【关键词】数控；刀具；参数
中图分类号：TP27文献标识码：A文章编号：1006-0278(2012)04-125-01
数控加工具有高速、高效和自动化程度高的特点，数控刀具一般分为整理刀具、专用刀具及某些特殊刀具。刀具通过刀柄连接并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。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特殊形式，如复合式刀具、减振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（涂层和非涂层）。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。随着数控技术的发展，要求我们换刀迅速，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％～40％，金属切除量占总数的80％一90％。
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。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系列化、标准化，以利于编程和刀具管理。
由于数控刀具具有以上特点，以及数控技术发展需要，市面上各类辅导书花样翻新，层出不穷，其质量参差不齐，有的作者只是为了赚取稿费，其中设置参数很是随意，直接造成的后果就是很多学生拿到书籍，不知道应该相信哪本书，也给我们日常教学带来很多的麻烦，经常出现的事情就是，学生拿着书怀疑我们教学内容的准确性。
这里有一个我经历的例子，某次全国性质的金工实习培训项目，有数十位相关人员参加，我们单位负责数控铣床实习操作，我们准备的材料为易切削刚，45#钢，使用的刀具为16高速钢键槽铣刀，刀具为新刀具，倒角大小为0.5mm。机床种类为自贡数控加工中心，X轴行程1050mm,机床的刚性良好。无冷却液状态加工。我们指导人员设置的加工参数分别为：S=400n/min，t=1mm.f=150mm/min。按照这一组参数加工，机床加工状态良好，噪音很小，机床没有什么明显的抖动。操作工程中，其中一位年轻老师反对我们设置的参数，要求更改S=600n/min，及t=2mm，我们分别做了实验：
采取S=600n/min时，刀具很快磨损，铁屑形状有片状变为碎末，铁屑颜色由淡黄色变为蓝色，直至加工过程中产生刺耳的摩擦声音，说明S=600mm/min参数设置不合适分析原因是刀具线速度过快，刀具与工件剧烈摩擦，产生的热量来不及排除，造成刀具硬度下降，从而快速磨损。
t=2mm时，加工样式为一封闭槽，刀具加工工件时，机床剧烈抖动，刀具崩裂且主轴停转，报警显示为，扭矩过大。造成原因我们分析为加工深度过大，刀具受力变大，超过主轴扭矩要求，造成刀具损坏，从而使机床主轴停转。这只是其中一个简单的例子，如果按照某些参考书设置，问题更大，他们无论加工什么材料，刀具直径多大，都能设置相同参数，这是令人值得深思。
下面是我就依照我做加工，以及针对特定材料刀具做的破坏性试验，得到的一些参数，日常加工的到的参数设置关系，与大家交换一下意见。加工材料同样是45#钢，刀具为16高速钢键槽铣刀，采取无冷却液加工方式。
可以按照这个规律选择:
（1）刀具的线速度满足f=15~25M/min,一般选取f=17~20M/min，这个可以根据加工条件进行上下浮动，我习惯选择线速度为19mm/min，因为数控车床加工过程是连续切削，所以数控车选择速度可以略慢一些。其受限制因素有如下几点：1、刀具类型材料及待加工工件材料;2、机床性能;3、加工工时限制;4.冷却条件。
（2）线速度的计算式：v=2%ir/T,v=2%irf,v=r%r。按照线速度公式，我们可以得出，线速度选取19~20M/min时，?16高速钢刀具，其转速选择400n/min还是符合要求的。当然随着工件材料硬度变化，速度需要适当调整。
（3）切削深度条件。一般情况下加工选择：“宜宽不宜深”，也就是说加工过程中优先选择宽度方向加大，而深度方向需要减小。过大的加工深度直接影响加工质量，及刀具寿命，通过破坏性试验得出，粗加工深度一般为直径的0.05~0.2，半精加工0.5~0.8mm，精加工一般小于0.5mm。
