機(jī)械數(shù)控加工過程刀具高效使用優(yōu)化分析

虞戰(zhàn)峰

摘要： 在數(shù)控加工中，刀具屬于基礎(chǔ)部件，對產(chǎn)品安全與質(zhì)量具有直接影響。同時刀具使用情況與控制情況也會對數(shù)控加工經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生一定影響。對此，本文介紹數(shù)控加工的刀具選擇，充分闡述切削原理為刀具高效施工提供保障，并提出幾點(diǎn)優(yōu)化策略。

Abstract： In CNC machining， cutting tools are basic components and have a direct impact on product safety and quality. At the same time， tool usage and control conditions will also have a certain impact on the economic benefits of CNC machining. In this regard， this article introduces the tool selection of CNC machining， fully elaborates the cutting principle to provide a guarantee for efficient tool construction， and proposes several optimization strategies.

關(guān)鍵詞： 數(shù)控加工;刀具;高效使用

Key words： CNC machining;cutting tools;efficient use

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0064-03

0 ?引言

開展數(shù)控加工作業(yè)過程中，工作人員為了對加工產(chǎn)品進(jìn)行有效控制，一般會將刀具調(diào)節(jié)為高速工作狀態(tài)。而在加工工作中，刀具屬于必要工作，基于長時間工作狀態(tài)，會對刀具使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。另外，加工過程中基于其他因素影響，會對刀具造成磨損問題。在刀具磨損程度不斷增加過程中，數(shù)控加工產(chǎn)品品質(zhì)就會受到影響。而若是刀具磨損程度到達(dá)臨界點(diǎn)之后極易造成斷刀問題，磨損值達(dá)到臨界值之后會造成斷刀問題。要想避免此種現(xiàn)象，開展數(shù)控加工活動時，應(yīng)該不斷強(qiáng)化刀具使用效率，延長使用壽命[1]。

1 ?數(shù)控加工的刀具選擇

1.1 刀具要求

因?yàn)榈毒唛_展切削作業(yè)活動時會受到?jīng)_擊、高溫、高壓與摩擦等方面影響，因此刀具材料會對加工成本、運(yùn)行效率、刀具壽命以及其他方面產(chǎn)生影響。所以對于刀具具有一定要求：①耐磨性與硬度。②韌性與強(qiáng)度。③耐熱性。④經(jīng)濟(jì)性與工藝性能。比如，刀具若是采用硬質(zhì)合金，因?yàn)榈毒呔哂许g性強(qiáng)、耐磨性突出與硬度高等優(yōu)點(diǎn)，基于500℃工況下，仍然能夠保證刀具相關(guān)性質(zhì)具有良好穩(wěn)定性，基于1000℃工況，該刀具也可以保持良好硬度，因此在數(shù)控加工中具有廣泛應(yīng)用。例如銑刀、車刀等在石材、石墨、塑料、有色金屬等材料中均具有良好適用性。見圖1。

