数控加工切学参数优化分析设计

1、数控加工切削参数优化分析摘要近年来，数控技术正向着高效率、高精度和高智能化方向快速发展。因此，为提高 数控机床的自动化生产程度，以精度和效率为目标，优化各种数控加工的参数，并把优 化的参数进行优选，是一个既紧迫又极具有实际意义的问题。数控加工刀具运动轨迹是确定数控加工工艺的重要环节。刀具运动轨迹设计质量的好坏，将直接影响零件的加工质量及加工成本。由于球头铣刀是复杂曲面加工的主要刀 具，球头铣刀切削力是选择机床、刀具、夹具及实现铣削加工工艺参数优化的基础。故 本文对球头铣刀的运动轨迹优选进行了理论研究。由于在数控加工过程中，特别是复杂曲面加工过程中，切削条件不是一成不变的， 但在目前的数控加工中

2、大都是人为的选择保守的切削参数，并且在加工过程中保持切削参数不变，从而大大降低了数控机床的生产效率。在数控加工中，正确合理地选择切削参数对确保产品质量、提高生产率、降低生产 成本起着十分重要的作用。近年来，随着数控 (NC)技术的普遍应用，以及各种先进制 造技术的迅速发展，生产辅助时间大大降低，相应地，切削时间所占的比重就大大提高。 因此缩短切削加工时间，对提高生产效率起着非常重要的作用。目前，大多数工厂在生产中凭经验或参考切削用量手册来选择切削用量，这往往达 不到切削参数的最优选。运用现代切削理论、数学建模和模型分析方法寻求切削参数的 最优组合，是切削参数选择的一个重要方向。这里主要讨论了在

3、数控机床上的切削加工中，求取优化的切削用量的方法。详细给 出了求取优化的切削用量的框图和实际例子。提出一种切削加工艺参数优化的方法，采 用该方法获得的切削参数能有效地提高加工效率，将工艺人员从大量的手工重复劳动中 解放出来，并实现切削参数选取的科学化、合理化、规范化，为企业创造出良好的经济 效益。关键词：数控，优化，工艺参数，切削用量CNC machining parameter optimization analysisABSTRACTIn recent years, digital technology is toward high-efficiency, high precision a

4、nd high intelligent direction rapidly. Therefore, in order to improve the degree of automation of CNC machine tools, precision and efficiency as the goal to optimize a variety of CNC machining parametersand the optimized parameterswere optimized, is both urgent and very practical significance.CNC ma

5、chining tool is to determine the trajectory of an important part of CNC machining process. Tool trajectory design quality is good or bad, will directly affect the quality of the machining and processing costs. Since ball mill is the main complex surface machining tool, ball milling cutting force is

6、to select tools, tools, fixtures and the milling process parameters optimization. Therefore, this paper trajectory ball mill is preferably carried out a theoretical study.As the CNC machining process, especially in complex surface machining process, the cutting conditions is not static, but in the c

7、urrent NC machining mostly artificial selection conservative cutting parameters, and in the process of cutting parameters remain unchanged, thus greatly reduced the productivity of CNC machine tools.In CNC machining, cutting parameters correctly reasonable choice to ensure the product quality, incre

8、ase productivity, reduce production costs plays a very important role. In recent years, with the NC (NC) technology, widely used, and a variety of advanced manufacturing technology is developing rapidly, production assistant time greatly reduced, and accordingly, the proportion of cutting time is gr

9、eatly improved. Therefore shorten machining time, to improve production efficiency plays a very important role.Currently, most of the factories in the production of cutting experience or reference manual to select cutting, which often reach the most preferred cutting parameters. The use of modern cu

10、tting theory, mathematical modeling and model analysis approach seeks optimal combination of cutting parameters, cutting parameter selection is an important direction.Here mainly discussed the machining on CNC machine tools, the strike cutting optimization methods. Given in detail to strike the opti

11、mal cutting diagram and practical examples. Canada presents a cutting process parameters optimization method, obtained by this method can effectively cutting parameters improve processing efficiency, the craft workers from a lot of manual labor freed duplication and achieve cutting parameters select

12、ed scientific rationalization, standardization for enterprises to create a good economic benefits.目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1本文选题目的及意义11.2数控加工刀具运动轨迹的研究 21.3工艺参数优化的研究2数控加工在线参数优化的国内外发展状况 3数控加工离线参数优化的国内外发展状况 41.4本文研究的主要内容 52基于加工工艺参数的刀具优选 62.1数控铣削刀具优选62.1.1 铣刀刀片的选择6铣刀刀体的选择7切削时冷却和涂层的选择7顺铣和逆铣的选择82.2数控车削刀具优选92.

