刀具的選擇是數控加工工藝中的重要内容之一，不僅影響機床的加工效率，而且直接影響零件的加工質量。由于數控機床的主軸轉速及範圍遠遠高于普通機床，而且主軸輸出功率較大，因此與傳統加工方法相比，對數控加工刀具的提出了更高的要求，包括精度高、強度大、剛性好、耐用度高，而且要求尺寸穩定，安裝調整方便。這就要求刀具的結構合理、幾何參數标準化、系列化。

1 數控刀具是提高加工效率的先決

它的選用取決于被加工零件的幾何形狀、材料狀态、夾具和機床選用刀具的剛性。應考慮以下方面：

（1）根據零件材料的切削性能選擇刀具。如車或銑高強度鋼、钛合金、不鏽鋼零件，建議選擇耐磨性較好的可轉位硬質合金刀具。

（2）根據零件的加工階段選擇刀具。即粗加工階段以去除餘量為主，應選擇剛性較好、精度較低的刀具，半精加工、精加工階段以保證零件的加工精度和産品質量為主，應選擇耐用度高、精度較高的刀具，粗加工階段所用刀具的精度最低、而精加工階段所用刀具的精度最高。如果粗、精加工選擇相同的刀具，建議粗加工時選用精加工淘汰下來的刀具，因為精加工淘汰的刀具磨損情況大多為刃部輕微磨損，塗層磨損修光，繼續使用會影響精加工的加工質量，但對粗加工的影響較小。

（3）根據加工區域的特點選擇刀具和幾何參數。在零件結構允許的情況下應選用大直徑、長徑比值小的刀具；切削薄壁、超薄壁零件的過中心銑刀端刃應有足夠的向心角，以減少刀具和切削部位的切削力。加工鋁、銅等較軟材料零件時應選擇前角稍大一些的立銑刀，齒數也不要超過4齒。

選取刀具時，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸相适應。生産中，平面零件周邊輪廓的加工，常采用立銑刀；銑削平面時，應選硬質合金刀片銑刀；加工凸台、凹槽時，選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時，可選取鑲硬質合金刀片的玉米銑刀；對一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。

在進行自由曲面加工時，由于球頭刀具的端部切削速度為零，因此，為保證加工精度，切削行距一般很小，故球頭銑刀适用于曲面的精加工。而端銑刀無論是在表面加工質量上還是在加工效率上都遠遠優于球頭銑刀，因此，在确保零件加工不過切的前提下，粗加工和半精加工曲面時，盡量選擇端銑刀。另外，刀具的耐用度和精度與刀具價格關系極大，必須引起注意的是，在大多數情況下，選擇好的刀具雖然增加了刀具成本，但由此帶來的加工質量和加工效率的提高，則可以使整個加工成本大大降低。

在加工中心上，所有刀具全都預先裝在刀庫裡，通過數控程序的選刀和換刀指令進行相應的換刀動作。必須選用适合機床刀具系統規格的相應标準刀柄，以便數控加工用刀具能夠迅速、準确地安裝到機床主軸上或返回刀庫。編程人員應能夠了解機床所用刀柄的結構尺寸、調整方法以及調整範圍等方面的内容，以保證在編程時确定刀具的徑向和軸向尺寸，合理安排刀具的排列順序。

特征造型不僅能表達機械零件的底層幾何信息，而且可從具有工程意義的較高層次上對産品進行表達和建模，有效支持産品整個生命周期内的各個環節。因此，特征造型是将設計與質量計算、工程分析、數控加工編程等環節聯結起來的紐帶。

大多數特征造型系統均采用邊界表示法(B-rep)和構造幾何法(CSG)相結合的方法來描述零件的形狀特征。邊界表示法主要用于描述構成幾何體的幾何元素(頂點、線、面等)之間的拓撲關系，并可輔助用戶選取特定的幾何元素；構造幾何法則通過樹形操作完成實體體素的拼合，形成最終設計特征。本文主要讨論構造幾何法的擴展及其在數控镗刀特征造型系統中的應用。該方法對于其它數控刀具同樣适用。

2 輔助面切割法的引入

由于數控刀具的形體為不規則的棱柱體，而構造幾何法采用的拼合體素為規則形體，因此，單純采用構造幾何法對數控刀具進行造型，既不靈活效率又低。如引入輔助面切割法，則可簡化造型過程，提高造型效率，在某些情況下還可降低造型難度。