圖1中的X-5070 End Mill銑刀即采用超硬合金材料，在硬度為HRC70的材料中具有良好適用性。

另外，刀具再具體使用過程中，還需要具備以下特征：第一，使用壽命長。對于數(shù)控設(shè)備來講，可能全天候保持工作狀態(tài)，所以要求刀具具有良好工作性能。要求刀具使用壽命達(dá)到預(yù)期效果，進(jìn)而才可以確保生產(chǎn)加工活動具有良好連續(xù)性。所以，需要針對加工構(gòu)件材料確定工具，比如高性能高鈷高速鋼、粉末冶金高速鋼等高速鋼刀具。第二，一系列刀具。對于數(shù)控刀具，需要具有通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化特點(diǎn)，可以促進(jìn)刀具管理以及數(shù)控編程工作，減少加工成本，強(qiáng)化生產(chǎn)效率。開展數(shù)控加工作業(yè)時，刀具的科學(xué)選擇需要確保人機(jī)作業(yè)保持平衡狀態(tài)。若是僅僅選擇標(biāo)準(zhǔn)連接方式以及常用道具，才可以充分強(qiáng)化加工精準(zhǔn)性以及效率，編程人員需要充分了解機(jī)床刀柄的調(diào)整范圍、調(diào)整方法與結(jié)構(gòu)尺寸等內(nèi)容，才可以確保在開展編程作業(yè)時對刀具軸向與徑向等尺寸進(jìn)行確定，對刀具排列順序進(jìn)行科學(xué)安排。第三，可交換性。開展數(shù)控加工作業(yè)時，相同的材料會經(jīng)過拋光、拉平、切、鉆等工序。開展加工活動時，需要隨時對刀具進(jìn)行切換，在機(jī)床刀庫或是主軸上準(zhǔn)確、快速地安裝標(biāo)準(zhǔn)刀具。所以，刀具需要具備良好切換性能與互換性能，進(jìn)行各個加工步驟過程中，能夠正確切換刀具，進(jìn)而提高生產(chǎn)活動精度。我國數(shù)控加工中心系統(tǒng)的手柄主要涵蓋以下類型，錐柄與直柄。其中，錐柄涵蓋四種類型，直柄涵蓋三種，各種用途工具柄有十六種。第四，工具剛性。在數(shù)控加工活動中，刀具剛性的具有重要作用。若是刀具缺乏良好剛性，則會導(dǎo)致刀具出現(xiàn)振動問題，使得刀具磨損問題更加嚴(yán)重，對刀具使用期限產(chǎn)生影響，進(jìn)而無法保證產(chǎn)品加工效率與精度。因?yàn)榈毒呤直膱A柱形截面直徑是四方，基于符合加工要求基礎(chǔ)上，需要盡可能采取大直徑刀具。同時，縮短懸架處理，對槽刀片以及刀具主要偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行改變，若是刀具調(diào)整了牙齒數(shù)量，對切割速度進(jìn)行調(diào)整，也能夠?qū)ぞ邨U振動問題進(jìn)行控制，充分保證工具剛度。

1.2 刀具選擇要求

因?yàn)?，相比于普通機(jī)床，數(shù)控機(jī)床加工方式有所不同，因此選擇刀具過程中，需要制定全新方法。

第一，應(yīng)該確保待加工工件表面尺寸和刀具尺寸之間具有適宜性，挑選尺寸合適的刀具。

第二，采用性價比突出的刀具。開展自由曲面加工活動時，由于球頭刀具端部的切削速度為0，因此為了充分強(qiáng)化加工精確度，切削行距一般會選擇頂端密距，對于平頭刀一般表層加工中有所應(yīng)用。另外，因?yàn)榈毒吣陀眯灾饕艿讲牧嫌绊懀己貌牧暇哂休^高的成本，因此，采用優(yōu)質(zhì)刀具過程中，還應(yīng)該對成本支出加以考慮，否則難以對加工成本進(jìn)行有效控制[2]。

第三，需要積極馴獸操作要求。開展數(shù)控加工活動時，應(yīng)該在刀庫中正確安裝相關(guān)刀具，同時積極根據(jù)規(guī)定程序隨時確定刀具以及按刀動作。

第四，革新技術(shù)，強(qiáng)化生產(chǎn)效率。開展數(shù)控加工活動時，因?yàn)橹饕捎萌斯げ僮鞣绞介_展刀具測量、刃磨與替換等工作，因此基于新時代背景應(yīng)該對現(xiàn)代技術(shù)理念進(jìn)行充分借鑒，同時積極根據(jù)相關(guān)規(guī)定開展技術(shù)革新工作，進(jìn)而充分降低工作壓力，為生產(chǎn)效率提供保障。

2 ?充分了解數(shù)控加工原理，為刀具高效施工提供保障

比如，在PCB焊接類硬質(zhì)合金鉆頭中，在確定刀具之后，應(yīng)該確?；谝欢ㄟM(jìn)給與鉆速條件下有序工作，此時切削刃與切削面會對生產(chǎn)材料造成擠壓，使得材料出現(xiàn)彈性變形問題，同時發(fā)生較大變形量，之后彈性變形向塑性變形方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，塑性變形在一定范圍時同時比材料屈服高度大的情況下，會導(dǎo)致擠壓區(qū)域或是切削區(qū)域由基材脫落，進(jìn)而造成鉆屑。此過程中，切削熱量會對鉆屑產(chǎn)生影響，而刀具類型又是切削熱量的主要影響因素。