13、2.1 车刀的选用步骤9刀片材料和切削线速度9内孔车刀杆的选择基本原则 102.3数控膛削刀具优选102.3.1 刀具转动10刀具的颠振11刀具的装夹11切屑的排出122.4数控钻削刀具优选122.5刀具几何参数的合理选择 122.5.1 刀具合理几何参数 12刀具合理几何参数选择的一般原则 133数控切削加工工艺参数优化走刀模型的建立 143.1引言143.2数控切削加工刀具的切削运动 14二维数控切削加工刀具切削运动轨迹 14三维型腔数控铣削加工173.3球头铣刀加工平、曲面切削力建模 21331 球头铣刀铣削参数21球头铣刀铣削行距与残留高度的相互关系 213.4球头铣刀切削加工的微元法

14、分析 233.5球头铣刀切削微元的切削层参数 25切削层厚度253.5.2 切削层宽度bD 26切削面积26铣削力的一般计算方法274数控切削加工工艺参数优化目标的研究294.1单目标函数数学模型的建立 29单件平均生产时间的计算tw 294.1.2 单件平均加工成本(C)的计算 30优化目标之间的关系及其合理选择 314.2多目标函数数学模型的建立 32主要目标法多目标优化数学模型的建立 32基于线性加权法的多目标优化数学模型 334.3数控铣削、车削目标函数的建立 335数控切削加工工艺参数优化约束的研究 365.1约束的来源365.2制约条件函数366数控加工切削参数优化设计实例 396

15、.1切削参数单目标优化 39优化设计数学模型的建立 39基于MATLA优化工具箱实现数学模型求解 417结论48致谢49参考文献501绪论随着科学技术的发展，制造业发生了翻天覆地的变化，各种先进制造技术正逐渐地 应用于制造系统中。制造系统正向着数字化、集成化、并行化、网络化及柔性化的方向 发展。在现代制造系统中，数控加工设备是制造系统的核心设备，是现代制造系统的重 要组成部分。数控加工技术是现代自动化、柔性化及数字化生产加工技术的基础与关键， 它的发展和运用，开创了制造业的新时代，使普通机械被数控机械所代替，全球制造业 发生了根本性变化。因此，数控技术的水准、拥有和普及程度，己经成为衡量一个国

16、家 综合国力和工业现代化水平的重要标志。随着社会的多样化需求和其相关技术的进步，数控加工将向更广领域和更深层次发 展。数控加工的不断变革和创新，将给国民经济带来巨大的效益。数控加工切削参数是数控切削加工过程中的基本控制量。数控加工切削参数规优化 是数控切削加工工艺过程优化的基础，它不仅决定着数控加工技术水平和效率，也决定 着产品的制造质量和使用效果。以提高数控切削加工效率，降低加工成本，获得高质量 的产品为目的，进行数控切削参数优化的研究，具有重要的现实意义和深远的历史意义。1.1本文选题目的及意义传统的CAD/CAMR统往往需要工艺编程人员手工选择切削速度、进给速度等加工切 削参数，才能自动

17、生成数控加工程序，加工程序的质量较大地依赖于工艺编程人员的技 术水平和经验。同时随着市场竞争的口趋激烈，具有复杂曲面的产品越来越多，零件复 杂度也不断的增加，例如复杂曲面在加工过程中工件的几何形状不断改变，仅凭人的经 验和查阅资料很难合理给出进给速度，为安全起见，工艺人员往往根据最坏的切削条件 选择切削参数，并在整个工序中基本维持不变，较大的冗余造成数控机床利用率不高， 限制了机床效能的充分发挥。所以切削参数的合理选择与优化，直接关系到能否合理地 使用刀具与机床，对提高生产率，提高加工精度及表面质量，降低生产成本都有重要作 用，是实现整个切削过程优化的关键。在数控加工中，正确合理地选择切削参数

18、对确保产品质量、提高生产率、降低生产 成本起着十分重要的作用。目前，大多数工厂在生产中凭经验或参考切削参数手册来选 择切削参数，这往往达不到切削参数的最优选。切削参数的选择是制定机械零件加工工艺的一个重要方面，选择的恰当与否，将直 接影响到成品的质量、生产率、加工成本等，然而由于影响切削参数的因素繁多，影响 因素之间又相互交叉、相互制约，因而确定最佳的切削参数较为困难。随着各种新型加 工材料的不断涌现，以及数控加工机床、加工中心和柔性制造系统的广泛运用，仅依靠 个人经验来确定切削参数己远不能适应时代的发展。而运用现代切削理论、数学建模和模型分析方法寻求切 削参数的最优组合，则是切削参数优化的一

19、个重要发展方向。金属切削加工切削参数中包括三要素：切削速度、进给量和背吃刀量，该三要素是 切削加工中最活跃的因素，它们是数控切削加工的基本控制量。如果选择不当，不仅难 以保证工件加工精度及控制加工成本，而且可能因切削力过大等原因造成机床被迫停 机，影响数控机床效能的正常发挥。切削加工中，优化选择切削参数的问题己成为现代化机械制造业中极为重要的经济 问题之一。因此，以提高数控切削加工效率、降低加工成本、获得高质量产品为目的而 进行的数控切削加工优化的研究，对提高数控加工经济效益具有重要意义本课题旨在通过对数控切削加工参数优化的研究而自动获得最佳切削参数，进而达到提高数控切削加工效率，降低加工成本

20、，并获得高质量产品的目的。本课题在数控切 削加工参数优化方面主要进行了基于数控切削加工参数优化的过程及方法的研究。1.2数控加工刀具运动轨迹的研究多坐标数控加工刀具运动轨迹生成是数控编程的基础和关键，近几年来，国内外许 多学者和工程技术人员对此进行了大量的研究工作，针对不同的加工对象提出了许多实用的刀具运动轨迹生成方法，并得到了广泛的应用。由于目前生成刀具运动轨迹的方法 是沿刀具运动轨迹采用不变速率，它不能满足沿雕塑曲面所要求的速度，Chi n-cli ng Lo 提出了一种生成刀具运动轨迹的新方法。张力等提出环切区域加工分步式刀具运动轨迹 生成算法。Yo ng Seok Suha nd Ku

