淺談機(jī)械數(shù)控加工過程中刀具高效使用的優(yōu)化方案

張習(xí)習(xí)，鹿曼曼，劉海波，張微微

（山東瑞祥模具有限公司，山東 濟(jì)寧 272400）

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)社會的穩(wěn)步發(fā)展，我國的機(jī)械加工行業(yè)發(fā)展迅猛，特別是現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展的今天，機(jī)械數(shù)控加工技術(shù)日漸成熟，在此技術(shù)下行業(yè)轉(zhuǎn)變了發(fā)展方向，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會效益。綜合當(dāng)前機(jī)械數(shù)控加工的整體情況，行業(yè)雖取得了一定的發(fā)展成效，但一些企業(yè)在機(jī)械數(shù)控加工方面存在刀具利用效率偏低的情形，影響了產(chǎn)品質(zhì)量與效率。因此，機(jī)械數(shù)控加工領(lǐng)域的刀具利用成為關(guān)鍵任務(wù)，各個企業(yè)需根據(jù)刀具利用的現(xiàn)狀，綜合采取多種優(yōu)化措施。

1 機(jī)械數(shù)控加工過程中刀具使用種類及特點(diǎn)

1.1 刀具種類

機(jī)械數(shù)控加工過程中的刀具類型較多，存在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、切割工藝等的巨大區(qū)別。以刀具結(jié)構(gòu)作為劃分依據(jù)，包含整體類、鑲嵌類和其他類；以焊接組裝或者機(jī)架式劃分，有轉(zhuǎn)位機(jī)架式、非轉(zhuǎn)位機(jī)架式兩種；以刀具材質(zhì)細(xì)分，有金剛石類、合金類等；以刀具的切割工藝為劃分標(biāo)準(zhǔn)，有車削、鉆削等。數(shù)控機(jī)床加工過程中，為保障加工生產(chǎn)的高效性，應(yīng)嚴(yán)格遵守相應(yīng)的操作規(guī)范選擇和使用刀具，如刀具不僅要具備穩(wěn)定性，還需保障鋒利性、便捷性。

1.2 刀具使用特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床中的刀具是關(guān)鍵的構(gòu)成部分，結(jié)合當(dāng)前行業(yè)的發(fā)展情況，所使用的各類刀具，剛性與互換性強(qiáng)、使用時間長、可靠性高。由于刀具的剛性較大，長時間使用時不易發(fā)生變形現(xiàn)象，如在企業(yè)中的刀具剛性達(dá)不到要求，可能會引起刀具變形或者傾斜等導(dǎo)致加工產(chǎn)品的質(zhì)量問題，最終影響數(shù)控機(jī)床的加工效率與質(zhì)量；互換性強(qiáng)的特征使刀具的安裝更便捷，更換容易；強(qiáng)剛性使刀具即使長時間使用也能穩(wěn)定運(yùn)行。

2 機(jī)械數(shù)控加工過程中刀具損壞形式和預(yù)防措施

2.1 刀具損壞形式

機(jī)械數(shù)控加工過程中的刀具損壞表現(xiàn)為磨損與破損兩種，以磨損部位細(xì)分，刀具磨損主要為前面磨損、后面磨損與前后面同時磨損三種，刀具后面磨損的情況一般是因?yàn)榍邢鞔嘈圆牧匣蛘吆穸容^小的材料引起，或者機(jī)械數(shù)控設(shè)備的主軸轉(zhuǎn)速較低時切削從刀具前面流出所導(dǎo)致；數(shù)控機(jī)床處于高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，在摩擦或者高溫壓力下也會破壞刀具，使刀具前面出現(xiàn)月牙洼；刀具前后面同時磨損的現(xiàn)象是在中等切削速度、刀具進(jìn)給量條件下加工塑性材料所引起。刀具破損分為早期破損和后期破損兩種，具體表現(xiàn)為崩刃、刀具碎裂、裂紋、刀具與刀柄剝離幾種，數(shù)控機(jī)床在加工過程中產(chǎn)生的熱量較大，特別是在切削或加工高硬度材料時，在切削熱力與切削力的同步作用下刀具破損難以避免。

