批量化生產中數控刀具可靠性的研究

趙傳生

（山東華宇工學院，山東德州 253034）

0 引言

現階段，數控切削加工技術更看重的是如何實現更高效率、更高精度和高度自動化的技術目標。數控刀具的切削性能和使用壽命是一項非常重要的數據，關系到加工的效率和產品的質量情況。可靠性較高的刀具可以有效減少換刀的次數，確保加工工件的質量和數控設備的穩定運行，給企業帶來更大的經濟效益。

1 數控刀具的技術要求

1.1 較高的切削效率

數控機床的主要特點是高速、高強度、大功率，在這些條件的嚴格限制下，刀具本身的強度和剛度必須符合一定的標準和要求，以便于在高速切削和強力切削的加工條件下可以承受更大的作用力，進而確保加工作業的高質量和高效率。

1.2 高精度和重復定位精度

以可轉位機夾刀具為例，在對精密零件進行加工的過程中，由于其特有的加工要求和標準，應選用精度為M 級的刀片，同時對刀具進行固定的壓緊機構，必須要使刀尖的位置精度和重復定位精度符合一定的要求。

1.3 可靠的斷屑

加工過程中如果出現斷屑困難、斷屑堵塞等現象，將會阻礙加工作業的順利進行。所以，應科學合理地選擇切削用量和刀片斷屑槽的尺寸和形狀，以便于機床的正常斷屑和排屑，確保工件加工的穩定和可靠。

1.4 快速換刀，便于進行預調

如果數控機床采用人工換刀具的方式，可以借助快速夾頭來實現。如果加工方具有完備的刀庫系統和良好的加工條件，可以進行自行換刀。此外，在保證較高的尺寸精度和定位精度的同時，刀具結構要便于加工人員對尺寸進行預調。

1.5 較高的可靠性

如果刀具具有良好的可靠性，就可以有效避免頻繁的換刀和對刀，同時減少輔助時間，這樣就能避免數控機床停機的情況而造成經濟損失。數控加工刀具本身材料應具有較高的硬度、強度和耐磨性。在進行加工之前，應該查看加工材料的切削性能、抗沖擊振動、熱處理對材料的影響等數據信息，便于選擇到合適的刀具。目前在選擇合適的數控刀具方面上，其具有的可靠性已經成為人們進行判斷的重要依據。

2 數控刀具的可靠性和可靠度

數控刀具可靠性的含義是，在特定的切削工作環境并在可控的時間內，刀具順利完成加工作業的能力。數控刀具的可靠度R（t）主要是在固定切削環境和切削時間內，刀具可以順利完成加工作業，同時刀具沒有出現損壞情況的概率，作為可靠性的參考依據。刀具在所要求的的時間和工況下并在切削規范范圍內，發生故障的概率稱作不可靠度，用F（t）來表示。

3 刀具損壞形式分析

通常條件下，刀具發生損壞情況主要是因為磨損和破損造成的，并且磨損和破損會相互應影響。判斷損壞原因的條件有很多種，例如刀具本身的材料、零件材料等。對于那些磨損損壞的刀具，可以分析正常工作狀況下的切削用量和切削條件來判斷刀具的磨損壽命。出現破損、損壞的刀具，可以分析研究刀具破損壽命的分布規律等情況，并參考破損壽命與切削用量兩者的關系，確定詳細的刀具破損壽命數據。在加工PCD（PolyCrystalline Diamond，聚晶金剛石）、陶瓷等一些具有較大脆性的和較高硬度的材料進時，在高速狀態下受到切削力和切削熱等多因素影響下，刀具非常容易出現崩刃、剝落和破碎等嚴重破損。

刀具材料和加工工件的材質有離散性特點，再加上刀具制造工藝和切削條件的隨機性，這樣刀具的切削性能會明顯低于其平均性能，并在一定程度上影響到刀具可靠度的穩定性。可以借助數理統計技術和概率分析這兩種方法來研究刀具的可靠性，并將其作為數控刀具可靠度的判斷標準。