21、n woo Lee提出以雕塑曲面为约束面的任意型腔数控铣 削加工刀具运动轨迹生成方法。汤进等提出了覆盖点集及其相关的概念，并在此基础上 设计了一种基于等参线离散裁剪的刀具运动轨迹规划算法，可在满足指定精度的情况的刀具运动轨迹优化，显著提高效率。王知行等详细分析了一种新的刀具运动轨迹生成算 法一自适应等参数曲线。该算法具有等参数法生成刀具运动轨迹简单的优点，同时克服 了用等参数法生成刀具运动轨迹可能产生的刀具运动轨迹冗余的缺点。logo Y-J. Lin,T. S. Lee提出了一种用于自由曲面零件精加工的刀具运动轨迹生成算法。它的目的是 使一般的刀具运动轨迹生成方法适合加工含有分解的曲线、曲面

22、或雕塑曲面的零件。D.C. H. Yang,乙Han结合干涉检查和刀具优选提出了适合于自由曲面三轴数控加工的刀 具运动轨迹生成方法 。Alan C. Lin, and Hai-Terng Liu提出通过由接触或非接触测量装置得到的大量的数据点直接生成 3轴数控加工的刀具运动轨迹生成方法和算法。杨 光友等针对数控车削加工的特点，结合被加工零件的特征，提出了数控车削加工刀具运 动轨迹自动生成的算法。马宏余等进行了基于铣削特征的刀具运动轨迹生成方法的研 究。1.3工艺参数优化的研究为了解决加工系统的经济效益问题，提高机床的利用效率，各种加工参数优化的方 法相继提出，主要包括在线和离线参数优化方法两大

23、类。数控加工在线参数优化的国内外发展状况在线加工参数优化技术是自适应控制理论在数控加工领域的应用，也称为自适应控制(Adaptive Con trol)。通过在加工过程中随时检测切削力、刀具温度或机床主轴扭矩等变量，根据反馈的信息来实时地调节切削参数，以获得最优的切削效率，提高加工 质量。从美国本迪克斯公司1964年研制开发了第一个优化自适应数控系统以来，数十 年间，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，自适应控制系统的构成更容易、简洁 和廉价，从而极大地促进了数控加工在线参数优化的研究。第一个优化自适应系统(ACD)是美国本迪克斯公司于1964年在美国空军技术监督下研制开发成功的。该系统由一

24、台 型靠模铣床、控制器、传感器及自适应控制器组成，传感器测量切削力矩、刀具温度及 机械振动，自适应控制器利用这些数据可获得最优进给速度，并使规定的性能指标达到 最优化。但该系统并未得到推广应用，其主要原因是系统要求对刀具磨损进行在线测量， 而迄今为止还没有工业界广泛接受的直接测量刀具磨损的方法。1970年德国西门子公司研制成一台可控制 X, 丫轴方向进给速度的约束自适应控制 车床，该车床可在加工过程中利用传感器直接测量力矩信号。口本公司、意大利公司的 研究所也都相继研制出公约数自适应控制机床，以实现恒力矩加工，但由于在力矩信号 的处理和转换方面都做了不同程度的条件假设，因此限制了机床的实用性。

25、我国对自适应数控加工技术的研究开发起步较晚。1979年清华大学在国内率先对铣 削过程的功率约束自适应控制进行了试验性研究。1980年上海交通大学对以扭矩为约束 目标的数控车削自适应控制进行了试验研究。1983年北京航空航天大学研制出铣床的微 机自适应数控系统，该系统可根据实测的主轴电机电枢电流来确定主轴力矩。西安交通大学于1989年研制了用TP-801单板机作为自适应控制器的恒功率、 恒扭 矩的最优自适应控制系统。1993年哈尔滨工业大学对钻床和铣床的恒功率自适应控制系 统进行了较系统的分析，并研制出一套实用的功率检测系统。该系统对从刀具到电机的 传动链作了较大的结构模型上的工程近似，并在此基

26、础上用传统的自适应控制理论进行 在线自学习控制。但对于非线性的数控加工过程，其工程近似度毕竟有限，这一点是该 系统目前还不能推广应用的主要原因。1998年华中理工大学研制成功恒功率切削的自适 应数控铣削加工系统，该系统充分利用智能控制理论建模，克服了传统自适应控制理论 对时变非线性系统建模的局限性，为智能自适应数控加工的实用化提供了理论途径。但 该研究成果目前还存在一个致命的弱点，即测力传感器对加工工件尺寸及切削力的要求十分严格，而且所用的测力传感器造价昂贵，使得该系统目前还难以达到完全实用化。二十世纪九十年代末，以色列分别研制出了适用于数控车床和数控铣床(OMAT优铣装置）的金属切削自适应优

