機(jī)械數(shù)控加工中刀具使用優(yōu)化方法探討

傅昌虎

摘 要：在進(jìn)行刀具數(shù)控加工過程中，刀具是必不可少的重要一部分，并會(huì)對(duì)產(chǎn)品安全和質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。刀具使用與控制情況還與數(shù)控加工經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)。數(shù)控刀具類型多樣，在實(shí)際進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，對(duì)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(shù)控刀具使用的合理性，改善機(jī)械數(shù)控加工效率，降低刀具的使用成本，本文提出了刀具使用優(yōu)化的幾點(diǎn)方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)械數(shù)控加工 刀具 使用優(yōu)化 方法

隨著當(dāng)代制造業(yè)不斷發(fā)展，企業(yè)要想提升自身市場競爭力，獲得更為理想的經(jīng)濟(jì)效益，必須要注重降本增效，通過改變機(jī)械數(shù)控加工工藝來提升生產(chǎn)制造速度，并基于自動(dòng)化生產(chǎn)方式來縮減人力支出[1]。刀具是數(shù)控機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)加工的必要工具，并且會(huì)直接與待加工零件接觸，操作人員設(shè)定好各項(xiàng)加工參數(shù)后，刀具便能夠按照既定的軌跡運(yùn)行，把零件加工成合格的產(chǎn)品。所以，在實(shí)際進(jìn)行數(shù)控機(jī)床操作時(shí)，操作人員必須要全面、準(zhǔn)確掌握不同刀具的應(yīng)用特征，同時(shí)在加工時(shí)按照生產(chǎn)加工要求科學(xué)應(yīng)用刀具[2]。只有這樣才可以充分發(fā)揮出數(shù)控技術(shù)的加工優(yōu)勢，同時(shí)結(jié)合人工管理方式逐步改善數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)加工效率與質(zhì)量，進(jìn)而為加工企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。本文重點(diǎn)分析了數(shù)控機(jī)床刀具的類型與應(yīng)用原則，探討了機(jī)械數(shù)控加工中刀具使用優(yōu)化的方法，以供借鑒。

1 數(shù)控機(jī)床刀具主要類型

相比較于普通機(jī)床，數(shù)控機(jī)床具有更高的旋轉(zhuǎn)速度、更靈活的加工方式以及更智能的加工控制，這使得數(shù)控機(jī)床刀具要有別于傳統(tǒng)機(jī)床刀具，要能夠滿足數(shù)控機(jī)床上述工作特征[3]。一般來說，根據(jù)數(shù)控機(jī)床刀具材質(zhì)、結(jié)構(gòu)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(shù)控機(jī)床上安裝方式，還可以將其分成“不轉(zhuǎn)位機(jī)夾式”和“轉(zhuǎn)位機(jī)夾式” [4]。這兩種刀具類型中，機(jī)架可轉(zhuǎn)位刀具應(yīng)用更為方便，同時(shí)擁有穩(wěn)定性高、耐用性佳以及易更換等特征，所以該類型刀具的應(yīng)用率占到了全部數(shù)控刀具類型的35％左右，并且金屬切削量占總數(shù)的比例高達(dá)85％，是當(dāng)下數(shù)控機(jī)床刀具中應(yīng)用十分廣泛的一種。

2 機(jī)械數(shù)控加工中刀具使用原則

在實(shí)際開展機(jī)械數(shù)控加工時(shí)，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?yàn)榈毒呤菙?shù)控機(jī)床進(jìn)行零件切削的重要工具，在實(shí)際工作過程中要承受零件對(duì)其施加的反作用力，所以容易產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)反作用力的大小超過了刀具自身強(qiáng)度，便會(huì)出現(xiàn)外層脫落的現(xiàn)象。這也是引發(fā)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(diǎn)，選取適宜的加工刀具，不斷提高數(shù)控加工速度，為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟(jì)收益。

2.1 互換性原則

在進(jìn)行機(jī)械數(shù)控加工時(shí)，由于零件加工尺寸、形狀以及標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際要求及時(shí)更換刀具。所以，保證刀具互換性十分重要，要優(yōu)先使用互換便捷性高、速度快的數(shù)控刀具，通過簡單的操作便可以將刀具準(zhǔn)確、牢固的安裝到數(shù)控機(jī)床上。