①開展銑削加工活動時，其主要特點(diǎn)如下：第一，通用、靈活。第二，具有較大的生產(chǎn)效率。第三，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件加工。第四，能夠降低勞動強(qiáng)度。在數(shù)控銑床方面，主軸轉(zhuǎn)速一般是2倍普通銑床的主軸轉(zhuǎn)速，所以挑選銑刀過程中，應(yīng)該需要保證自動化、高效、高速等方面要求得到充分滿足。主要涵蓋以下內(nèi)容：1）刀具具有良好壽命和可靠性。2）刀具能夠有效卷屑、短屑等，進(jìn)而對切屑進(jìn)行有效清除。3）互換性良好，能夠自動換刀或是快速換刀。

4）切削角與刀尖角足夠大、切削刃足夠短[3]。

②對于鉆削來講，切削過程形成的熱力會對材料變形問題產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在刀具對材料進(jìn)行擠壓產(chǎn)生鉆屑時，紙電板、玻璃纖維以及銅箔等材料和鉆頭之間摩擦過程中會產(chǎn)生切削熱，同時在刀具和材料之間接觸面積不斷增加過程中，摩擦熱也會不斷增加。開展鉆孔加工活動時，隨著刀具運(yùn)行時間增加，會導(dǎo)致刀具受到磨損問題，磨損程度在不斷累積過程中會導(dǎo)致自發(fā)磨損速度增加，另外，還會導(dǎo)致鉆頭和鉆孔之間產(chǎn)生大量切削熱?；诖朔N惡性循環(huán)問題，會影響產(chǎn)品加工精準(zhǔn)度，進(jìn)而影響加工孔質(zhì)量問題。

選擇UC鉆頭可以充分降低刀具和孔壁的摩擦，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減小切屑熱目標(biāo)。在我國PCB行業(yè)快速發(fā)展過程中，對于孔壁質(zhì)量的要求持續(xù)增加，同時微小孔加工概率提升提高。在數(shù)控加工中，UC型鉆頭已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，與ST型鉆頭相比，UC鉆頭的優(yōu)勢更加顯著?？茖W(xué)控制UC鉆頭的長度，可以對該鉆頭進(jìn)行有效使用。

雖然UC型鉆頭可以降低刀具和孔壁接觸面積，然而并非鉆頭長度越短加工效果越突出。在加工次數(shù)持續(xù)增加過程中，UC部分也會縮短，即便工作人員及時開展研磨處理，也會對鉆頭后續(xù)加工活動產(chǎn)生影響，進(jìn)而對孔壁質(zhì)量產(chǎn)生影響。鉆頭長度足夠短時，刀具完成加工處理后，還會受到材料均勻性影響，導(dǎo)致機(jī)械發(fā)生振動問題，還會發(fā)生斷刀、鉆孔偏位問題。比如，鉆頭加工時，受到銅箔、玻璃纖維材料硬度缺乏一致性影響時，會導(dǎo)致刀具發(fā)生偏移問題，隨著鉆頭長度縮小，產(chǎn)生的偏移性問題也會不斷增加。所以，開展鉆削加工處理時，應(yīng)該合理確定鉆頭長度。

因此，需要注意，加工過程中，材料不同，所選刀具也存在差異，特別在加工陶瓷、銅板等材料過程中，應(yīng)該對磨損問題加以重視，同時制定科學(xué)的刀具管理方法，進(jìn)而才可以確保產(chǎn)品安全與質(zhì)量，充分延長刀具壽命。

3 ?刀具高效使用的優(yōu)化策略

3.1 刀具研磨優(yōu)化

刀具研磨過程中可以將刀具在使用過程中磨損缺陷去除，進(jìn)而在數(shù)控加工活動中穩(wěn)定運(yùn)行，充分保證加工效率。

基于一般條件，隨著切削刀具工作次數(shù)與時間不斷增加，則切削刀具磨損情況也會日益嚴(yán)重。進(jìn)而導(dǎo)致摩擦力不斷增加，會將大量切削力量消耗掉，同時還會形成更多熱量，使得切削機(jī)械震動頻率持續(xù)加大。另外其還會導(dǎo)致刀具孔位位置與孔壁質(zhì)量等方面也會發(fā)生變化，在出現(xiàn)上述問題之后會對刀具正常使用產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而縮短刀具使用壽命，同時還會使得刀具斷裂概率增加。所以，工作人員開展數(shù)控加工活動時，應(yīng)該科學(xué)研磨切削刀具，主要目的就是將刀具中磨損層去除，強(qiáng)化刀具鋒利度，然而需要注意，開展研磨工作時，應(yīng)該對研磨次數(shù)多加關(guān)注，若是研磨次數(shù)較多會導(dǎo)致刀具厚度減小，進(jìn)而影響刀具壽命。