（4）进给量选择，一般按照每齿进给量计算，推荐选取范围为0.03~0.15mm/齿.然后每齿进给量与转速、齿数相乘，的到位们需要的进给量。
当然所有的参数选择都是要根据实际情况来选取，尽信书不如无书，这个道理大家都需要明白的，比如说加工铝合金材料进不能完全按照某些经验值来选择，因为铝合金材料具有较大的粘性，加工铝合金材料是，铝合金碎末经常是粘接在刀具上，如果不能够及时清理，刀具就很容易损坏。另外就是不锈钢材料，因为不锈钢材料的加工硬化特性，每一刀加工深度的选择，就不能完全依照“宜宽不宜深”的原则，这时候加工深度就需要采取跨过加工硬化层的方式，否则很难加工。当然这种类似的例子还有很多，就不一一列举了。
另外，刀具材料不仅仅包括高速钢刀具，还有硬质合金钢刀具，各种涂层刀具。以合金钢刀具为例，我们进过实验，认为刀具线速度取89~92M/min，比较合适，其余带涂层类刀具参数，不能完全按照刀具生产厂家给的参数执行，因为他们得到的参数是最理想状态下的到的参数，具体执行建议取50~70%。当然，具体加工效果还是需要读者自行试验，因为理论知识往往受现实因素影响很大。
量。
关键字：数控刀具切削用量
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。CAD/CAM技术的发展，使得在数控加工中直接利用CAD的设计数据成为可能，特别是DNC系统微机与数控机床的联接，使得设计、工艺规划及编程的整个过程全部在计算机上完成，一般不需要输出专门的工艺
文件。
目前，许多CAD/CAM软件包都提供自动编程功能，这些软件一般是在编程界面
提示工艺规划的有关问题，如，刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等，编程
员只要设置了有关的参数，就可以自动生成NC程序并传输至数控机床完成加工。
一、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，一般应包括整理刀具、整理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。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%～40%，金属切除量占总数的80%～90%。
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；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系列化、标准化，以利于编程和刀具管理。
二、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。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（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。
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换刀动作。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。
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；③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。
三、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t。在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，t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。②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。③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。