2.2 刀具損壞的預(yù)防措施

機(jī)械數(shù)控加工過程中出現(xiàn)刀具損壞現(xiàn)象的概率較高，為避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，延長刀具的使用壽命，應(yīng)提前針對刀具制定預(yù)防措施，主要從采買、安裝和使用著手。首先，在刀具采買環(huán)節(jié)，應(yīng)選用正規(guī)廠家生產(chǎn)的刀具，并做好刀具生產(chǎn)資質(zhì)等的檢查，參考機(jī)械數(shù)控設(shè)備的刀具配備要求，選擇特定種類與型號的刀具，先選刀片再選刀柄。其次，刀具安裝環(huán)節(jié)應(yīng)嚴(yán)格參考安裝規(guī)范，盡可能避免使用套管，注意控制預(yù)緊力，采用較小的刀頭伸出量，選用整體刀墊。最后，刀具使用過程中，應(yīng)根據(jù)整個機(jī)械數(shù)控設(shè)備的加工需求調(diào)整刀具的各個參數(shù)，如技術(shù)人員需將切割角度控制在合理范圍內(nèi)。

3 機(jī)械數(shù)控加工中刀具使用的優(yōu)化策略

3.1 采納鉆削的概念

各機(jī)械加工企業(yè)為高效利用刀具，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)需求選擇恰當(dāng)?shù)募庸すに?，并解決在加工過程中所出現(xiàn)的各種問題，提升刀具使用效率。當(dāng)前的機(jī)械數(shù)控加工領(lǐng)域，陸續(xù)出現(xiàn)了鉆削加工方式，且在一些企業(yè)內(nèi)這一方式的應(yīng)用效果突出，與原來的加工方式有所區(qū)別，該方式在加工時采用鉆頭材料，為加工孔的基本方式，在鉆床、車床、鏜床等的應(yīng)用廣泛且效果理想。以PCB專門電焊接質(zhì)地堅(jiān)硬的合金材料制成的鉆頭為例，傳統(tǒng)的加工工藝相對滯后，為符合現(xiàn)實(shí)需求，操作中轉(zhuǎn)速、進(jìn)給條件給定且操作中不隨意調(diào)整，由于始終處于切削條件下，刀具受到來自各個方面的壓力作用，切削平面無法保持原狀，與此同時，切割也會使材料產(chǎn)生一定的彈性力，當(dāng)材料遭受的壓力超出極限值，刀具的塑性變形難以避免，可能會出現(xiàn)彎曲、斷裂。如刀具塑性變形的壓力小于材料承受極限值，長時間擠壓或完成切削的零部件將直接于基板掉落，產(chǎn)生巖屑完成切削操作，此過程為鉆削切割，從流程來看，方式較為簡單，但在具體實(shí)施時，卻面臨一定的問題：加工時刀具切割導(dǎo)致其熱量持續(xù)增大，無法保障加工質(zhì)量，也會干擾相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行。因此，針對這一方面的問題，實(shí)際的工作中可采用鉆削概念，由相關(guān)人員總結(jié)刀具磨損的規(guī)律，操作時注意控制加工時間。以某企業(yè)為例，鉆削概念實(shí)施前后的損耗率對比如表1 所示。

表1 鉆削概念實(shí)施前后刀具使用損耗率對比（x±s，%）

3.2 優(yōu)化刀具的研磨

針對機(jī)械數(shù)控加工過程，應(yīng)重視刀具研磨，就是要去除刀具中的磨損，以確保各項(xiàng)機(jī)械設(shè)備可高效運(yùn)轉(zhuǎn)，保障加工的整體效率。但少部分特殊材料、型號的刀具在研磨后無法繼續(xù)使用，強(qiáng)行用此刀具實(shí)施加工任務(wù)將導(dǎo)致更為嚴(yán)重的磨損，產(chǎn)生更多熱量，這一持續(xù)狀態(tài)下機(jī)械振動頻率較大，增大了機(jī)械的損耗，機(jī)械使用中的故障率較高。

此外，長時間且多次研磨刀具后，也會對孔壁質(zhì)量、孔位造成一定的負(fù)面影響，易引起刀具的斷裂。因此，實(shí)際的工作中為減少這一類問題，一般需結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況優(yōu)化刀具研磨，以通過這一方式保障刀具的使用壽命，但在刀具研磨過程中，需嚴(yán)格控制研磨速度。因此，各個企業(yè)針對機(jī)械數(shù)控加工中的刀具利用，需提前開展人員培訓(xùn)，通過培訓(xùn)來提高人員的專業(yè)素質(zhì)，保障有關(guān)崗位人員善于分析與總結(jié)研磨規(guī)律，操作中按照此規(guī)律控制相關(guān)參數(shù)。