27、化系统，该系统降低生产成本最高可达 40%还具有自学习功 能，可以说是数控加工中的一项革命性突破。该系统己经实现了市场化。目前，我们国 家某些工厂的数控设备上就使用了该产品并且效果很好。OMA技术在全国己得到了一定程度的推广，受到了客户的好评。数控加工离线参数优化的国内外发展状况在现代加工生产中，为提高生产效率，获得较高的加工精度，关键是在加工之前能 够给出加工参数（如合理选择刀具、主轴转速、进给率等）的合理评判及对产品质量的合 理预测。如果我们能够建立起一个基于产品质量预测与分析的数控仿真系统，一方面它 既可以对工件及刀具做出精确的几何描述，对数控程序进行验证；另一方面又可以对加工过程中任意

28、时刻的几何信息进行提取（如切屑厚度，切屑几何形状，刀刃与工件啮合 部分）。根据数控加工过程的动力学模型，对影响加工质量的刀具、夹具及工件的弯曲、 疲劳、振动及温升进行科学的预测来获得优化的加工过程参数（如合适的刀具进给量等）。通过建立一个这样的仿真系统，在实际加工之前不仅可以获得优化的切削加工参 数，避免了传统的加工参数依照手册或经验的保守选择，充分发挥了机床的潜能，大大 提高了生产效率，而且可以对加工产品的精度进行预测，给出满足加工要求的误差补偿 方法，设计出合理的切削工艺方案。只有这样，数控仿真系统才会发挥更大的作用，才 能成为完善的、真正意义上的仿真系统。国外在数控加工过程仿真方面做了许

29、多工作。 美国Mayland大学开发了用于培训数 控操作人员的虚拟数控机床仿真器；作为AMT计划的一部分，美国NST也开展了虚拟机 床的研究；韩国Turbo-TEK公司开发出面向培训的虚拟数控车削及铣削加工环境，能够 实现数控加工的几何仿真并配有声音信息；口本SONY公司研制的FREDAS统可对球头 铣刀加工自由曲面进行三维仿真，并进行干涉、碰撞检查;意大利Bologn,大学用B样条 曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实感图形显示铣床精加工过程。目前，数控加工 过程仿真，尚属以理想几何图形来检验数控代码是否正确的几何仿真，此时刀具和工件 均被视为仅具几何形状的刚体，不考虑切削参数、切削力及其它

30、因素对切削加工的影响 。迄今为止，国内外绝大多数己开发研制出的数控仿真系统只能称为一个几何仿真系统。 清华大学与华中理工大学共同开发的加工过程仿真器HMPSffi哈尔滨工业大学的数控加工过程三维动态图形仿真器 NCMP虽然己较好地解决了加工过程图形的描述及数控代码 验证问题，但并没有模拟仿真出数控切削加工时机床、刀具、工件所实际表现出的物理 特性。在数控加工在线参数优化发展的同时，随着计算机仿真技术的口趋成熟，离线加工 过程参数优化的方法近年来也在迅速发展。与在线的自适应控制不同，离线的参数优化 是在实际加工之前，通过对加工状态的预测并结合己有的经验和数据来进行加工参数优 化。离线的参数优化又

31、可分为定参数优化及变参数优化，所谓定参数优化是指设计参数在一道工序中保持不变，反之称为变参数优化。定参数优化方法主要适用于零件在该工 序中切削条件变化不大的情况。定参数优化研究内容主要是利用己有的经验数据，以加 工效率、加工成本和加工质量中的一个或多个为目标建立数学模型，然后选用合适的寻 优算法为特定零件的某一道工序选择一组固定的最佳参数，主要包括进给量、主轴转速 等等。变参数优化主要是通过仿真的手段预测加工过程中一些重要的数据，并以此为依 据在约束范围内寻找特定目标的最优化加工参数。目前，变参数优化研究内容主要是以 最短加工时间为目标、以切削力为约束的进给量的优化。对铣削加工来说，长期以来，

32、 离线变参数优化的研究主要集中在铣削力模型的建立上，从早期的Wang到最近的Fussell和Jeong,铣削力计算模型经历了平均刚性力模型(根据材料去除率估算平均铣 削力，即MMR莫型)到瞬时刚性力模型的过程，并己口趋完善，但采用这些现代优化算 法对切削参数的研究还都处于初级阶段，并在特定的条件下具有一定的可行性和有效 性，同时也取得了一定的经济效益。1.4本文研究的主要内容由于在数控加工过程中，切削条件不是一成不变的，但在现在的数控加工中还大都 是人为的选择保守的切削参数，并且在加工过程中这些参数保持不变，从而大大降低了 数控机床的生产效率。课题的任务是采用通过对数控加工刀具，走刀轨迹的优选

33、，以及 对数控切削加工工艺参数优化目标、约束的研究，建立相应的数学优化模型，找到一种 相对简单的切削参数优化方法。(a) 基于加工工艺参数的刀具选择。分别对数控车削、铣削刀具及数控铣削刀具的优 选进行了阐述。(b) 确定加工工艺参数的优化目标。包括单目标函数数学模型的建立及多目标函数数 学模型的建立。(c) 建立正确的数学模型和恰当的约束条件。(d) 软件分析与计算。包括用MATLA求解的数控车削切削参数单目标优化2 基于加工工艺参数的刀具优选在数控加工中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