2.2 剛性原則

在進(jìn)行機(jī)械數(shù)控加工時(shí)，當(dāng)加工刀具的強(qiáng)度低于工作強(qiáng)度要求時(shí)，容易在加工過程中產(chǎn)生較大振動(dòng)，一方面會(huì)影響到刀具加工精度，加工出較多的不良品，另一方面也會(huì)提高刀具的磨損量，縮短刀具的使用壽命，甚至?xí)?duì)機(jī)床產(chǎn)生較大不良影響。所以，在實(shí)際選擇刀具進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，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(yōu)先使用短刀柄加工刀具[6]。

2.3 系列化原則

由于機(jī)械數(shù)控機(jī)床需要使用的刀具類型多種多樣，為了可以有效提高數(shù)控機(jī)床的加工速度，還需要對(duì)刀具進(jìn)行系列化管理。在利用刀具進(jìn)行零部件切削加工時(shí)，要注重發(fā)揮數(shù)控機(jī)床高轉(zhuǎn)速、自動(dòng)化水平高的優(yōu)勢，選取適宜的加工刀具可以確保加工過程中數(shù)控機(jī)床始終保持良好的狀態(tài)。所以，在對(duì)加工刀具進(jìn)行系列化管理時(shí)，要使刀具序列號(hào)與加工工序準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，并要求相關(guān)編程工作者深入了解與掌握各個(gè)刀柄的特征參數(shù)，確保系列化管理在改善數(shù)控機(jī)床加工速度上起到良好的作用。

3 機(jī)械數(shù)控加工中刀具使用優(yōu)化的方法

3.1 設(shè)定科學(xué)合理的刀具切削速度與進(jìn)給速度

在提高數(shù)控加工速度時(shí)，必須要建立在刀具合理切削速度與進(jìn)給速度基礎(chǔ)之上。所以，要根據(jù)切削要求、待加工件特性等，選取適宜的切削速度與進(jìn)給速度[7]。

首先，在進(jìn)行機(jī)械數(shù)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(zhì)。一般來說，刀具材料的硬度與耐磨性對(duì)切削速度產(chǎn)生較大的影響，并且當(dāng)?shù)毒叩挠捕仍礁邥r(shí)，其能夠承受的切削速度也越快。第二，材料屬性。數(shù)控機(jī)床面對(duì)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(shí)，需要緊密聯(lián)系待加工零件的材質(zhì)硬度與切削性能。第三，切削穩(wěn)定性。當(dāng)選用的切削速度較大時(shí)，會(huì)提高刀具切削力，并易引發(fā)較大的振動(dòng)，難以保證零件加工要求，并對(duì)導(dǎo)致刀具磨損速度較快，所以，在設(shè)定切削速度時(shí)還應(yīng)當(dāng)要確保數(shù)控加工過程的穩(wěn)定性。

其次，在設(shè)定切削加工進(jìn)給速度時(shí)，也要從以下幾方面入手。第一，加工要求。在確定切削加工進(jìn)給速度時(shí)，要結(jié)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(jìn)給速度。值得注意的是，提高切削加工進(jìn)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(wěn)性。當(dāng)采用較大的加工進(jìn)給速度時(shí)，容易造成刀具出現(xiàn)振動(dòng)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(jìn)給速度時(shí)，還應(yīng)當(dāng)要避免產(chǎn)生較大的切削力，隨著進(jìn)給速度的增大，切削力與切削溫度也會(huì)同步升高，既不利于保證加工精度，也會(huì)降低刀具使用壽命。