【关键词】数控车床；刀具补偿；编程
数控车床通常连续实行各种切削加工，刀架在换刀时前一刀具刀尖位置和新换的刀具位置之间会产生差异，加之刀具安装、刀具磨损和刀尖圆弧半径等存在的误差，若不利用刀具补偿功能予以补偿，加工出的零件就难以符合图样要求。数控车床的刀具补偿可分为三类，刀具位置补偿，刀具半径补偿和刀具位置补偿。
一、刀具位置补偿
在数控切削加工过程中，若使用多把刀具，通常取刀架中心位置作为编程原点，即以刀架中心！为程序的起始点，如图1所示，而刀具实际移动轨迹则由刀具位置补偿值控制。由图1（a）可见，刀具位置补偿包含刀具几何补偿值和磨损补偿值。
由于存在两种形式的偏移量，所以刀具位置补偿必须使用两种方法，一种方法是将几何补偿值和磨损补偿值分别设定存储单元存放补偿值，其格式为：
另一种方法是将几何偏移量和磨损偏移量合起来补偿，如图1（b）所示，其格式为：
总补偿值存储单元编号有两个作用，一个作用是选择刀具号对应的补偿值，并执行刀具位置补偿功能；另一个作用是当存储单元编号00时可以取消位置补偿，例如T0100，表示消去1号刀具当前的补偿值。图2表示位置补偿的作用，图2中的实线是刀架中心!点的编程轨迹线，虚线是执行位置补偿时A点的实际轨迹线，实际轨迹的方位和X、Z轴的补偿值有关，其程序为：
数控车床系统刀具结构如图3所示。图3中P为假想刀尖，S为刀头圆弧圆心，r为刀头半径，A为刀架参考点。
车床的控制点是刀架中心，所以刀具位置补偿始终需要。刀具位置补偿是用来实现刀尖圆弧中心轨迹与刀架参考点之间的转换，对应图3中A与S之间的转换，但是实际上我们不能直接测得这两个中心点之间的距离矢量，而只能测得假想刀尖P与刀架参考点A之间的距离。
为了简便起见，不妨假设刀头半径r=0，这时可采用刀具长度测量装置测出假想刀尖点P相对于刀架参考点的坐标XPA和ZPA，并存入刀具参数表中。
XPA=XP-X；ZPA=ZP-Z。
图4(表示圆弧刀尖有半径补偿和无半径补偿时的轨迹。从图4中可以看出，采用假想刀尖P编程时，刀具圆弧中心轨迹如图(中双点划线所示，刀具实际加工轨迹和工件要求的轮廓形状存在误图4。
圆弧刀尖有半径补偿和无半径补偿时的轨迹差，误差大小和圆弧半径r有关。若采用刀具圆弧中心编程并使用半径补偿功能时刀具圆弧中心的轨迹是图4中的细实线，加工轨迹和工件要求的轮廓相等。
二、刀具半径补偿：
刀具半径补偿的概念正像使用了刀具长度补偿在编程时基本上不用考虑刀具的长度一样，因为有了刀具半径补偿，我们在编程时可以不要太多考虑刀具的直径大小了。刀长补偿对所有的刀具都适用，而刀具半径补偿则一般只用于铣刀类刀具。当铣刀加工工件的外或内轮廓时，就用得上刀具半径补偿，当用端面铣刀加工工件的端面时则只需刀具长度补偿。因为刀具半径补偿是一个比较难以理解和使用的一个指令，所以在编程中很多人不愿使用它。但是我们一旦理解和掌握了它，使用起来对我们的编程和加工将带来很大的方便。当编程者准备编一个用铣刀加工一个工件的外形的程序时，要根据工件的外形尺寸和刀具的半径进行细致的计算坐标值来明确刀具中心所走的路线。此时所用的刀具半径只是这把铣刀的半径值，当辛辛苦苦编完程序后发现这把铣刀不太适合要换用其他直径的刀具，编程员就要不辞辛劳地重新计算刀具中心所走的路线的坐标值。这对于一个简单的工件问题不太大，对于外形复杂的模具来说重新计算简直是太困难了。一个工件的外形加工分粗加工和精加工，这样粗加工程序编好后也就是完成了粗加工。因为经过粗加工，工件外形尺寸发生了变化，接下来又要计算精加工的刀具中心坐标值，工作量就更大了。此时，如果用了刀具半径补偿，这些麻烦都迎刃而解了。我们可以忽略刀具半径，而根据工件尺寸进行编程，然后把刀具半径作为半径补偿放在半径补偿寄存器里。临时更换铣刀也好、进行粗精加工也好，我们只需更改刀具半径补偿值，就可以控制工件外形尺寸的大小了，对程序基本不用作一点修改。
