加工中心刀具的正确选用探析
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摘 要：如果只有先进的加工中心，没有与之相配套的先进刀具、工具系统和刀具管理系统，或者没有掌握刀具的合理使用，加工中心的效能就得不到充分发挥。因此，如何根据实际情况来正确选用刀具，是技术人员必须掌握的技能。
关键词：加工中心；刀具种类；刀具的选择
加工中心是用数字代码形式的信息（即程序指令），控制刀具按照给定的程序，运动速度和轨迹进行自动加工，并能自动更换刀具，对一次装夹的工件进行多工序加工的高效自动化机床。上世纪七十年代以来得到迅速发展，目前已被广泛应用于机械加工行业中，加工对象主要包括了既有平面又有孔系的零件及结构形状复杂、普通机床难加工的零件。这些零件一般都需要进行平面、孔系、轮廓等的多工位加工，公差要求特别是形位公差要求较为严格，通常要经过铣、镗、钻、扩、锪、铰、攻丝等工序，加工中心可选用的刀具较多，同时在加工中采用自动换刀形式换刀，必须保证所选刀具安装调试方便。因此，与一般的数控加工方法相比，加工中心对刀具提出了更高的要求，刀具的选择成为了中心工艺设计中的重要内容之一。
一、刀具的种类及特点
加工中心的刀具种类很多，通常可按照以下方法进行分类：
1.从制造所采用的材料可分为：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、超硬刀具。
2.从结构上可分为：（1）整体式、镶嵌式。镶嵌式刀具可分为焊接式和机夹式两种。机夹式根据刀体结构不同，也可分为可转位和不转位。（2）减振式、内冷式。内冷式即切削液通过刀体内部由喷口喷射到刀具的切削刃部，起到冷却刀具和工件，并冲走切屑的作用。另外，还有特殊型式刀具，如复合刀具，可逆螺纹刀具等。
3.从切削工艺上可分为：（1）铣削刀具，包括面铣刀、立铣刀、模具铣刀、键槽铣刀、鼓形铣刀等；（2）孔加工刀具，包括了钻孔刀具、扩孔刀具、铰孔刀具、镗孔刀具等。
为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等要求，近几年机夹式可转位刀具得到了广泛应用，在数量上达到了整个数控刀具的30%～40%，金属切除量占总数的80%～90%。为了达到高效、多能、快换、经济的目的，数控加工刀具与普通金属切削刀具相比应具有以下特点：（1）刚性好，精度高，抗振及热变形小；（2）互换性好，便于快速换刀；（3）寿命高，切削性能稳定、可靠；（4）刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间；（5）刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除；（6）刀具几何参数和切削参数的规范化、典型化；（7）刀具材料及切削参数与被加工工件的材料之间匹配的选用原则。
二、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，根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量等相关因素，正确选用刀具。刀具选择的总原则是：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.从材料上进行选择。
数控刀具材料有高速钢（分为W系列高速钢和Mo系列高速钢）、硬质合金（分为钨钴类、钨钛钴类和钨钛钽（铌）钴类）、陶瓷（纯氧化铝类和TiC添加类）、立方碳化硼和聚晶金刚石。制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性，并不易变形。 刀具材料的选用见图1。
根据数控加工对刀具的要求，选择刀具材料的一般原则是尽可能选择硬质合金刀具。20世纪80年代以前，高速钢处于领先地位，90年代以后，硬质合金超越了高速钢。而近些年，又出现了许多硬质合金的新品种，使硬质合金刀具在铣削、钻削、铰
图1 理想刀具材料示意图
孔、锉孔等有着大量的运用。因此，凡是加工情况允许选用硬质合金刀具，就尽量不选用高速钢刀具。必要时还可有针对性地选择性能更好的陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具。
实习实训 加工中心刀具的正确选用探析
根据硬质合金刀具和高速钢刀具的特点笔者做了以下对比：（1）高速钢刀具：刀刃锋利，刚性差，软而难断，易磨损，价格便宜，加工精度不够，主要用于加工材料硬度较低的工件。（2）硬质合金刀具：硬而脆，耐高温，主要用于加工硬度较高的工件。硬质合金刀具不耐冲击，因此需较高转速加工，否则容易崩刀。根据高速钢的特征，故可在下列情况下使用：①不能进行高速加工时；②机床刚性差时；③希望刀具费用价廉时；④不要求加工精度时。
2.从结构上进行选择。
