數(shù)控刀具選擇與刀具系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

龔德平

摘要：隨著科學技術(shù)的發(fā)展及數(shù)控機床數(shù)量的增加，現(xiàn)代企業(yè)越來越關(guān)注刀具使用成本的控制及數(shù)控機床生產(chǎn)效率的提高。經(jīng)過多年的研究分析得出，加強刀具選擇與優(yōu)化刀具系統(tǒng)設(shè)計將有助于降低企業(yè)刀具使用成本投入及提高數(shù)控機床生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)數(shù)控刀具系統(tǒng)的要求為“安裝可靠、安裝數(shù)量多、裝卸方便、自動換刀、裝卸迅速、切削時間短”，并以提高生產(chǎn)率為最終目標。文章以數(shù)控機床為研究對象，深入探討數(shù)控車刀選擇與優(yōu)化刀具系統(tǒng)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：數(shù)控刀具；數(shù)控機床；刀具系統(tǒng)；設(shè)計優(yōu)化

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）07-

加強刀具選擇與優(yōu)化刀具系統(tǒng)設(shè)計，將有助于降低企業(yè)刀具使用成本投入，更有利于提高數(shù)控機床生產(chǎn)效率。本文將簡要闡述加強數(shù)控刀具管理、促進數(shù)控機床增效，并就數(shù)控機床，深入探討數(shù)控車刀選擇與優(yōu)化刀具系統(tǒng)設(shè)計。

1 數(shù)控刀具的分類

1.1 根據(jù)數(shù)控刀具結(jié)構(gòu)分類

就數(shù)控刀具結(jié)構(gòu)而言，其可被簡單劃分為整體式、鑲嵌式及減振式三大類。就鑲嵌式數(shù)控刀具而言，其可被劃分為機夾式及焊接式兩類。就機夾式數(shù)控刀具刀體結(jié)構(gòu)而言，其又可被劃分為不轉(zhuǎn)位及可轉(zhuǎn)位兩類。減振式數(shù)控刀具的適用情況：若刀具工作臂長，直徑的比值過大，則往往使用減振式數(shù)控刀具以減少刀具振動，提高數(shù)控產(chǎn)品加工精度。

1.2 根據(jù)數(shù)控刀具制作材料分類

就數(shù)控刀具制作材料而言，其可被簡單劃分為高速鋼刀具及硬質(zhì)合金刀具、金剛石刀具三大類。通常情況下，高速鋼屬型坯材料，相對于硬質(zhì)合金，高速鋼的韌性更好，而其耐磨性、硬度及紅硬性更差，因此高速鋼刀具不適合用于高速切削及高硬度材料切削。相對于高速鋼刀具及金剛石刀具，硬質(zhì)合金刀具的切削性能更高，其在數(shù)控車削領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。硬質(zhì)合金刀片已經(jīng)出現(xiàn)了標準規(guī)格系列產(chǎn)品，其具體切削性能及技術(shù)參數(shù)主要為其生產(chǎn)廠家提供。金剛石類刀具在難加工、高強度、高硬度、有色金屬切削加工行業(yè)的應(yīng)用較為普遍。

1.3 根據(jù)切削工序分類

就切削工序而言，數(shù)控車削刀具分為內(nèi)孔、外圓、內(nèi)螺紋、外螺紋及切槽、切端面環(huán)槽、切端面、切斷等。數(shù)控車床機夾可轉(zhuǎn)位刀具一般屬標準規(guī)格，機夾可轉(zhuǎn)位刀具的刀體及刀片均屬標準規(guī)格，刀片材料以涂層硬質(zhì)合金、硬質(zhì)合金及高速鋼為主。數(shù)控車床機夾可轉(zhuǎn)位刀具類型以外圓刀具、內(nèi)圓刀具、外螺紋刀具、內(nèi)螺紋刀具、孔加工刀具（包括鏜刀、中心孔鉆頭、絲錐等）切斷刀具為主。機夾可轉(zhuǎn)位刀具加固不重磨刀片常用結(jié)構(gòu)有螺釘、杠銷、螺釘壓板、楔塊等。就切削方式而言，數(shù)控車床所用刀具可分為圓表面切削刀具、中心孔類刀具、端面切削刀具。

2 數(shù)控加工刀具特點

2.1 刀具或刀片的經(jīng)濟壽命指標及耐用度的合理性

現(xiàn)階段，數(shù)控加工刀具生產(chǎn)過程中，刀具質(zhì)量測量的依據(jù)為刀具耐用度。切削刀具批量生產(chǎn)時，各刀具工件材質(zhì)及材料間均或多或少地存在某些差異，原因是切削刀具生產(chǎn)將不可避免地受到某些客觀因素的影響，如刃磨質(zhì)量，所以，同一生產(chǎn)環(huán)境下生產(chǎn)的切削刀具，其耐用度也將不盡相同。就數(shù)控方面而言，刀具耐用度平均指標及其可靠指標Tp均應(yīng)具備齊全。通常情況下，刀具標準可靠度不宜低于0.9。