4 建立刀具可靠度模型

數控刀具的可靠性存在著平均數量的特點，同時也有很大的隨機性，因此需要結合利用數理統計技術以及概率分析技術，對刀具的可靠性展開系統、全面的研究和分析。此外，還可以將耐用可靠度作為判斷和分析數控刀具可靠度精準數據的標準。例如在對可轉位刀具進行研究的過程中，整體的可靠度可以用RΣ（t）來表示，每一部分是由可靠度R1、夾緊零件可靠度R2、夾緊機構可靠度R3、刀體可靠度R4等多個部分構成。以此為基礎建立刀具可靠度模型，一級模型表示為RΣ（t）=R1×R2×R3×R4…×Rn。刀具的工作小時在達到一定標準后，刀片的可靠度、刀體可靠度、夾緊機構可靠度等都會存在一定程度的下降。同時需要注意的是，人們需要在一級模型的基礎上建立二級模型。設置刀片可靠度是R1（t），刀片材料可靠度、性能可靠度、精度可靠度、裝夾方式可靠度、幾何參數可靠度分別是R11、R12、R13、R14、R15，那么R1（t）=R11×R12×R13×R14×R15。

在可轉位刀具系統的幫助下，實現相應的刀具模型的建立工作，此時需要將刀具制定為包含刀片、刀體、夾緊螺釘等諸多零部件共同組成的系統。在這個系統中，如果有一個零部件出現了故障或問題，導致無法發揮應有的作用和功能時，就判定這個刀具系統是失效的。這個系統可靠度RΣ（t）是由整個刀具的每個零部件的可靠度一起構成的。在這種情況下，相對于單刃刀具來說，人們對于多刃刀具的可靠度的嚴格程度和相關標準更加苛刻和繁多。

人們操作數控機床展開高速切削和加工的時候，對于整套設備的刀具系統的要求，通常最看重的是其可靠度，這不但要求刀具材料的可靠性，同時對于刀具整個系統所有組成零件的可靠性和夾緊機構的可靠性也非常嚴格。因為只有這樣，才能有效保證刀具整體結構的可靠性。從另一方面來講，首先就是刀具切削位置的材料可靠度必須非常高，其次是注重刀具系統內部所有零件可靠度的高低，確保RΣ（t）無限地向1 靠近，再次是要求所有零件的可靠度保持一致性，最后是使用合適的刀具可靠度，以此來保證加工操作的高質量和高效率。

現在人們主要依照之前加工過程中獲取的資料和數據信息來確定數控刀具的可靠度，嚴格按照時間進行強制換刀。在經過一系列的實驗后，可以根據加工的情況和環境適當調整切削量，這樣就能實現數控刀具可靠度數據信息的準確采集和獲取。

5 數控刀具可靠度結構設計方法

通過分析和研究工件的加工條件及相關的切削工序要求，可以確定刀具結構的基本參數，了解其變動的具體范圍等，以此來建立刀具結構可靠度設計模型，同時確保其合理性和有效性。經常采用的手段有：分析找到刀具每個零件的故障形式；找到刀具故障形式的應力和出現故障的原因；確定故障形式的判斷依據；將所有可能的因素作為其中的基礎內容，建立一個刀具結構可靠度體系，結合所有的因素，得到精準的刀具整體結構的可靠度數據信息，找到更為先進的切削加工工藝，保證加工質量與切削效率，找到科學的刀具可靠度結構設計基礎數據和信息，進而保障刀具結構設計作業的順利展開。

6 數控刀具可靠度的優選原則

對于那些出現磨損而造成損壞的刀具，應該依照刀具使用壽命、切削用量、切削條件這三者存在的主要聯系，分析得到刀具的使用壽命及刀具耐用可靠度數據。同時，還需要通過掌握破損損壞的刀具的實際情況，參考刀具破損壽命分布規律等內容，找到刀具使用壽命與切削用量、切削條件的內在聯系，進而確定耐用可靠度。

數控刀具可靠度評判標準大致有以下5 項：①數控加工作業中刀具的可靠度值需要大于一個零件的切削時間；②多刃刀具的可靠度應高于單刃刀具的可靠度；③在精加工作業中，刀具切削負荷小的刀具可靠度應高于粗加工刀具；④為避免出現中途換刀的狀況，應選擇刀具可靠度較高的展開加工作業；⑤可轉位刀具具有轉位、換刀片快速簡便的顯著優勢，所以刀具可靠度需要選擇較低的，以保證刀刃的鋒利性。

7 結語

最大限度完善和提高數控刀具的可靠性，有利于人們加工數控刀具加工技術的優勢充分的發揮出來。一般可以借助3 個策略：一是要著重考慮刀具的材料構成，盡量選擇和工件材料相一致的；二是調整到正確的刀具切削角度，并使用高質量切削液；三是創新切削用量與工藝系統，并進行試驗，將其投入到實際生產過程中，盡量保證數控刀具有著較高的整體可靠度，為實現生產的高質量和高效率目標打下堅實的基礎。