34、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，加工工艺参数的优化也要基于加工刀具的优选。2.1 数控铣削刀具优选现代铣削是种非常普遍的加工方式。过去几年以来，伴随着机床的不断发展，铣 削发展己经成为可加工大量不同结构产品的通用方法。铣削主要通过旋转的多切削刃 刀具，沿着工件在几乎任何方向上执行可编程的进给运动，从而完成金属切削。最常 见的应用是平面铣削，伴随着五轴加工中心和柔性制造单元的不断增多，其它的加工 方式和表面加工方法也得到了长远的发展。

35、数控铣削刀具应用十分广泛，各种平面轮廓和立体轮廓的零件，如凸轮、模具等都 采用数控铣床加工 ; 此外，数控铣床还可以进行钻、扩、铰、攻丝等加工。数控铣削常 用刀具的种类有面铣刀 （ 采用在盘状刀体上机夹刀片或刀头组成 ） 、立铣刀、成形铣刀、 球头铣刀和玉米铣刀等，它们的选用是根据加工的对象的情况来进行选择的。从铣削加 工的角度考虑，主要加工对象分为平面类零件 （ 加工面平行、垂直于水平面或加工面与 水平面成定角的零件 ） 、倾斜角类零件 （加工面与水平面的夹角是连续变化的零件 ）、曲 面类（立体类 ） 零件（加工面为空间曲面的零件 ） 。一般而言，平面类的零件广泛采用立铣 刀，也常用面铣刀铣

36、较大的平面 ; 倾斜角类零件和曲面类零件则常采用球头铣刀。总的 来讲，面铣刀常用于端铣较大的平面 ; 立铣刀广泛用于加工平面类零件 ;球头铣刀适用于 加工空间曲面零件，有时也用于平面类零件较大的转角或圆弧的差补加工 ; 而成形铣刀 一般都是为特定的工件或加工内容专门设计制造的， 适用于加工平面类零件的特定形状 （ 如角度面、凹槽面等 ） ，也适用于特殊形状的孔及台的加工。2.1.1 铣刀刀片的选择某些加工场合选用压制刀片是比较合适的，有时也需要选择磨制的刀片。粗加工最 好选用压制的刀片，这可降低加工成本。压制刀片的尺寸精度及刃口锋利程度比磨制刀 片差，但是压制刀片的刃口强度较好，粗加工时耐冲击

37、并能承受较大的切深和进给量。 压制的刀片有时前刀面上有卷屑槽， 可减小切削力，同时还可减小与工件、 切屑的摩擦， 降低功率需求。但是压制的刀片表面不像磨制刀片那么紧密，尺寸精度较差，在铣刀刀 体上各刀尖高度相差较多。由于压制刀片便宜，所以在生产上得到广泛应用。对于精铣，最好选用磨制刀片。这种刀片具有较好的尺寸精度，所以刀刃在铣中的 定位精度较高，可得到较好的加工精度及表面粗糙度。另外，精加工所用的磨制铣刀片 发展趋势是磨出卷屑槽，形成大的正前角切削刃，允许刀片在小进给、小切深上切削。 而没有尖锐前角的硬质合金刀片，当采用小进给小切深加工时，刀尖会摩擦工件，刀具 寿命短。磨过的大前角刀片，可以用

38、来铣削粘性的材料 （如不锈钢）。通过锋利刀刃的剪 切作用，减少了刀片与工件材料之间的摩擦，并且切屑能较快地从刀片前面离开。作为另一种组合，可以将压制刀片装在大多数铣刀的刀片座内，再配置一磨制的刮 光刀片；刮光刀片可清除粗加工刀痕，比只用压制刀片能得到较好的表面粗糙度。而应 用刮光刀片可减小循环时间、降 低成本。铣刀刀体的选择首先，在选择一把铣刀时，要考虑它的齿数。例如直径为100mm勺粗齿铣刀只有6个齿，而直径为100mm勺密齿铣刀却可有8个齿。齿距的大小将决定铣削时同时参与切 削的刀齿数目，影响到切削的平稳性和对机床功率的要求。每个铣刀生产厂家都有它自 己的粗齿、密齿铣刀系列。在进行重负荷粗

39、铣时，过大的切削力可使刚性较差的机床产生振颤。这种振颤会导 致硬质合金刀片的崩刃，从而缩短刀具寿命。选用粗齿铣刀可以降低对机床功率的要求 所以，当主轴孔规格较小时（如R-8, 30#, 40#锥孔），可以用粗齿铣刀有效地进行铣削 加工。粗齿铣刀多用于粗加工，因为它有较大的容屑槽。如果容屑槽不够大，将会造成卷 屑、排屑困难或切屑与刀体、工件的摩擦加剧。在同样进给速度下，粗齿铣刀每齿切削 负荷较密齿铣刀要大。精铣时切削深度较浅，一般为0.250.64mm每齿的切削负荷小，所需功率不大， 可以选择密齿铣刀，而且可以选用比较大的进给量。由于精铣中金属切除率总是有限， 密齿铣刀容屑槽小些也无妨。对于锥孔

