機械數(shù)控加工中刀具使用優(yōu)化方法探討

傅昌虎

摘 要：在進行刀具數(shù)控加工過程中，刀具是必不可少的重要一部分，并會對產品安全和質量產生較大的影響。刀具使用與控制情況還與數(shù)控加工經(jīng)濟效益息息相關。數(shù)控刀具類型多樣，在實際進行數(shù)控加工時，對刀具的使用要遵守互換性原則、剛性原則以及系列化原則。為了能夠提高數(shù)控刀具使用的合理性，改善機械數(shù)控加工效率，降低刀具的使用成本，本文提出了刀具使用優(yōu)化的幾點方法。

關鍵詞：機械數(shù)控加工 刀具 使用優(yōu)化 方法

隨著當代制造業(yè)不斷發(fā)展，企業(yè)要想提升自身市場競爭力，獲得更為理想的經(jīng)濟效益，必須要注重降本增效，通過改變機械數(shù)控加工工藝來提升生產制造速度，并基于自動化生產方式來縮減人力支出[1]。刀具是數(shù)控機床進行生產加工的必要工具，并且會直接與待加工零件接觸，操作人員設定好各項加工參數(shù)后，刀具便能夠按照既定的軌跡運行，把零件加工成合格的產品。所以，在實際進行數(shù)控機床操作時，操作人員必須要全面、準確掌握不同刀具的應用特征，同時在加工時按照生產加工要求科學應用刀具[2]。只有這樣才可以充分發(fā)揮出數(shù)控技術的加工優(yōu)勢，同時結合人工管理方式逐步改善數(shù)控機床生產加工效率與質量，進而為加工企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。本文重點分析了數(shù)控機床刀具的類型與應用原則，探討了機械數(shù)控加工中刀具使用優(yōu)化的方法，以供借鑒。

1 數(shù)控機床刀具主要類型

相比較于普通機床，數(shù)控機床具有更高的旋轉速度、更靈活的加工方式以及更智能的加工控制，這使得數(shù)控機床刀具要有別于傳統(tǒng)機床刀具，要能夠滿足數(shù)控機床上述工作特征[3]。一般來說，根據(jù)數(shù)控機床刀具材質、結構與切削方式的不同，可以將其劃分為多種類型，如表1所示。除此之外，按照刀具刀柄在數(shù)控機床上安裝方式，還可以將其分成“不轉位機夾式”和“轉位機夾式” [4]。這兩種刀具類型中，機架可轉位刀具應用更為方便，同時擁有穩(wěn)定性高、耐用性佳以及易更換等特征，所以該類型刀具的應用率占到了全部數(shù)控刀具類型的35％左右，并且金屬切削量占總數(shù)的比例高達85％，是當下數(shù)控機床刀具中應用十分廣泛的一種。

2 機械數(shù)控加工中刀具使用原則

在實際開展機械數(shù)控加工時，要全面了解與把握刀具使用的互換性原則、剛性原則以及系列性原則。因為刀具是數(shù)控機床進行零件切削的重要工具，在實際工作過程中要承受零件對其施加的反作用力，所以容易產生彈性變形，當反作用力的大小超過了刀具自身強度，便會出現(xiàn)外層脫落的現(xiàn)象。這也是引發(fā)刀具過度磨損的重要原因之一[5]。所以，必須要深入了解各種刀具的特點，選取適宜的加工刀具，不斷提高數(shù)控加工速度，為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟收益。

2.1 互換性原則

在進行機械數(shù)控加工時，由于零件加工尺寸、形狀以及標準等不同，往往需要使用多種加工刀具，在這種情況下操作者要按照實際要求及時更換刀具。所以，保證刀具互換性十分重要，要優(yōu)先使用互換便捷性高、速度快的數(shù)控刀具，通過簡單的操作便可以將刀具準確、牢固的安裝到數(shù)控機床上。

2.2 剛性原則

在進行機械數(shù)控加工時，當加工刀具的強度低于工作強度要求時，容易在加工過程中產生較大振動，一方面會影響到刀具加工精度，加工出較多的不良品，另一方面也會提高刀具的磨損量，縮短刀具的使用壽命，甚至會對機床產生較大不良影響。所以，在實際選擇刀具進行數(shù)控加工時，要選取適宜的刀具，確保選用的刀具能夠滿足加工要求與剛性要求，并且在條件允許的情況下優(yōu)先使用短刀柄加工刀具[6]。

2.3 系列化原則

由于機械數(shù)控機床需要使用的刀具類型多種多樣，為了可以有效提高數(shù)控機床的加工速度，還需要對刀具進行系列化管理。在利用刀具進行零部件切削加工時，要注重發(fā)揮數(shù)控機床高轉速、自動化水平高的優(yōu)勢，選取適宜的加工刀具可以確保加工過程中數(shù)控機床始終保持良好的狀態(tài)。所以，在對加工刀具進行系列化管理時，要使刀具序列號與加工工序準確對應，并要求相關編程工作者深入了解與掌握各個刀柄的特征參數(shù)，確保系列化管理在改善數(shù)控機床加工速度上起到良好的作用。

3 機械數(shù)控加工中刀具使用優(yōu)化的方法

3.1 設定科學合理的刀具切削速度與進給速度

在提高數(shù)控加工速度時，必須要建立在刀具合理切削速度與進給速度基礎之上。所以，要根據(jù)切削要求、待加工件特性等，選取適宜的切削速度與進給速度[7]。

