機械數控加工中刀具使用優化方法探討

傅昌虎

摘 要：在進行刀具數控加工過程中，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控加工經濟效益息息相關。數控刀具類型多樣，在實際進行數控加工時，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。為了能夠提高數控刀具使用的合理性，改善機械數控加工效率，降低刀具的使用成本，本文提出了刀具使用優化的幾點方法。

關鍵詞：機械數控加工 刀具 使用優化 方法

隨著當代制造業不斷發展，企業要想提升自身市場競爭力，獲得更為理想的經濟效益，必須要注重降本增效，通過改變機械數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揮出數控技術的加工優勢，同時結合人工管理方式逐步改善數控機床生產加工效率與質量，進而為加工企業帶來更大的經濟效益。本文重點分析了數控機床刀具的類型與應用原則，探討了機械數控加工中刀具使用優化的方法，以供借鑒。

1 數控機床刀具主要類型

相比較于普通機床，數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，這使得數控機床刀具要有別于傳統機床刀具，要能夠滿足數控機床上述工作特征[3]。一般來說，根據數控機床刀具材質、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控刀具類型的35％左右，并且金屬切削量占總數的比例高達85％，是當下數控機床刀具中應用十分廣泛的一種。

2 機械數控加工中刀具使用原則

在實際開展機械數控加工時，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，便會出現外層脫落的現象。這也是引發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，不斷提高數控加工速度，為企業帶來更好的經濟收益。

2.1 互換性原則

在進行機械數控加工時，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，要優先使用互換便捷性高、速度快的數控刀具，通過簡單的操作便可以將刀具準確、牢固的安裝到數控機床上。

2.2 剛性原則

在進行機械數控加工時，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先使用短刀柄加工刀具[6]。

2.3 系列化原則

由于機械數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，要注重發揮數控機床高轉速、自動化水平高的優勢，選取適宜的加工刀具可以確保加工過程中數控機床始終保持良好的狀態。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，確保系列化管理在改善數控機床加工速度上起到良好的作用。

3 機械數控加工中刀具使用優化的方法

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，并且當刀具的硬度越高時，其能夠承受的切削速度也越快。第二，材料屬性。數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，需要緊密聯系待加工零件的材質硬度與切削性能。第三，切削穩定性。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控加工過程的穩定性。

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，刀具的剛性與平穩性。當采用較大的加工進給速度時，容易造成刀具出現振動與形變，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 創設切削參數專家庫

在進行機械數控加工過程中，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、工件吃刀等不良現象，企業應當要采取有效的手段確保刀具應用的科學性。第一，在創設有效刀具管理系統的基礎之上，按照實際的生產要求來確定切削參數專家庫，換言之把數控刀具材質、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提前編寫到數據庫當中，同時按照工藝與材質的不同，對刀具加工數據進行設置，如表2所示為刀具切削數據庫參數。另外，讓操作人員在選取數控機床與加工刀具過程中，要將數據庫作為基準，對相關加工參數進行自主調動，同時全面掌握數控機床、加工刀具的性能等信息，使得選取的加工參數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、加工參數數據庫以及編程軟件等緊密聯系到一起，同時對刀庫中的相關刀具參數進行調整，如改變刀具的幾何參數、材料架構以及加工參數等。第三，基于UG軟件構建虛擬數據庫，在進行數控加工過程中，操作人員使用UG三維軟件選取滿足要求的加工刀具，于此同時系統能夠自動推薦最優的切削參數，提高機床編程控制的合理性與有效性，通過優化刀具使用方法來達到改善數控加工效果的目的。

3.3 重視刀具壽命評估

為了降低數控加工成本，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，為促進刀具使用優化提供良好的幫助[9]。在進行數控加工過程中，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據的整合與分析，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進行實時收集，也能通過離線實驗獲得不同加工參數與條件下的數值。第二，借助統計學分析軟件、機器學習等手段創設刀具壽命評估模型。根據實際加工情況選擇回歸分析、神經網絡等措施，對相關數據進行分析與辨別，創設刀具壽命和切削參數兩者間的關聯模型。第三，把刀具壽命評估模型運用到實踐生產加工當中，全方位監測切削參數與刀具磨損情況，同時將監測數據反饋給評估模型，從而獲得刀具使用壽命數據。再根據評估結果科學規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，全面掌握與發揮不同刀具的使用優勢與價值，減小刀具的使用成本，嚴格遵守“刀具優化應用”理念，推動機械數控加工行業不斷發展。

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教學創新團隊》（2023cxtd185）。

參考文獻：

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