40、规格较大、刚性较好的主轴，也可以用密齿铣刀进行粗铣。由于密齿铣刀 同时有较多的齿参与切削，当用较大切削深度 （1.275mm时，要注意机床功率和刚性 是否足够，铣刀容屑槽是否够大。排屑情况需要试验来验证，如果排屑有问题，应及时 调整切削用量。切削时冷却和涂层的选择平面铣削是否要冷却，存在争议。当用一个大直径面铣刀铣削时，冷却液难以喷到 整个铣刀。特别是铣削属于断续加工，刀片在频繁地切入、切出，实际上冷却液达不到 刀尖，而是刀尖切入时被加热，切出时被冷却。这种很快地加热、冷却，极易引起热裂 纹。如果刀片出现裂纹，并且在切削时从刀片座中落下，刀体还将会受到严重的损坏。现代的刀具涂层能使温度裂纹产生

41、的概率大大降低，更加促进了干式切削的发展， 特别是 TiAlN 涂层刀具很适合于干式切削。因为当切入金属时，切削的热量使 TiAlN 表 面发生化学变化，使表明硬度更高。干式切削的优点是操作者可以看清切屑实际的形状和颜色， 为操作者提供了评定切 削过程的信息，由于工件的化学成分不同，发出的信息也不一样 : 当加工碳钢时，形成 暗褐色切屑，说明采用切削速度适当 ; 当速度进一步提高，褐色切屑将变成蓝色。如果 切屑变黑，表明切削温度过高，此时应降低切削速度。不锈钢的导热率较低，其热量不能很好地传至切屑，所以加工不锈钢应选用适当的 切削速度，使切屑带有淡淡的棕褐色。如果切屑变成深褐色，表明其切削速度

42、己达最高 限度。有时，为避免刀瘤，加工不锈钢的切削热又是需要的。另外，冷却液会使切屑冷却太快而熔合在刀片上，导致刀具寿命降低。过高的进给 量会引起材料的堆积，而进给量过低又会使刀具与工件发生摩擦，也会导致过热。干切的目标是要调整切削速度与进给量， 使切削产生的热量传到切屑上而不是工件 或铣刀上。因此，应避免使用冷却液，以便观察飞溅的切屑，适当地调整切削速度和进 给量。热切屑意味着热量没有传到零件和刀具上，不会发生热裂纹，从而延长了刀具寿 命。但当加工易燃性的材料 （如镁和钦 ）时，应注意冷却并备好灭火设施。值得一提的是，当干切时，在螺钉与铣刀体的结合面应涂少量防止“咬死” （ 难以 拆卸）的化

43、合物也很重要，但要注意不要带进污物，否则会影响铣刀的安装精度。2.1.4 顺铣和逆铣的选择在进行逆铣时，刀片从零切削厚度处开始切削，这会产生很高的切削力，从而推动 铣刀和工件彼此远离。刀片被强行推入切口后，通常会与由正在切削的刀片所导致的加 工淬硬表面接触，同时在摩擦力和高温的作用下产生摩擦和抛光效果。切削力也更容易 将工件从工作台上抬起。在进行顺铣时，刀片从最大切屑厚度处开始切削。此举可通过降低热量和减弱加工 淬硬趋势来避免抛光效果。应用最大切屑厚度非常有利，并且切削力更容易将工件推入 铣刀，以使刀片进行切削作用。在进行铣削时，断屑有时会粘接或焊接到切削刃上，并且会聚集到下一刃切削的起 始周

44、围。进行逆铣时，断屑比较容易被截留或楔入到刀片和工件之间，从而会导致刀片 破裂。而进行顺铣时，同样的断屑会一分为二，从而不会损坏切削刃。无论机床、夹具和工件的要求如何，顺铣都是首选方法，这样会取得更好的加工效 果。因为逆铣时，刀片切入前产生强烈摩擦，造成加工表面硬化，使下一个刀齿难以切 入。当顺铣时应使铣削宽度大约等于 2/3 铣刀直径，这可保证刀刃一开始就能立即切入 工件，几乎没有摩擦。如果小于 1/2 铣刀直径，则刀片又开始“摩擦”工件，因为切入 时切削厚度变小，每齿进给量也将因径向切削宽度的变窄而减小。 “摩擦”的结果使刀 具寿命缩短，对于硬质合金刀具，增加每齿进给量和减小切削深度是比较

45、有利的。所以 粗铣时，若径向切削宽度小于铣刀半径时，增加走刀量，其刀具寿命将会提高，加工时 间随之缩短。当然，精铣需要工件表面光洁，所以应限制走刀量。试调整径向铣削宽度， 确定铣刀直径与径向铣削宽度之比的工作，最好在高精度机床上进行，以便在调整比率 的同时，观察其工件表面粗糙度的变化。2.2数控车削刀具优选数控车床是目前应用较广的数控机床，主要用于旋转体零件的车、镗、钻、铰、攻 丝等加工，一般能自动完成内外圆柱面、圆锥面、球面、端面等工序的切削加工。数控 车床能兼作粗、精车削，粗车时切削用量较大，要求粗车刀强度高、耐用度好；精车时直接决定着产品的质量，因而为了保证加工精度，要求刀具的精度高、耐

46、用度好。数控 车床使用的刀具有焊接式和机夹式之分，为减少换刀时间和方便对刀，应尽可能采用机 夹刀(目前数控机床除经济数控车床外，其他的己广泛地使用机夹式刀具)。机夹刀主要由刀体、刀片和刀片紧固系统三部分组成，机夹车刀按刀片紧固方式的不同又可分为杠 杆式、楔块式、螺钉式、上压式，采用何种刀夹系统则根据不同用途来定。如外车削时 则可考虑选用杠杆式或楔块式；用于内孔加工则可考虑选择螺钉式。一般根据加工零件 的加工精度、加工材料的软硬程度、加工的间断、连续、振动倾向等进行选择，刀片的 材料种类有硬质合金、涂层刀片、陶瓷、氮化硼等，一般采用涂层硬质合金刀片(涂层可增加刀片的耐用度，因为一般数控加工的切削