首先，在進行機械數(shù)控加工過程中，通常要從以下幾方面入手確定刀具的切削速度。第一，刀具材質。一般來說，刀具材料的硬度與耐磨性對切削速度產生較大的影響，并且當?shù)毒叩挠捕仍礁邥r，其能夠承受的切削速度也越快。第二，材料屬性。數(shù)控機床面對的待加工件材料種類多樣，而不同材料的硬度與切削能力存在較大差異，所以在確定刀具切削速度時，需要緊密聯(lián)系待加工零件的材質硬度與切削性能。第三，切削穩(wěn)定性。當選用的切削速度較大時，會提高刀具切削力，并易引發(fā)較大的振動，難以保證零件加工要求，并對導致刀具磨損速度較快，所以，在設定切削速度時還應當要確保數(shù)控加工過程的穩(wěn)定性。

其次，在設定切削加工進給速度時，也要從以下幾方面入手。第一，加工要求。在確定切削加工進給速度時，要結合待加工零件的尺寸精度要求、粗糙度要求等，選取適宜的進給速度。值得注意的是，提高切削加工進給速度有助于改善加工效率，然而也難以保證加工精度。第二，刀具的剛性與平穩(wěn)性。當采用較大的加工進給速度時，容易造成刀具出現(xiàn)振動與形變，不利于保證尺寸精度與表面粗糙度。第三，切削力與切削溫度。在確定切削加工進給速度時，還應當要避免產生較大的切削力，隨著進給速度的增大，切削力與切削溫度也會同步升高，既不利于保證加工精度，也會降低刀具使用壽命。

3.2 創(chuàng)設切削參數(shù)專家?guī)?/p>

在進行機械數(shù)控加工過程中，要想提高刀具使用的合理性，必須要注重切削參數(shù)的設定[8]。為防止零部件加工時產生速度過高、工件吃刀等不良現(xiàn)象，企業(yè)應當要采取有效的手段確保刀具應用的科學性。第一，在創(chuàng)設有效刀具管理系統(tǒng)的基礎之上，按照實際的生產要求來確定切削參數(shù)專家?guī)欤瑩Q言之把數(shù)控刀具材質、待加工零件材質、進給量、進給速度以及主軸轉速等相關參數(shù)提前編寫到數(shù)據(jù)庫當中，同時按照工藝與材質的不同，對刀具加工數(shù)據(jù)進行設置，如表2所示為刀具切削數(shù)據(jù)庫參數(shù)。另外，讓操作人員在選取數(shù)控機床與加工刀具過程中，要將數(shù)據(jù)庫作為基準，對相關加工參數(shù)進行自主調動，同時全面掌握數(shù)控機床、加工刀具的性能等信息，使得選取的加工參數(shù)能夠滿足實際加工要求。第二，在實際加工過程中，把刀具管理系統(tǒng)、加工參數(shù)數(shù)據(jù)庫以及編程軟件等緊密聯(lián)系到一起，同時對刀庫中的相關刀具參數(shù)進行調整，如改變刀具的幾何參數(shù)、材料架構以及加工參數(shù)等。第三，基于UG軟件構建虛擬數(shù)據(jù)庫，在進行數(shù)控加工過程中，操作人員使用UG三維軟件選取滿足要求的加工刀具，于此同時系統(tǒng)能夠自動推薦最優(yōu)的切削參數(shù)，提高機床編程控制的合理性與有效性，通過優(yōu)化刀具使用方法來達到改善數(shù)控加工效果的目的。

3.3 重視刀具壽命評估

為了降低數(shù)控加工成本，確保加工速度滿足既定要求，應當要重視刀具壽命的評估，基于構建合理有效的預測模型，為促進刀具使用優(yōu)化提供良好的幫助[9]。在進行數(shù)控加工過程中，待加工零件材質、切削速度、切削量以及切削深度等均會對刀具壽命產生一定的影響。所以，構建刀具壽命評估模型時應當要與上述影響因素緊密結合起來，并在此基礎之上利用大量實驗完成模型的構建與檢驗，如圖1所示為刀具壽命評估模型示意圖。第一，重視各種刀具使用數(shù)據(jù)的整合與分析，如切削時長、切削力以及刀具磨損情況等。利用傳感器對這些參數(shù)進行實時收集，也能通過離線實驗獲得不同加工參數(shù)與條件下的數(shù)值。第二，借助統(tǒng)計學分析軟件、機器學習等手段創(chuàng)設刀具壽命評估模型。根據(jù)實際加工情況選擇回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡等措施，對相關數(shù)據(jù)進行分析與辨別，創(chuàng)設刀具壽命和切削參數(shù)兩者間的關聯(lián)模型。第三，把刀具壽命評估模型運用到實踐生產加工當中，全方位監(jiān)測切削參數(shù)與刀具磨損情況，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給評估模型，從而獲得刀具使用壽命數(shù)據(jù)。再根據(jù)評估結果科學規(guī)劃刀具更換與維護工作，盡可能的縮短設備停機時長，減小刀具的使用成本。

4 結語

綜上所述，在進行機械數(shù)控加工過程中刀具扮演了極其關鍵的角色，在實際使用刀具時，要科學分配刀具資源，準確掌握刀具使用的一般原則，全面掌握與發(fā)揮不同刀具的使用優(yōu)勢與價值，減小刀具的使用成本，嚴格遵守“刀具優(yōu)化應用”理念，推動機械數(shù)控加工行業(yè)不斷發(fā)展。

基金項目：2023安徽省省級質量工程項目《模具設計與制造專業(yè)教學創(chuàng)新團隊》（2023cxtd185）。

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