刀具半径补偿的使用刀具半径补偿的使用是通过指令G41、G42来执行的。补偿有两个方向，即沿刀具切削进给方向垂直方向的左面和右面进行补偿，符合左右手定则；G41是左补偿，符合左手定则；G42是右补偿，符合右手定则，刀具半径补偿的起刀位置很重要，如果使用不当刀具所加工的路径容易出错，因此，在使用G41、G42进行半径补偿时应采取以下步骤：第一，设置刀具半径补偿值；第二，让刀具移动来使补偿有效（此时不能切削工件）； 第三，正确地取消半径补偿（此时也不能切削工件）。记住，在切削完成而刀具补偿结束时，一定要用G40使补偿无效。G40的使用同样遇到和使补偿有效相同的问题，一定要等刀具完全切削完毕并安全地推出工件以后才能执行G40命令来取消补偿。
三、刀具长度补偿：
我们在对一个零件编程的时候，首先要指定零件的编程中心，然后才能建立工件编程坐标系，而此坐标系只是一个工件坐标系，零点一般在工件上。长度补偿只是和Z坐标有关，它不象X、Y平面内的编程零点，因为刀具是由主轴锥孔定位而不改变，对于Z坐标的零点就不一样了。每一把刀的长度都是不同的，例如，我们要钻一个深为50mm的孔，然后攻丝深为45mm，分别用一把长为250mm的钻头和一把长为350mm的丝锥。先用钻头钻孔深50mm，此时机床已经设定工件零点，当换上丝锥攻丝时，如果两把刀都从设定零点开始加工，丝锥因为比钻头长而攻丝过长，损坏刀具和工件。此时如果设定刀具补偿，把丝锥和钻头的长度进行补偿，此时机床零点设定之后，即使丝锥和钻头长度不同，因补偿的存在，在调用丝锥工作时，零点Z坐标已经自动向Z+（或Z）补偿了丝锥的长度，保证了加工零点的正确。
刀具长度补偿的工作使用刀具长度补偿是通过执行含有G43（G44）和H指令来实现的，同时我们给出一个Z坐标值，这样刀具在补偿之后移动到离工件表面距离为Z的地方。另外一个指令G49是取消G43（G44）指令的，其实我们不必使用这个指令，因为每把刀具都有自己的长度补偿，当换刀时，利用G43（G44）H指令赋予了自己的刀长补偿而自动取消了前一把刀具的长度补偿。
刀具长度补偿的两种方式。一是，用刀具的实际长度作为刀长的补偿（推荐使用这种方式）。使用刀长作为补偿就是使用对刀仪测量刀具的长度，然后把这个数值输入到刀具长度补偿寄存器中，作为刀长补偿。使用刀具长度作为刀长补偿的理由如下：首先，使用刀具长度作为刀长补偿，可以避免在不同的工件加工中不断地修改刀长偏置。这样一把刀具用在不同的工件上也不用修改刀长偏置。在这种情况下，可以按照一定的刀具编号规则，给每一把刀具作档案，用一个小标牌写上每把刀具的相关参数，包括刀具的长度、半径等资料，事实上许多大型的机械加工型企业对数控加工设备的刀具管理都采用这种办法。这对于那些专门设有刀具管理部门的公司来说，就用不着和操作工面对面地告诉刀具的参数了，同时即使因刀库容量原因把刀具取下来等下次重新装上时，只需根据标牌上的刀长数值作为刀具长度补偿而不需再进行测量。其次，使用刀具长度作为刀长补偿，可以让机床一边进行加工运行，一边在对刀仪上进行其他刀具的长度测量，而不必因为在机床上对刀而占用机床运行时间，这样可以充分发挥加工中心的效率。这样主轴移动到编程Z坐标点时，就是主轴坐标加上（或减去）刀具长度补偿后的Z坐标数值。
刀具长度补偿的另一种方式是利用刀尖在Z方向上与编程零点的距离值（有正负之分）作为补偿值。这种方法适用于机床只有一个人操作而没有足够的时间来利用对刀仪测量刀具的长度时使用。这样做当用一把刀加工另外的工件时就要重新进行刀长补偿的设置。使用这种方法进行刀长补偿时，补偿值就是主轴从机床Z坐标零点移动到工件编程零点时的刀尖移动距离，因此此补偿值总是负值而且很大。
在数控加工中，由于刀尖有圆弧,工件轮廓是刀具运动包络形成，因此刀位点的运动轨迹与工件的轮廓是不重合的。在全功能数控系统中，刀补值有着非常重要的作用，灵活、合理地运用刀补值并结合刀补原理正确编制程序是保证数控加工有效性、准确性的重要因素，可应用其刀具补偿指令，按工件轮廓尺寸，很方便地进行编程加工。在经济型数控系统中，可以根据工件轮廓尺寸、刀具等计算出刀位点的运动轨迹，按此编程，也可按局部补偿的方法来解决。
参考文献：
[1]严爱珍,主编.机床数控原理与系统[M].北京:机械工业出版社,2001.
[2]王爱玲,主编.现代数控编程技术及应用[M].北京:国防工业出版社,2002.