3.3 利用新型材料

近年來，我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展迅速，在此發(fā)展趨勢下，陸續(xù)產(chǎn)生了許多新工藝、新技術(shù)與新材料，在機(jī)械數(shù)控加工中應(yīng)用新技術(shù)與新材料，可大大提升刀具的使用效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量。因此，各個企業(yè)在機(jī)械數(shù)控加工過程中應(yīng)緊跟行業(yè)趨勢，結(jié)合實(shí)際情況選擇材料，以發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢。就當(dāng)前的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，現(xiàn)代化新型材料的種類多，但行業(yè)內(nèi)應(yīng)用范圍較廣且效果較為理想的主要有高性能高速鋼、硬質(zhì)合金、先進(jìn)涂層、超硬刀具材料。高性能高速鋼性能優(yōu)越，將其作為切割基礎(chǔ)材料的效果理想，基本能達(dá)到使用需求，數(shù)控刀具中應(yīng)用多，刀具切削速度快，體現(xiàn)高效性。硬質(zhì)合金材料也有獨(dú)有的性能優(yōu)勢，表現(xiàn)為韌性強(qiáng)、抗磨損性好，由于這些性能特點(diǎn)作為刀具材料更為適用，有關(guān)企業(yè)中應(yīng)用最為成功地為不銹鋼、鑄鐵。

近年來，科技進(jìn)步顯著，機(jī)械數(shù)控技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，與此同時，也帶動了相關(guān)行業(yè)的進(jìn)步，材料行業(yè)中誕生了許多性能優(yōu)越的新材料，如超細(xì)顆粒與優(yōu)質(zhì)整體硬質(zhì)合金刀具，耐磨性好、切削速率高。先進(jìn)涂層材料，有效克服了傳統(tǒng)涂層材料的諸多劣勢，成為行業(yè)內(nèi)廣受歡迎的材料以及熱點(diǎn)議題，未來還有巨大的研發(fā)空間與發(fā)展?jié)摿?，如PVD 涂層技術(shù)的適用性強(qiáng)，只要有應(yīng)用該技術(shù)的條件，就可發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，同步提高磁場強(qiáng)度、等離子體目的，以保障涂層的效果，與此同時，該技術(shù)在應(yīng)用時也同步帶動了計(jì)算機(jī)全自動控制技術(shù)的進(jìn)步，在各種技術(shù)綜合應(yīng)用與推廣的過程中，涂層表面亮度、整潔度都大大提高，現(xiàn)代涂層技術(shù)下還使刀具具備良好的抗黏結(jié)能力、耐磨損性。因此，就當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展情況來看，現(xiàn)代化涂層克服了模具開發(fā)中的諸多難題，不僅能縮短開發(fā)周期，還能節(jié)約成本，兼具技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性特點(diǎn)。最后，超硬刀具材料，近年來，制造行業(yè)發(fā)展迅速，在此發(fā)展趨勢下，行業(yè)內(nèi)對材料加工有了更高的要求，為達(dá)到這些要求，硬切削與干切削方面不僅需創(chuàng)新工藝技術(shù)，還需引入新材料，而超硬刀具材料的出現(xiàn)恰好可滿足這些要求，如陶瓷類刀具，因?yàn)樘沾深惒牧系奶厥庑裕沟毒叩目顾苄宰冃文芰?qiáng)，耐熱性能好。

3.4 科學(xué)合理選用刀具

機(jī)械數(shù)控加工過程中的刀具利用率與刀具型號、結(jié)構(gòu)等有關(guān)，為實(shí)現(xiàn)刀具高效利用，企業(yè)需結(jié)合自身情況科學(xué)選擇刀具。刀具選擇中，應(yīng)注意以下方面。

（1）保障刀具的切削性能。機(jī)械數(shù)控加工中刀具選擇是否合理將關(guān)乎加工效率與質(zhì)量，零件加工要求、材料性能等差異使得所選用的刀具也各有不同，如車削銑削鈦合金、不銹鋼等零件一般需選用耐磨性較好的硬質(zhì)合金材料；而加工鋁、銅等軟性材料需選用前角較大的立銑刀，但刀具齒數(shù)需在4 齒以下。機(jī)械加工往往要?dú)v經(jīng)多個階段，每個階段都有各自的刀具選擇標(biāo)準(zhǔn)，如精加工階段因?yàn)橛歇?dú)有的加工需求，剛性佳、低精度刀具更適用；如果多加工時有嚴(yán)苛的精度標(biāo)準(zhǔn)，則需選用高精度、碾磨性好的刀具。