2.2 刀片或刀具方便切削控制

因數(shù)控機床的各設(shè)備均存在多個刀具，且切削量相當大，則切削塑性金屬過程中，必須確保刀具未被切屑纏繞及工藝和工件裝備均應(yīng)控制其切削不隨意噴濺，以確保切削操作人員的安全及零件輸送與定位，且避免其影響到切削液噴注施工質(zhì)量，所以，在切削作業(yè)時做好使用振動切削、斷屑塊刀具等，以提高斷削效果。

2.3 刀片或刀具切削參數(shù)及幾何參數(shù)的典型化及規(guī)劃化

數(shù)控刀具的精度應(yīng)該得到切實的保證，數(shù)控刀具精度主要是指刀具形狀精度、刀柄及刀片對數(shù)控機床主軸相對位置精度、刀柄及刀片拆裝及轉(zhuǎn)位重復(fù)精度。數(shù)控刀具切削部分幾何尺寸變化幅度應(yīng)該被控制在一定的范圍內(nèi)，不宜過大。此外，刀體刀片及刀桿反復(fù)裝卸精度的穩(wěn)定性應(yīng)該得到控制。

2.4 優(yōu)化刀柄及刀片自動換刀及定位基準系統(tǒng)

數(shù)控刀具更換的自動化及快速性要求刀柄及刀片高度的規(guī)格化、通用化及系列化，且刀具應(yīng)該具備調(diào)整及控制尺寸的功能或自動補償?shù)毒吣p的裝置，以加快刀具換刀調(diào)整速度。

3 刀具選擇

3.1 數(shù)控刀具型號

國內(nèi)外刀具廠商統(tǒng)一標準為ISO。若編號不同，其代表的刀具參數(shù)亦不同，則數(shù)控刀具選擇時，應(yīng)以其具體幾何參數(shù)為參考依據(jù)。

3.2 刀片形狀選擇

3.2.1 數(shù)控車刀片形狀主要由加工部位形狀所決定，且其也為刀具選擇的重要參考依據(jù)之一。數(shù)控車刀片形狀主要包括刀尖角、刀具主偏角、刀具有效刃數(shù)等，通常情況下，刀尖強度隨著刀尖角的增大而逐漸增強，若刀尖角小，其也不會對任何方面造成干涉。針對刀尖角小的刀具，其最佳使用范圍為復(fù)雜型面，即溝槽或下坡型面開挖。表1列出了刀片形狀選擇所涉及的相關(guān)內(nèi)容：

3.2.2 刀片類型。刀片類型主要是指刀具是否存在中心孔或斷屑槽，選定刀體之后，可用刀片可適當確定為一類或幾類。通常情況下，A、G、N等正反面均設(shè)置有刀刃的類型更容易被選中，理由是這三類刀片類型有助于刀片利用率的提高。

3.2.3 刀尖半徑。刀尖圓弧半徑事關(guān)數(shù)控刀具切削效率、被加工工件精度及其表面粗糙度等。就刀尖最大進給量與其圓弧半徑間的關(guān)系而言，最大進給量應(yīng)該≤80%刀尖圓弧半徑，不然，其勢必會導(dǎo)致刀具切削條件惡化或出現(xiàn)打刀及螺紋狀問題。所以，在選擇刀具時，一定要確保刀具的刀尖圓弧半徑應(yīng)該≥1.25倍最大進給量。

3.2.4 就小余量而言，若車削為小進給量，則其刀尖圓弧半徑也應(yīng)該足夠?。蝗糗囅鳛榇筮M給量，則其刀尖圓弧半徑應(yīng)該足夠大。通常情況下，就精加工而言，刀具刀尖圓弧半徑被設(shè)定為0.2、0.4或0.8；就半精加工而言，刀具刀尖圓弧半徑被設(shè)定為0.4、0.8或1.2；就粗加工而言，刀具刀尖圓弧半徑被設(shè)定為0.8、1.2、1.6或2.4。

3.3 車刀類型選擇

3.3.1 選擇刀具時，其要求刀具強度應(yīng)該達到一定標準，且嚴禁與工件間發(fā)生沖突。就刀具刀桿頭部形式而言，其應(yīng)該以直頭及主偏角為主要指標。偏頭形式多樣，則在刀具使用過程中，應(yīng)該協(xié)調(diào)好刀片類型與工件形狀間的關(guān)系。