若采用輔助面切割法解決上述問題，則隻需構造原始長方體和輔助面P，然後用 P面切割原始長方體，即可達到目的。

為獲得形體Ⅰ，采用構造幾何法需構造三個體素，即原始長方體、直棱柱Ⅱ和Ⅲ，且直棱柱Ⅱ和Ⅲ中總有一個直棱柱需被構造為比實際需要的體素大，這也增加了不必要的存儲空間。并且，如要保證圖2中Pt點的空間位置，則需提高原始長方體和直棱柱Ⅲ的造型要求，精确設計原始體素的尺寸，才能得到符合要求的Pt點。

若采用輔助面切割法，為獲得形體Ⅰ，則隻須構造一個基本體素——原始長方體，然後構造切割輔助面P1和P2，如需保證Pt點的位置，隻要保證P1和P2平面均過Pt點即可，而這一點不難做到。

為叙述方便和清楚，以上所舉二例都是經化簡的模型，實際造型中所遇到的問題要複雜得多，而且用構造幾何法構造一個空間形體可以經由不同的拼合路徑。與所有拼合方法相比，采用輔助面切割法都具有明顯的優越性。

3 輔助面切割法的實現

雖然采用輔助面切割法可大大簡化構造幾何法，但并非在所有情況下都能實現。如圖3所示情況，為獲得形體Ⅰ，必須在原始長方體上減掉長方體Ⅱ，在此情況下輔助面切割法就無法使用。因此，輔助面切割法隻能作為構造幾何法的補充和擴展，而無法完全取代構造幾何法。

輔助面切割法的應用條件為：

1) 構造幾何法中兩體素必須作差拼合運算；

2) 拼合形成的最終形體必須位于輔助面一側。

因此，為了最大限度地應用輔助面切割法，在形成最終形體時，應盡量采用差拼合方法。凡是能經機械加工得到的零件，均可通過精心設計基本體素而以差拼合方法實現其特征造型。

實現輔助面切割法的關鍵是輔助面的構造及體素被切割後兩部分的取舍。

平面的幾何定義為：通過空間一固定點且垂直于一空間向量的曲面。即由一空間固定點和一空間向量可唯一地确定一個平面，其中固定點位于平面上，空間向量為平面的法向量。因此，平面可由其點法式方程确定，即

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

其中 P0(X0，Y0，Z0)為一固定點，而V={A，B，C}為平面的法向量。

根據定義，可用平面上一點和平面的法向量來構造平面。在某些情況下，如平面的法向量不易确定，但能較容易地找到平面上的三個點P0、P1、P2，則可通過構造向量V1=P0P1和V2=P0P2，然後求V1和V2的叉積而得到平面的法向量V0=V1×V2。

輔助面構造完成後，切割後的形體如何取舍？在此作如下規定：凡切割後得到的兩個形體，位于法向量正方向的形體為所需形體，位于法向量負方向的形體為舍棄形體。在構造平面時，一定要仔細處理法向量的方向，使其指向所需形體。

4 數控刀具造型設計實例

構造幾何法是實體造型中廣泛應用的方法，但單純采用構造幾何法進行造型設計有時難度相當大。本文提出應用輔助面切割法對構造幾何法進行擴展并應用于數控刀具的特征造型過程，大大降低了造型設計的複雜程度和難度，具有較好的應用價值。

1．數牲加工常用刀具的種類及特點

數控加工刀具必須适應數控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般應包括通用刀具、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要聯接刀具并裝在機床動力頭上，因此已逐漸标準化和系列化。

1．1數控刀具的分類有多種方法

a．根據刀具結構可分為：(1)整體式；(2)鑲嵌式，采用焊接或機夾式聯接，機夾式又可分為不轉位和可轉位兩種；(3)特殊型式，如複合式刀具、減震式刀具等。

b．根據制造刀具所用的材料可分為：

(1)高速鋼刀具；(2)硬質合金刀具；(3)金剛石刀具；(4)其他材料刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等。

c．從切削工藝上可分為：

(1)車削刀具，分外圓、内孔、螺紋、切割刀具等多種；

(2)鑽削刀具，包括鑽頭、鉸刀、絲錐等；(3)镗削刀具；(4)銑削刀具等。

為了适應數控機床對刀具耐用、穩定、易調、可換等的要求，近幾年機夾式可轉位刀具得到廣泛的應用，在數量上達到整個數控刀具的30％一40％，金屬切除量占總數的80％～90％。

2．數控刀具與普通機床上所用的刀具相比，有許多不同的要求，主要有以下特點：

(1)剛性好（尤其是粗加工刀具）、精度高、抗振及熱變形小；互換性好，便于快速換刀；

(2)壽命高，切削性能穩定、可靠；

(3)刀具的尺寸便于調整，以減少換刀調整時間;

