批量化生產(chǎn)中數(shù)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(xiàn)階段，數(shù)控切削加工技術(shù)更看重的是如何實現(xiàn)更高效率、更高精度和高度自動化的技術(shù)目標。數(shù)控刀具的切削性能和使用壽命是一項非常重要的數(shù)據(jù)，關(guān)系到加工的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量情況?？煽啃暂^高的刀具可以有效減少換刀的次數(shù)，確保加工工件的質(zhì)量和數(shù)控設(shè)備的穩(wěn)定運行，給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。

1 數(shù)控刀具的技術(shù)要求

1.1 較高的切削效率

數(shù)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(yè)的高質(zhì)量和高效率。

1.2 高精度和重復定位精度

以可轉(zhuǎn)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(yīng)選用精度為M 級的刀片，同時對刀具進行固定的壓緊機構(gòu)，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(xiàn)斷屑困難、斷屑堵塞等現(xiàn)象，將會阻礙加工作業(yè)的順利進行。所以，應(yīng)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(wěn)定和可靠。

1.4 快速換刀，便于進行預調(diào)

如果數(shù)控機床采用人工換刀具的方式，可以借助快速夾頭來實現(xiàn)。如果加工方具有完備的刀庫系統(tǒng)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(jié)構(gòu)要便于加工人員對尺寸進行預調(diào)。

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(shù)控機床停機的情況而造成經(jīng)濟損失。數(shù)控加工刀具本身材料應(yīng)具有較高的硬度、強度和耐磨性。在進行加工之前，應(yīng)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(shù)據(jù)信息，便于選擇到合適的刀具。目前在選擇合適的數(shù)控刀具方面上，其具有的可靠性已經(jīng)成為人們進行判斷的重要依據(jù)。

2 數(shù)控刀具的可靠性和可靠度

數(shù)控刀具可靠性的含義是，在特定的切削工作環(huán)境并在可控的時間內(nèi)，刀具順利完成加工作業(yè)的能力。數(shù)控刀具的可靠度R（t）主要是在固定切削環(huán)境和切削時間內(nèi)，刀具可以順利完成加工作業(yè)，同時刀具沒有出現(xiàn)損壞情況的概率，作為可靠性的參考依據(jù)。刀具在所要求的的時間和工況下并在切削規(guī)范范圍內(nèi)，發(fā)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(fā)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(yīng)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(xiàn)破損、損壞的刀具，可以分析研究刀具破損壽命的分布規(guī)律等情況，并參考破損壽命與切削用量兩者的關(guān)系，確定詳細的刀具破損壽命數(shù)據(jù)。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(tài)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(xiàn)崩刃、剝落和破碎等嚴重破損。

刀具材料和加工工件的材質(zhì)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(wěn)定性。可以借助數(shù)理統(tǒng)計技術(shù)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(shù)控刀具可靠度的判斷標準。

4 建立刀具可靠度模型

數(shù)控刀具的可靠性存在著平均數(shù)量的特點，同時也有很大的隨機性，因此需要結(jié)合利用數(shù)理統(tǒng)計技術(shù)以及概率分析技術(shù)，對刀具的可靠性展開系統(tǒng)、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(shù)控刀具可靠度精準數(shù)據(jù)的標準。例如在對可轉(zhuǎn)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(gòu)可靠度R3、刀體可靠度R4等多個部分構(gòu)成。以此為基礎(chǔ)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(gòu)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(chǔ)上建立二級模型。設(shè)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(shù)可靠度分別是R11、R12、R13、R14、R15，那么R1（t）=R11×R12×R13×R14×R15。

在可轉(zhuǎn)位刀具系統(tǒng)的幫助下，實現(xiàn)相應(yīng)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?shù)戎T多零部件共同組成的系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，如果有一個零部件出現(xiàn)了故障或問題，導致無法發(fā)揮應(yīng)有的作用和功能時，就判定這個刀具系統(tǒng)是失效的。這個系統(tǒng)可靠度RΣ（t）是由整個刀具的每個零部件的可靠度一起構(gòu)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(guān)標準更加苛刻和繁多。

人們操作數(shù)控機床展開高速切削和加工的時候，對于整套設(shè)備的刀具系統(tǒng)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(tǒng)所有組成零件的可靠性和夾緊機構(gòu)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(jié)構(gòu)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(tǒng)內(nèi)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(zhì)量和高效率。

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

5 數(shù)控刀具可靠度結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

通過分析和研究工件的加工條件及相關(guān)的切削工序要求，可以確定刀具結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，了解其變動的具體范圍等，以此來建立刀具結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計模型，同時確保其合理性和有效性。經(jīng)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(yīng)力和出現(xiàn)故障的原因；確定故障形式的判斷依據(jù)；將所有可能的因素作為其中的基礎(chǔ)內(nèi)容，建立一個刀具結(jié)構(gòu)可靠度體系，結(jié)合所有的因素，得到精準的刀具整體結(jié)構(gòu)的可靠度數(shù)據(jù)信息，找到更為先進的切削加工工藝，保證加工質(zhì)量與切削效率，找到科學的刀具可靠度結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息，進而保障刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計作業(yè)的順利展開。

6 數(shù)控刀具可靠度的優(yōu)選原則

對于那些出現(xiàn)磨損而造成損壞的刀具，應(yīng)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(lián)系，分析得到刀具的使用壽命及刀具耐用可靠度數(shù)據(jù)。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(guī)律等內(nèi)容，找到刀具使用壽命與切削用量、切削條件的內(nèi)在聯(lián)系，進而確定耐用可靠度。

數(shù)控刀具可靠度評判標準大致有以下5 項：①數(shù)控加工作業(yè)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(yīng)高于單刃刀具的可靠度；③在精加工作業(yè)中，刀具切削負荷小的刀具可靠度應(yīng)高于粗加工刀具；④為避免出現(xiàn)中途換刀的狀況，應(yīng)選擇刀具可靠度較高的展開加工作業(yè)；⑤可轉(zhuǎn)位刀具具有轉(zhuǎn)位、換刀片快速簡便的顯著優(yōu)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(jié)語

最大限度完善和提高數(shù)控刀具的可靠性，有利于人們加工數(shù)控刀具加工技術(shù)的優(yōu)勢充分的發(fā)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(gòu)成，盡量選擇和工件材料相一致的；二是調(diào)整到正確的刀具切削角度，并使用高質(zhì)量切削液；三是創(chuàng)新切削用量與工藝系統(tǒng)，并進行試驗，將其投入到實際生產(chǎn)過程中，盡量保證數(shù)控刀具有著較高的整體可靠度，為實現(xiàn)生產(chǎn)的高質(zhì)量和高效率目標打下堅實的基礎(chǔ)。