3.2 保證刀具鋒利度

如果數(shù)控機(jī)床中刀具鋒利度和預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)存在差異，開展生產(chǎn)活動時，會導(dǎo)致切削水平受到影響。對于此種現(xiàn)象，加工人員應(yīng)該在開展施工活動時，應(yīng)該借助放大鏡對刀具鋒利度的均衡性情況進(jìn)行觀察。另外，在刀具研磨之后還應(yīng)該對其鋒利程度展開深度檢查，同時結(jié)合現(xiàn)場加工需求開展操作，對刀刃位置缺陷情況及時進(jìn)行判斷，可以充分提高生產(chǎn)加工安全性，同時能夠提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。因?yàn)榈度袖h利情況對于產(chǎn)品質(zhì)量具有決定性影響，因此挑選刀具刀刃時，應(yīng)該保證硬度滿足預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而才能夠促進(jìn)生產(chǎn)加工活動中結(jié)合技術(shù)性手段對潛在隱患進(jìn)行有效處理。借助研磨方式，對刀具鋒利度進(jìn)行科學(xué)調(diào)節(jié)，能夠充分強(qiáng)化生產(chǎn)水平，同時確保加工活動中具有良好穩(wěn)定性。

借助實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若是切削參數(shù)缺乏科學(xué)性，則刀具會發(fā)生裂紋、崩刃等問題。基于切削負(fù)荷較高條件，切削力會對切削刃造成沖擊，導(dǎo)致表面發(fā)生裂紋問題，同時不斷拓展。在裂紋到達(dá)一定區(qū)域后，表層就會發(fā)生脫落問題，進(jìn)而導(dǎo)致崩刃，那么加工刀具的原有效果就會喪失。比如，在硬質(zhì)合金銑刀中，因?yàn)楣ぷ鲝?qiáng)度大、組織缺乏均衡性、脆性大等，因此若是開展加工活動時的切削厚度缺乏適宜性，則極易提高沖擊載荷，另外還會增加拉應(yīng)力值和拉應(yīng)力區(qū)。特別在沖擊應(yīng)力比材料強(qiáng)度大的條件下，就會造成崩刃問題，刀具表層發(fā)生脫落現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生貝殼狀。另外，刀具表層脫落之后會出現(xiàn)參差不齊的問題，見圖2。

圖2是基于7000倍顯微鏡觀察刀刃的情況，發(fā)生此種現(xiàn)象的主要原因就是，脆性材料塑性形變較小，采用不滿足要求切削參數(shù)之后，造成載荷過高問題，同時產(chǎn)生較高彈性應(yīng)力極限。因此，開展數(shù)控加工活動室，刀具在完成工件加工之后會釋放熱應(yīng)力，在加工工件不斷運(yùn)行過程中，會形成熱應(yīng)力疲勞問題，促使刀具的表面裂紋發(fā)生概率增加。

3.3 保證參數(shù)調(diào)整合理性

開展數(shù)控加工活動時，工作人員應(yīng)該積極檢驗(yàn)相關(guān)參數(shù)。由于數(shù)控基礎(chǔ)工作過程中參數(shù)錯誤問題經(jīng)常發(fā)生，或是參數(shù)缺乏合理性。開展檢查工作時，發(fā)現(xiàn)參數(shù)和額定數(shù)額之間存在差異之后，應(yīng)該及時進(jìn)行調(diào)整，不然會對生產(chǎn)活動產(chǎn)生影響，進(jìn)而引發(fā)安全隱患?；诩庸ぎa(chǎn)品差異情況，在刀具參數(shù)方面的要求也存在差異，需要結(jié)合具體生產(chǎn)需求對刀具參數(shù)進(jìn)行改變和調(diào)整。在調(diào)整闡述過程中，工作人員并不能夠展開精準(zhǔn)控制，進(jìn)而造成參數(shù)錯誤。所以，要想保證該問題得到充分解決，可以選擇自動控制系統(tǒng)展開標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)。主要目的就是保證數(shù)控加工中出現(xiàn)的參數(shù)錯誤問題得到及時發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而第一時間予以處理。刀具在運(yùn)行一段時間之后，會由于相關(guān)因素導(dǎo)致原參數(shù)出現(xiàn)改變，所以工作人員必須定期檢查參數(shù)，防止發(fā)生參數(shù)和實(shí)際施工狀況不匹配問題。