3.3.2 選擇車刀類型時，應(yīng)該以刀具主偏角為依據(jù)。通常情況下，若工件存在直角臺階，其刀桿主偏角應(yīng)該≥90°。就粗車而言，工件刀桿主偏角應(yīng)為45°～90°；就精車而言，工件刀桿主偏角應(yīng)為45°～75°。若工藝系統(tǒng)剛度足夠，則工件主偏角應(yīng)該足夠??；若工藝系統(tǒng)剛度較弱，則工件主偏角應(yīng)該足夠大。

3.3.3 選擇刀片卡緊方式。目前，刀具刀片卡緊方式主要分為C、D、M、P、S，具體選擇何種刀片卡緊方式應(yīng)以刀片形狀及切削強度為參考依據(jù)。

3.4 刀桿尺寸選擇

3.4.1 刀桿基本尺寸包括刀桿長度及寬度、刀尖高度，就標準系統(tǒng)尺寸內(nèi)，刀桿長度、寬度及高度間均為一一對應(yīng)的關(guān)系。刀桿尺寸應(yīng)該與機床匹配，且

刀尖高度應(yīng)該在刀夾及刀墊的協(xié)助下方能與機床匹配。

3.4.2 刀桿長度確定依據(jù)應(yīng)為夾持懸伸量及長度。就外圓刀桿而言，通常情況下，其懸伸量應(yīng)為1.5倍刀尖高度。此外，刀具加工部位位置及孔深應(yīng)由內(nèi)孔刀懸伸量為參考依據(jù)。

4 刀具系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

4.1 工位刀具系統(tǒng)

就工位刀具系統(tǒng)而言，應(yīng)該尤其關(guān)注機床與卡具、工件與刀具間的碰撞及干涉問題，其主要表現(xiàn)為：

4.1.1 若刀具安裝方向為徑向，其長度如果過長，則勢必會導(dǎo)致機床內(nèi)壁與刀具于刀位轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生碰撞現(xiàn)象。

4.1.2 若刀具處于鄰刀位位置，則其對工件的干涉將發(fā)生在大直徑帶小孔工件加工過程中，尤其是在孔加工刀具時，此種干涉現(xiàn)象尤其普遍。此外，刀具與卡具間相互干涉現(xiàn)象也易發(fā)生于小直徑內(nèi)孔加工過程中，若工件直徑較大，則加工部位與中心位置間的間距應(yīng)該足夠大。

4.1.3 刀具系統(tǒng)調(diào)試過程中，如果機床內(nèi)壁與刀具間相互干涉與否不能被準確判定，則應(yīng)該合理繪制刀具干涉圖。因刀架工位數(shù)量較多，則刀夾相鄰角度會相應(yīng)變小，并最終致使無干涉區(qū)范圍縮小。若加工工件直徑較大，則其無干涉區(qū)應(yīng)該相應(yīng)擴大，這樣便可有效改變裝刀位置及減小刀具長度，例如盡量隔開孔加工刀具等。

4.2 刀架最大轉(zhuǎn)動慣量

就刀架最大轉(zhuǎn)動慣量而言，若刀夾重量較大、鏜桿直徑加大及其長度過長，則應(yīng)該精確計算出刀架轉(zhuǎn)動慣量，以確保最大轉(zhuǎn)動慣量被控制在允許值范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

數(shù)控加工刀具可簡單劃分為兩大類，即模塊化刀具及常規(guī)刀具。模塊化刀具是數(shù)控加工刀具未來的發(fā)展方向，相對于常規(guī)刀具，模塊化刀具具備眾多獨特的優(yōu)勢，即換刀停機時間相對縮短，從而實現(xiàn)了數(shù)控生產(chǎn)加工效率的提高；換刀速度相對加快及刀具安裝時間大大縮短，從而實現(xiàn)了小批量數(shù)控產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)濟性的提高；刀具合理化及標準化程度相對更高；刀具管理水平及數(shù)控柔性加工水平等相對更高；刀具的利用率得到了擴大，且刀具的性能實現(xiàn)了最大化發(fā)揮；刀具測量工作中斷現(xiàn)象被消除，從而實現(xiàn)了線外預(yù)調(diào)的目的。

綜上，刀具選擇及刀具系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化過程中，應(yīng)該綜合考慮刀具使用數(shù)量的減少、刀具使用成本的降低、工件產(chǎn)品加工質(zhì)量及效率的提高等，并基于分析的基礎(chǔ)上，選擇高層次刀具等。

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（責任編輯：秦遜玉）