廓加工时，接近拐角的地方应该降低进给速度，过了拐角 处，再适当的提高进给速度。 ３．３切削深度 数控机床的精度直接影响着切削速度．因此．在数控机床精度允 许的条件下．应该使用较大的切削深度．从而减少走刀次数。提高生产 效率 另外．为了能够保证工件的加工精度以及表面粗糙度，在进行精 加工时．应该留有一定的余量（余量可以小于普通机床）。 ４．结束语 总而言之．对于数控机床的刀具以及切削用量的选择应该根据实 际情况．随时做出调整。编程人员应该熟练各种刀具的规格以及尺寸， 在进行数据的编程时．正确无误的将这些数据通过指令的方式编到程 序中．这样一来，能够充分发挥数控机床的作用，实现提高生成效率， 降低￣Ｊｎ－ｒ成本的目的。 【参考文献】 ［１］刘跃南．机床计算机数控及其应用叨．机械工业出版社，２００２ ［２］谭彬，曹平．数控加工中刀具的选择与切削用量分析叨．机械管理开发，２００９，２４ （１）：７６．－７７． ［３］何志昌．浅谈数控刀具与切削用量『Ｊ１．大众科技，２０１０，（１）：１２５． ［４］孙利斌擞控机床如何正确选择刀具及切削用量叨．科技情报开发与经济， ２００６，１６（２４）：３０５－３０６． ［５］卢献军．数控加工中刀具的选择与切削用量的确定叨．职业，２０１２，（５）：１３１—１３２． ５１