整体结构是在刀体上做出切削刃；焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上； 机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金一般制成焊接结构或机械夹固结构；陶瓷刀具都采用机械夹固结构。
加工中心刀具结构选择的一般原则是尽可能采用镶嵌式机夹可转位刀片，因为与焊接刀具和整体刀具相比，可转位刀具有下述优点：（1）刀具刚性好，寿命高；（2）生产效率高，定位精度高；（3）可转位刀具的刀体可重复使用，节约钢材和制造费用；（4）可转位刀具大多可以进行干切削，能节省冷却液的费用，并可保持机床整洁，减少辅助时间；（5）可转位刀具的系列化、标准化使其具有广泛的适用性，有利于推广使用涂层、陶瓷等新型刀具材料。
3.从切削工艺上进行选择。
加工中心刀具主要分为铣削刀具和孔加工刀具两大类。
铣削刀具的选择主要是铣刀类型和铣刀尺寸的选择。铣刀类型应与工件表面形状与尺寸相适应。加工较大的平面应选择面铣刀；加工凹槽或者是较小的台阶及平面轮廓时应选择立铣刀；加工曲面应选择球头铣刀；加工模具型腔或凸模成形表面等多选用模具铣刀；加工封闭的键槽选择键槽铣刀；加工变斜角面应选用鼓形铣刀；加工各种直的或圆弧形的凹槽、斜角面、特殊孔等应选用成形铣刀。当粗铣或铣不重要的加工平面时，可使用粗齿铣刀；当精铣时，可选用密齿铣刀，用小进给量达到低的表面粗糙度；当铣材料较硬的金属时，必须选用密齿铣刀，同时进给量要小，以防止振动。
铣刀尺寸也应与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。刀具直径的选用主要取决于设备的规格和工件的加工尺寸，另外还要考虑刀具所需功率应在机床功率范围之内。粗铣时铣刀直径要小些，精铣时铣刀直径要尽量大些，最好能够包容整个加工宽度。表面要求高时，还可以选择使用具有修光效果的刀片。
而孔加工刀具可分为钻孔刀具、镗孔刀具、扩孔刀具和铰孔刀具。
（1）钻孔刀具较多，主要有普通麻花钻、可转位浅孔钻以及扁钻。用加工中心钻孔通常都会采用普通麻花钻，普通麻花钻主要由工作部分和柄部组成的。刀具柄部分为直柄和锥柄两种。如图2所示，（a）是锥柄麻花钻，（b）是直柄麻花钻。直柄工具的刀柄主要是弹簧夹头刀柄，其具有自动定心、自动消除偏摆的优点，所以小规格的刀具最好选用该类型。而工作部分包括切削部分和导向部分，如（c）所示，麻花钻的切削部分有2个主切削刃、2个副切削刃、1个横刃。麻花钻的导向部位起导向、修光排屑和输送切削液作用。麻花钻一般用于精度较低孔的粗加工，由于加工中心所用夹具没有钻套定心导向，钻头在高速旋转切削时容易会发生偏摆运动，而且钻头的横刃长，所以在钻孔时，要用中心钻打中心孔，用以引正钻头。
图2 麻花钻的组成
（2）镗削的主要特点是获得精确的孔的位置尺寸，得到高精度的圆度、圆柱度和表面粗糙度，所以，对精度较高的孔可用镗刀来保证。镗刀按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀，镗削通孔、盲孔、阶梯孔可采用单刃镗刀来完成；加工大直径孔时，可采用双刃镗刀。另外，还有一种微调镗刀，在加工中心上目前较多地选用微调镗刀进行孔的精镗，这种镗刀调节方便且精度高。
（3）加工中心多采用扩孔钻进行扩孔，也有用扩孔刀进行扩孔的，比如扩孔直径较小时，可选用直柄式扩孔刀；扩孔直径中等时，可选用锥柄式扩孔刀；扩孔直径大时，可用套式扩孔刀。另外，还可用键槽铣刀或者立铣刀进行扩孔，它比用普通扩孔钻进行可控的加工精度要高。因为立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，可以同时进行切削，也可单独进行切削，且加工中心的刀具既能轴向进给，也可以像卧式铣床那样做横向进给。因此，在加工中心上用螺旋插补指令，采用立铣刀扩孔，只选用一把刀具就可完成多个不同孔径的加工。
（4）铰孔一般在加工的最后阶段，大部分用于直径小于Φ25mm孔的精加工。因为铰孔的齿数多，导向好，容屑槽浅，刚性好，加工后孔的尺寸精度可达IT7～IT9级，表面粗糙度可达Ra1.6～0.8μm。普通标准铰刀有直柄、锥柄和套式三种。小孔直柄铰刀直径为16mm，直柄交到直径为6～20mm，锥柄铰刀直径为10～32mm，套式铰刀直径为25～80mm，加工时可根据需要选择。
三、结论
子曰：“工欲善其事，必先利其器”。如何根据实际情况正确选用刀具，是技术人员必须掌握的技能。在选择刀具时，必须结合企业生产情况和加工零件、设备的性能及属性，综合考虑机床类型、工件材料、加工精度以及工艺方案等众多因素。只有对加工中心刀具结构和选用有了充分的了解和认识，充分发挥刀具的潜能，才能在实际工作中灵活运用，保证工件的加工精度，使机床的加工效率得到充分提高。
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