(4)刀具應能可靠地斷屑或卷屑，以利于切屑的排除；

(5)列化标準化以利于編程和刀具管理。

2．數控加工刀具的選擇

刀具的選擇是在數控編程的人機交互狀态下進行的。應根據機床的加工能力、工件材科的性能、加工工序切削用量以及其它相關因素正确選用刀具及刀柄。刀具選擇總的原則是：安裝調整方便、剛性好、耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。

(1)選取刀具時，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸相适應。生産中，平面零件周邊輪廓的加工，常采用立銑刀；銑削平面時，應選硬質合金刀片銑刀，加工凸台、凹槽時，選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時，可選取鑲硬質合金刀片的玉米銑刀；對一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。

(2)在進行自由曲面（模具）加工時，由于球頭刀具的端部切削速度為零，因此，為保證加工精度，切削行距一般采用頂端密距，故球頭常用于曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工質量和切削效率方面都優于球頭刀，因此，隻要在保證不過切的前提下，無論是曲面的粗加工還是精加工，都應優先選擇平頭刀。另外，刀具的耐用度和精度與刀具價格關系極大，必須引起注意的是，在大多數情況下，選擇好的刀具雖然增加了刀具成本，但由此帶來的加工質量和加工效率的提高，則可以使整個加工成本大大降低。

(3)在加工中心上，各種刀具分别裝在刀庫上，按程序規定随時進行選刀和按刀動作。因此必須采用标準刀柄，以便使鑽、镗、擴、銑削等工序用的标準刀具迅速、準确地裝到機床主軸或刀庫上去。編程人員應了解機床上所用刀柄的結構尺寸、調整方法以及調整範圍，以便在編程時确定刀具的徑向和軸向尺寸。目前我國的加工中心采用TSG工具系統，其刀柄有直柄（3種規格）和錐柄（4種規格）2種，共包括16種不同用途的刀柄。

(4)在經濟型數控機床的加工過程中，由于刀具的刃磨、測量和更換多為人工手動進行，占用輔助時間較長，因此，必須合理安排刀具的排列順序。一般應遵循以下原則：①盡量減少刀具數量；②一把刀具裝夾後，應完成其所能進行的所有加工步驟；粗精加工的刀具應分開使用，即使是相同尺寸規格的刀具；④先銑後鑽；⑤先進行曲面精加工，後進行二維輪廓精加工；⑥在可能的情況下，應盡可能利用數控機床的自動換刀功能，以提高生産效率等。

3．加工過程中切削用量的确定

合理選擇切削用量的原則是：粗加工時，一般以提高生産率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質量的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書切削用量手冊，并結合經驗而定。

具體要考慮以下幾個因素：

(1)切削深度ap。在機床、工件和刀具剛度允許的情況下，ap就等于加工餘量，這是提高生産率的一個有效措施。為了保證零件的加工精度和表面粗糙度，一般應留一定的餘量進行精加工。數控機床的精加工餘量可略小于普通機床。

切削寬度L。一般L與刀具直徑d成正比，與切削深度成反比。經濟型數控機床的加工過程中，一般L的取值範圍為L=(0.6～0.9)d。

(2)切削速度V。提高V也是提高生産率的一個措施，但v與刀具耐用度的關系比較密切。随着v的增大，刀具耐用度急劇下降，故v的選擇主要取決于刀具耐用度。另外，切削速度與加工材料也有很大關系，例如用立銑刀銑削合金剛30CrNi2MoVA時，V可采用8m/min左右;而用同樣的立銑刀銑削鋁合金時,V可選200m/min以上。

主軸轉速n(r/min)。主軸轉速一般根據切削速度v來選定。計算公式為：V=pnd/1000。數控機床的控制面闆上一般備有主軸轉速修調（倍率）開關，可在加工過程中對主軸轉速進行整倍數調整。

(3)進給速度Vf。Vf應根據零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料來選擇。Vf的增加也可以提高生産效率。加工表面粗糙度要求低時，Vf可選擇得大些。在加工過程中，Vf也可通過機床控制面闆上的修調開關進行人工調整，但是最大進給速度要受到設備剛度和進給系統性能等的限制。

結束語

随着數控機床在生産實際中的廣泛應用，量化生産線的形成，數控編程已經成為數控加工中的關鍵問題之一。在數控程序的編制過程中，要在人機交互狀态下即時選擇刀具和确定切削用量。因此，編程人員必須熟悉刀具的選擇方法和切削用量的确定原則，從而保證零件的加工質量和加工效率，充分發揮數控機床的優點，提高企業的經濟效益和生産水平。

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