數(shù)控加工的參數(shù)主要涵蓋以下幾種，進(jìn)給量、線速度、吃刀量（在數(shù)控加工中，分為切深與背吃刀量）。刀具與各種材料匹配的闡述存在一定差異，比如，鋁合金材料的線速度最佳值為300m/min，鈦合金是70m/min。在吃刀量或是切削深度方面，在粗加工工序中，車削速度為單邊6mm，在數(shù)控銑削中，深度為20mm，如果選擇小吃刀量，那么會對加工效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時還會影響刀具壽命，缺乏良好經(jīng)濟(jì)性。

需要保證參數(shù)充分匹配產(chǎn)品生產(chǎn)要求，才能夠保證刀具在生產(chǎn)活動中將自身穩(wěn)定性充分發(fā)揮出來，進(jìn)而科學(xué)開展加工活動，避免刀具磨損情況加劇。

3.4 認(rèn)真開展刀具管理與回收作業(yè)

①刀具管理。在部分加工企業(yè)中，現(xiàn)場管理屬于一個重大難題。保證管理工作有序性，才可以提升加工效率，減少刀具損耗問題。否則會導(dǎo)致刀具出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，降低加工效率。對于具體的刀具管理方法，各種規(guī)格刀具應(yīng)該分類存放，對于新刀具與舊刀具應(yīng)該隔離存放，將已經(jīng)修磨的刀具與待修磨的刀具隔離存放，進(jìn)而可以充分減少數(shù)控加工的準(zhǔn)備時間，充分提高刀具的具體使用效率，進(jìn)而充分實(shí)現(xiàn)降本增效目標(biāo)。

②刀具回收。第一，刀具現(xiàn)場刃磨處理。對于車削刀片來講，尤其在無涂層刀片方面，使用過程中出現(xiàn)磨損后，均能夠通過手工修磨方式進(jìn)行處理，一些刀具修磨之后，相比于新刀片使用效果更加突出。在銑加工的整體刀具中，2刃以及3刃的平底銑刀經(jīng)過手工研磨后能夠重新使用。第二，刀具的重新刃磨涂層。若是涂層整體球頭銑刀以及其他刀具無法借助手工方式進(jìn)行修磨，出現(xiàn)磨損問題之后需要集中進(jìn)行管控，由刀具供應(yīng)商統(tǒng)一開展修磨以及重新涂層處理，重新涂層刀成本僅為1/3的新刀具采購成本，此種方法可以對刀具成本進(jìn)行有效控制。第三，報廢的刀具。開展機(jī)械加工活動時，刀具報廢屬于常見現(xiàn)象，采用何種方法對刀具報廢問題進(jìn)行有效控制，進(jìn)而減少刀具報廢過程中形成的損失具有良好研究價值。通常，工作人員領(lǐng)用刀具過程中需要進(jìn)行登記，同時在遞交報廢刀具后才允許重新領(lǐng)用，集中回收報廢刀具，并遞交給刀具廠商展開處理，此種方法具有良好效果。

4 ?結(jié)語

綜上所述，應(yīng)該從不同角度開展數(shù)控加工活動，此過程較為漫長，并且加工步驟較為復(fù)雜。在加工實(shí)踐中相關(guān)人員應(yīng)該科學(xué)選擇刀具，同時在使用過程中安排專業(yè)人員展開監(jiān)管，保證刀具作用能夠得到充分發(fā)揮。同時，選擇刀具過程中還需要對加工件予以充分考慮。而要想保證刀具能夠高效使用，還應(yīng)該采用刀具研磨優(yōu)化、保證刀具鋒利度保證參數(shù)調(diào)整合理性等策略進(jìn)行有效控制。相關(guān)人員，還應(yīng)該在實(shí)踐過程中積極總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將相關(guān)理論知識應(yīng)用于實(shí)踐活動中，持續(xù)優(yōu)化加工產(chǎn)品，提高加工效率。

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