3.2 創(chuàng)設(shè)切削參數(shù)專家?guī)?/p>

在進(jìn)行機(jī)械數(shù)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(shù)的設(shè)定[8]。為防止零部件加工時(shí)產(chǎn)生速度過高、工件吃刀等不良現(xiàn)象，企業(yè)應(yīng)當(dāng)要采取有效的手段確保刀具應(yīng)用的科學(xué)性。第一，在創(chuàng)設(shè)有效刀具管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，按照實(shí)際的生產(chǎn)要求來確定切削參數(shù)專家?guī)?，換言之把數(shù)控刀具材質(zhì)、待加工零件材質(zhì)、進(jìn)給量、進(jìn)給速度以及主軸轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)提前編寫到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，同時(shí)按照工藝與材質(zhì)的不同，對(duì)刀具加工數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，如表2所示為刀具切削數(shù)據(jù)庫參數(shù)。另外，讓操作人員在選取數(shù)控機(jī)床與加工刀具過程中，要將數(shù)據(jù)庫作為基準(zhǔn)，對(duì)相關(guān)加工參數(shù)進(jìn)行自主調(diào)動(dòng)，同時(shí)全面掌握數(shù)控機(jī)床、加工刀具的性能等信息，使得選取的加工參數(shù)能夠滿足實(shí)際加工要求。第二，在實(shí)際加工過程中，把刀具管理系統(tǒng)、加工參數(shù)數(shù)據(jù)庫以及編程軟件等緊密聯(lián)系到一起，同時(shí)對(duì)刀庫中的相關(guān)刀具參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如改變刀具的幾何參數(shù)、材料架構(gòu)以及加工參數(shù)等。第三，基于UG軟件構(gòu)建虛擬數(shù)據(jù)庫，在進(jìn)行數(shù)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(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)推薦最優(yōu)的切削參數(shù)，提高機(jī)床編程控制的合理性與有效性，通過優(yōu)化刀具使用方法來達(dá)到改善數(shù)控加工效果的目的。

3.3 重視刀具壽命評(píng)估

為了降低數(shù)控加工成本，確保加工速度滿足既定要求，應(yīng)當(dāng)要重視刀具壽命的評(píng)估，基于構(gòu)建合理有效的預(yù)測模型，為促進(jìn)刀具使用優(yōu)化提供良好的幫助[9]。在進(jìn)行數(shù)控加工過程中，待加工零件材質(zhì)、切削速度、切削量以及切削深度等均會(huì)對(duì)刀具壽命產(chǎn)生一定的影響。所以，構(gòu)建刀具壽命評(píng)估模型時(shí)應(yīng)當(dāng)要與上述影響因素緊密結(jié)合起來，并在此基礎(chǔ)之上利用大量實(shí)驗(yàn)完成模型的構(gòu)建與檢驗(yàn)，如圖1所示為刀具壽命評(píng)估模型示意圖。第一，重視各種刀具使用數(shù)據(jù)的整合與分析，如切削時(shí)長、切削力以及刀具磨損情況等。利用傳感器對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，也能通過離線實(shí)驗(yàn)獲得不同加工參數(shù)與條件下的數(shù)值。第二，借助統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段創(chuàng)設(shè)刀具壽命評(píng)估模型。根據(jù)實(shí)際加工情況選擇回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等措施，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與辨別，創(chuàng)設(shè)刀具壽命和切削參數(shù)兩者間的關(guān)聯(lián)模型。第三，把刀具壽命評(píng)估模型運(yùn)用到實(shí)踐生產(chǎn)加工當(dāng)中，全方位監(jiān)測切削參數(shù)與刀具磨損情況，同時(shí)將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給評(píng)估模型，從而獲得刀具使用壽命數(shù)據(jù)。再根據(jù)評(píng)估結(jié)果科學(xué)規(guī)劃刀具更換與維護(hù)工作，盡可能的縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)長，減小刀具的使用成本。

4 結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行機(jī)械數(shù)控加工過程中刀具扮演了極其關(guān)鍵的角色，在實(shí)際使用刀具時(shí)，要科學(xué)分配刀具資源，準(zhǔn)確掌握刀具使用的一般原則，全面掌握與發(fā)揮不同刀具的使用優(yōu)勢與價(jià)值，減小刀具的使用成本，嚴(yán)格遵守“刀具優(yōu)化應(yīng)用”理念，推動(dòng)機(jī)械數(shù)控加工行業(yè)不斷發(fā)展。

基金項(xiàng)目：2023安徽省省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目《模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)》（2023cxtd185）。

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