47、速度较高，而涂层在较高切削速度时能 体现其优越性，这也是普通车床使用硬质合金刀片一般不涂层的原因。涂层的材料有碳 化钦、氮化钦和氧化铝等)。刀片的形状有三角形、正方形、六边形等，它们根据相应 的刀夹系统而定。车刀的选用步骤(a) 确定工序类型：外圆/内孔；(b) 确定加工类型：外圆车削/端面车削/仿型车削/插入车削；(c) 确定刀具夹紧系统：M类夹紧/S类夹紧/P类夹紧；(d) 确定刀具形式；(e) 确定刀具中心高：16/20/25/32/40； 选择刀片：形状、型号、槽型、刀尖半径、牌号；(g)推荐切削参数：切削速度Vc、切削深度ap、进给量f。刀片材料和切削线速度(a) 高速钢车刀:203

48、0m/min车削HB260普通钢材;(b) 硬质合金：7090m/min车削HB26C普通钢材；(c) TiN 涂层硬质合金:100120m/min车削HB260普通钢材；(d) 氧化铝涂层硬质合金:200400m/min车削HB260普通钢材；(e) 金属陶瓷:200350m/min车削HB260奥氏体不锈钢； 陶瓷刀片:200400m/min车削HB300灰口铸铁；(g) CBN刀片:400800m/min车削灰口铸铁和淬硬钢及耐热合金；(h) 金刚石刀片:10003000m/min车削铝合金。2.2.3 内孔车刀杆的选择基本原则(a) 选择尽可能大的直径。(b) 选择尽可能小的刀杆悬伸；

49、普通钢刀杆表面处理HRC4爼右，刀杆夹持的最小长度 为2倍刀杆直径， 最佳长度为 3-4 倍刀杆直径 ;普通钢刀杆作内孔车削刀杆最大悬伸为 4 倍杆径，做内螺纹车削刀杆为 3 倍杆径，做内槽与仿形加工为 2 倍杆径，超出会有振 动发生；刀杆悬伸在 4倍到 7倍杆径时，可以使用重金属刀杆或者整体硬质合金刀杆。(c) 选择刚性尽可能大的夹紧，以减少振动的危险。(d) 冷却液 ( 或压缩空气 ) 可提高排屑能力和表面质量，特别是在深孔加工中。2.3 数控膛削刀具优选包含旋转刀具的钟削工序主要用于加工那些己经过预加工、铸造、锻造、挤压以及 气割的孔。通常粗加工可以应用在公差要求范围大的扩孔工序，并可为

50、精加工做准备， 从而使加工出的孔具有小公差和高表面质量。在加工中心上进行钟削加工通常是采用悬臂式的加工。 因而对钟刀刚性与精度要求 较高。目前常用的精钟孔钟刀有精钟微调刀头，这种钟刀的径向尺寸可以在一定的范围 内进行微调，通用性好。近几年来广泛使用双刃机夹钟刀，这种刀具系统不仅更换刀片 方便，不需重磨，且尺寸可调，刚性好，切削精度也较高。通常，推荐钟削最大孔深为 四倍刀杆直径，对于较深孔地粗钟和精钟，应选用具有防振钟削地刀具。孔加工刀具包括钻头、 扩孔钻、钟刀、铰刀和内表面拉刀等。 和其它机械加工相比， 钟孔加工是相对较难的一种加工方法。它只靠调节一枚刀片 (或刀片座)要加工出象 H7, H6

51、这样的微米级的孔。随着加工中心的普及，现在的钟孔加工只需要进行编程和简单的 按扭操作就可完成。正因为这样，就需要有更简单、更方便、更精密的刀具来保证产品 的质量。2.3.1 刀具转动和车床加工不同，加工中心加工时由于刀具转动，便不可能在加工中及时掌握刀尖的情况来调节进刀量等。 也不可能像数控车床那样可以只调节数控按扭就可以改变加工 直径。这便成了完全自动化加工的一个很大的障碍。也正因为这样所以就要求钟刀必须 具有微调机构或自动补偿机能，特别是在精钟时根据公差要求有时必须在微米级调节。另外，加工中心钟孔时由于切屑的流出方向在不断地改变，所以刀尖、工件的冷却 以及切屑的排出都要比车床加工时难的多。

52、232刀具的颠振钟孔加工时最常出现的、也是最令人头疼问题是颠振。在加工中心上发生颠振的原 因主要有以下几点：(a) 工具系统的刚性：包括刀柄、钟杆、以及中间连接部分的刚性。因为是悬臂加工所 以特别是小孔、深孔及硬质工件的加工，工具系统的刚性尤为重要。(b) 刀具系统的动平衡：相对于刀具系统的转动轴心，刀具自身如有不平衡情况，在转 动时因不平衡的离心力的作用也会导致颠振的发生。特别是在高速加工时刀具的动平衡 性所产生影响很大。(c) 工件自身或工件的固定刚性：像一些较小、较薄的部件由于其自身的刚性不足，或 由于工件形状等原因无法使用合理的夹具进行充分的固定。(d) 刀片的刀尖形状：刀片的前角、刀