（2）選用完好且鋒利的刀具，刀具使用前檢查刀具性能。當(dāng)機(jī)械數(shù)控進(jìn)入加工階段時，刀具遭遇各方面作用力影響，如旋轉(zhuǎn)、高溫與振動，而這些都不利于保障刀具的性能，易造成刀具損壞，現(xiàn)場人員需根據(jù)加工強(qiáng)度等做好刀具檢查，若刀具的有關(guān)指標(biāo)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，則需立即修復(fù)與處理。如果使用的是高強(qiáng)度刀具，應(yīng)增大檢查頻次，及時發(fā)現(xiàn)問題。此外，刀具長時間使用后其鋒利性勢必受影響，有關(guān)人員應(yīng)縮短檢查間隔時間，如有異常情況立即處理，做到早發(fā)現(xiàn)早解決。

（3）注意檢查刀具的有關(guān)參數(shù)，主要為切削量、線速度、進(jìn)給速度等參數(shù)。在設(shè)定刀具參數(shù)的過程中，同樣需考慮加工材料、工藝等因素，只有保障了各個參數(shù)的合理性，才能減小刀具磨損，從根本上保障加工質(zhì)量。如在粗加工環(huán)節(jié)應(yīng)適當(dāng)減小切削速度，增大進(jìn)給速度；當(dāng)快完成加工任務(wù)時，適當(dāng)加大切削速度，減小進(jìn)給速度。此外，刀具使用中也需考慮刀具軌跡，但確定軌跡時，需分析刀具的旋轉(zhuǎn)方向、進(jìn)給量、切削速度等。

3.5 做好刀具相關(guān)裝置設(shè)計(jì)

機(jī)械數(shù)控加工中刀具優(yōu)化有多種方式，除了上述這些措施，科學(xué)設(shè)計(jì)刀具裝置也極為重要，結(jié)合每種裝置的功能與作用，保障裝置結(jié)構(gòu)、參數(shù)等達(dá)到規(guī)定。首先，做好刀具定位裝置設(shè)計(jì)，數(shù)控機(jī)床刀具應(yīng)用中定位裝置的作用巨大，只有保障了該裝置的合理性，才能確保工件定位的穩(wěn)定性，使工件滿足實(shí)際需求。此外，也需參考工件加工的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范來控制自由閾值，有關(guān)人員在設(shè)計(jì)裝置時，需綜合現(xiàn)場的加工要求、狀態(tài)、參數(shù)信息，調(diào)整定位方案的每個細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)刀具定位裝置時嚴(yán)禁出現(xiàn)欠定位情形，一旦發(fā)生此類情況，應(yīng)采取重復(fù)定位法加以處理，參考工件定位基準(zhǔn)，確保所選擇的定位元件類型、技術(shù)參數(shù)達(dá)到規(guī)定。其次，刀具夾緊裝置的設(shè)計(jì)，這類裝置的使用是為了使工件的裝夾剛性可與生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)相一致，以從根本上提高定位的可靠性、精確度。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)夾緊裝置時需考慮更多因素，如夾具夾緊力作用點(diǎn)、方向，在此前提下尋找恰當(dāng)?shù)闹c(diǎn)，完全確定切削力后再選定夾緊力。設(shè)計(jì)多方向、多工件夾具時，斜楔式夾緊模式更為適用，反之，則需選用聯(lián)動式夾緊模式。此外，夾緊裝置設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)夾具所需的夾緊力嚴(yán)格設(shè)計(jì)，細(xì)化元件結(jié)構(gòu)、規(guī)格，如在生產(chǎn)中為小批次作業(yè)，可選用手動夾緊模式，如為自動化夾具作業(yè)，可選用氣動或者液動夾緊模式，以保障加工效率。最后，刀具導(dǎo)向裝置、數(shù)控機(jī)床刀具的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格參考工件的待加工表面、詳細(xì)要求展開設(shè)計(jì)，首先，應(yīng)明確對刀裝置、銑床刀具的功能與作用，在此前提下優(yōu)選模板套用模式，此環(huán)節(jié)的工作中相關(guān)人員應(yīng)參考待加工工件的表面形狀，保障元件類型的合理性，并精準(zhǔn)控制元件的每個尺寸參數(shù)與誤差，將各個誤差控持在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床技術(shù)帶動了我國制造業(yè)的進(jìn)步，在長期發(fā)展的過程中，刀具使用是機(jī)械數(shù)控加工方面關(guān)注的重點(diǎn)問題。各個企業(yè)都需根據(jù)自身的機(jī)械數(shù)控加工情形，綜合現(xiàn)階段的加工與生產(chǎn)情況，采取多種措施優(yōu)化刀具利用，以提高刀具的利用效率，保障加工效率與精度，創(chuàng)造更大的企業(yè)價值。