53、尖半径、断屑槽形状的不同所产生的切削抗力也 不同。(e) 切削条件：包括切削速度、进给量、进刀量以及给切削液方式及种类等。 机器的主轴系统：机器主轴自身的刚性、轴承及齿轮的性能以及主轴和刀柄之间的 连接刚性。233刀具的装夹在钟孔时，最重要的是在加工中心上正确装夹刀具。在小孔钟削中，刀具的中心高 是导致刀具失效的重要因素。如果刀具安装低于中心高，将影响刀具的加工性能。主要表现在以下几方面：(a) 切削刃相对于工件的主后角减小，导致刀具的后刀面与工件接触，使刀片与工件 之间发生摩擦，当刀片旋转时，这种摩擦进一步会使刀尖发生偏离，导致刀具更深地切入工件。切削刃的几何参数对切削效率的高低和加工质量的

54、好坏有很大影响。增大前角,可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削 力和切削热。但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体 积。(b) 当刀具后角减小时，刀片相对于工件的前角也增大，从而引起刀具刮削工件，引 起刀具振动并损坏刀具。这种情况在钟削小孔时更为严重。为此建议刀具安装应略高于 中心高(但应尽可能接近中心高)。这样可使刀具相对于工件的法向后角增大，切削条件 得到改善，如果加工时产生振动，刀尖会向下和向中心偏斜，从而接近理想的中心高。 刀具也可轻微地退出，减小削伤工件的可能性。此外，刀具前角也将减小，这样可稳定 工作压力。如果前角减小到0 :，

55、就会产生太大的工作压力，导致刀具失效。所以在钟孔 时，应选取正前角的钟刀，在钟Imm的小孔时，钟杆的直径只有0. 75mm左右，使刀具 承受的切削力减小。切屑的排出在钟孔时，切屑的有效排出至关重要。加工时，由于刀具在孔内，切削液很难到达 切削刃，造成切屑排出困难，影响刀具寿命。为解决这一难题，一些刀具制造商开发出 一种沿切削刃带冷却槽的刀片，使切削液直接流向切削刃，防止切屑堵塞和刀具损坏。2.4数控钻削刀具优选钻头的设计历史经历了 1800年单刃钻头-1820年麻花钻头-1900年高速钢麻花 钻头-1930年硬质合金钻头-1970年可转位硬质合金镶片钻头 -今天高性能硬质合金 钻头。在金属切削

56、中，钻头的消耗量约占刀具总消耗量的23。在加工中心上大约有2030%勺工时用来进行钻削加工。可见钻削刀具在切削加工中的重要性。一般使用刀具样 本上有的通用刀具，如中心钻、麻花钻、丝锥等，刀具的尺寸规格按零件图及加工余量 来选定。以麻花钻为例，它的柄部有锥柄与直柄之分，较大规格的麻花钻多为锥柄，小 直径的麻花钻多为直柄；同时，麻花钻又有标准型与加长型两种为了提高钻头刚性，应 尽可能选用较短的钻头。在加工中心上钻孔都是无钻模直接钻孔，因而对钻头的要求较 高，钻头的两主切削刃必须有较高的对称度，在钻孔前最好先用中心钻钻一中心孔，以 保证位置精度。钻大孔时，可采用刚度较好的硬质合金扁钻。当孔的形位精度

57、要求不是 太高时，一般采用扩孔钻扩孔。扩孔钻的刀体强度高、刚性好，能采用较大的进给量和 切削速度，其导向性好，切削平稳，但不能很好地纠正钻孔留下的加工误差。当孔的形 位精度要求较高时，如果孔的深度不是太深可用键槽铣刀来进行铰孔前的扩孔加工。2.5刀具几何参数的合理选择刀具合理几何参数所谓合理的刀具几何参数，是指在一定的切削条件下能保证刀具磨损最慢、刀具耐 用度最高，保证被加工工件的表面质量，并能满足提高生产率、降低成本的刀具几何参 数。刀具的几何参数包含以下的内容：(a) 切削刃的形状：如直线刃、折线刃、圆弧刃、刀尖的形状等。(b) 切削刃区的剖面型式(简称为刃区型式):常用的是锋刃，也可以在

58、切削刃区磨出负 倒棱，消振棱等。(C)刀面型式：如前刃面上磨出断屑槽等。(d)刀具的切削角度。刀具合理几何参数选择的一般原则在选择刀具合理几何参数时应注意以下几个问题 ：(a) 注意各个几何参数之间的联系：刀具的刃形、刃区、刃面和角度之间是相互联系的， 应该综合起来考虑它们之间的作用与影响，分别确定其合理的数值。不能不考虑它们之 间的内在联系而孤立地选择某一参数。(b) 要考虑具体的加工条件：要考虑机床、夹具、系统刚度及功率大小，切削用量及切削液性能等情况。一般粗加工时，要着重考虑保证刀具最高耐用度；精加工时，着重考虑保证加工质量要求；对于自动线生产用刀具，主要考虑刀具工作的稳定性，有时需要 着重解决断屑问题；机床的刚性和动力不足时，刀具应力求锋利，