机械数控加工过程中高效使用刀具的优化方案_费建锋.pdf

技术与创新 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料102机械数控加工过程中高效使用刀具的优化方案费建锋无锡立信高等职业技术学校，江苏 无锡 214000摘要：当前我国制造产业迎来了快速发展时期，各类加工技术得到广泛应用与快速优化，市场对相关产品加工品质的要求在快速提升。在机械数控加工领域，提升加工的精度、质量及生产效率对于企业发展是十分重要的。而数控加工所应用的设备十分复杂，刀具就是常用的加工工具，其使用的合理性将直接影响产品生产质量和加工效率，因此需合理地高效使用刀具。基于此，文章在浅要分析影响刀具使用效率的因素的基础上，从多角度探讨如何提升刀具使用效率，以提升数控生产整体水平。关键词：数控加工；数控刀具；复合刀具；刀具材料分类号：TG659机械数控加工过程中，企业为了保障加工效益，通常需要刀具及相关设备进行长时间的高速运转。而刀具作为直接切削钻工件的工具，将直接承受大量的力，容易出现磨损等情况，进而影响产品加工质量。因此，如何高效地使用刀具且延长其使用寿命，就成为了亟待解决的问题，直接影响相关企业未来发展。刀具的材料特性是复杂的，使用环境是多样的，因此需要从材料特性、使用管理等多方面入手，合理地选择、使用和管理刀具，最大限度地发挥刀具的使用价值。1 机械数控加工中影响刀具使用效率的因素1.1 刀具刚性在产品机械生产加工中，刀具刚性因直接影响机械使用寿命，间接影响其使用效率。若刀具刚性低于实际产品加工的技术要求，在生产中会在高转速的环境下因切削等工作产生震动和摩擦，导致所加工产品出现不符合加工误差范围的变形，进行影响刀具的使用效率与生产质量1。1.2 刀具适配性数控生产中，加工不同工件时，需要选择适配的刀具，切削钻等不同加工工序所应用的刀具也是不同的。实际数控生产涉及的产品类型、加工工序均是较为复杂的，需要结合具体生产需要，合理地选择合适类型、刚性的刀具，在使用中合理更换、操作、维护相应刀具。要提升刀具的使用效率，需要在保证其符合生产要求，且使用寿命较长等要求的同时，尽量选择适配性高的刀具，并进行合理分类与管理。具体而言，技术人员需要基于生产工序中不同工件对刀具特性的要求，尽可能选择适配性高的刀具，减少刀具的类型，以提升管理便捷性，降低后期更换、维护的复杂程度，从而降低相应工作的时间，提高刀具使用效率。另外，在使用中，适配性好的刀具，能提高工作更换刀具的效率，当刀具出现一些问题后，也能使用适配性高的刀具进行临时加工，从而提升了刀具的使用效率2。1.3 刀具标准化如今许多产品的数控加工已经发展成熟，加工的自动化程度大幅提升，大部分工件的生产已经脱离人工作业，大部分工艺工序均是通过自动化车床进行流水线生产，以同时进行多种工件、多个程序的加工。因此，数控生产需要严格控制刀具的各项特性，必须完全符合自动化车床生产的相关参数才能被选用，以避免车床和程序非正常运行。由于数控加工是基于编程与计算机管理实现的自动化加工，因此刀具在高速运转等高负荷的自动化工作环境中，就必须考虑其标准化和使用寿命等因素，才能保证刀具被高效使用3。以往生产过程中，工作人员将刀具安装在机床相应位置后，存在刀具刚性不足，忽略了后期维护等问题，导致生产线在一段稳定运行后，出现了产品次品率升高、加工效率降低等问题，也存在刀具适配性、标准化程度不高，导致的刀具使用效率、寿命低等问题。因此，需要综合分析生产环境、机床性能及刀具的刚性等性能，才能合理地选择和使用刀具，通过提升刀具使用效率来提升数控生产质量和效益4。作者简介：费建锋，男，硕士，讲师，研究方向为机械制造，工业机器人装调与操作方向的教学与研究。文章编号：2096-3092（2023）01-0102-03造纸装备及材料 第 52 卷 总第 214 期 2023 年 1 月 技术与创新1032 机械数控加工中高效使用刀具的策略2.1 重视钻削若要大幅提升刀具使用效率，就需要生产企业在结合自身生产实际选择加工技术和刀具的同时，积极应用钻削加工方式，并扩大该方式应用范围。由于该方式应用钻头进行机械加工，因此能广泛适应各类钻床、车床、镗床的加工环境5。以 PCB 钻头为例，其应用于数控钻铣床中，一般使用刚性好的合金材料制作。在传统数控切削加工中，刀具在长时间固定位置进行高转速的切割等操作，持续承受压力，其与工件的切削平面会因二者材料硬度、韧性等特征形成复杂的相互影响，若出现工件压力大幅增加，将导致刀具出现严重塑性变形，若工件承受刀具变形压力的能力较强，则可能因长时间挤压导致温度过高、形成岩屑或内部损伤等问题。而合理地采用 PCB 钻头进行钻削等加工，能减少工件与刀具间的压力带来的诸多问题。PCB 钻头的数控钻机的外观图和结构图如图 1 所示，使用 PCI 总线和多轴控制器实现数控加工，两个轴分别控制操作台和钻头的运动，因此能够精准地控制钻头进给的精度与速度，实现高精密高效率的钻孔加工。另外，钻削加工相比传统切削方式，更容易控制切割热量过高和刀具磨损问题，相关研究发现钻削加工的钻头使用损耗明显低于传统切削中钻头使用损耗6。1234567891机床外壳；2Z 轴进给部装；3电主轴部装；4拖板；5横梁；6工作台；7、8垫片；9床身。图 1 PCB 数控钻床结构2.2 做好加工过程控制加工过程中，应关注刀具在以下方面的控制。（1）刀具表面清洁度。由于刀具研磨量是影响加工质量的重要参数，因此需要关注刀具的清洁度。以钻削为例，加工中也会产生大量热量，且热量不易消散。因此需重点对刀具表面开展清洁、整理与降温工作，从而有效减少机械振动、快速摩擦带来的快速升温、工件磨损等问题7。另外，在开始钻孔之前，应当由技术人员详细检查刀具表面，若发现有粉尘、裂痕或过度磨损等问题应立即采取相应处理措施。在完成钻孔后，也应当及时检查刀具的光滑程度，对刀具表面进行整理，符合要求后方能进行后续加工。（2）刀具锋利程度。机械数控中，刀具锋利程度将直接关系到加工效率。一般而言，钻削力减少是由主、副切削刃破损引起的，该问题会使工件出现孔粗糙度大、孔内毛刺等情况。同时，断刀、偏位等情况均会影响工件加工质量，因此在检查时，首先应重点关注其完整性与对称性，然后对刀刃锋利程度进行准确的测试和检验，满足要求方能开始加工。（3）参数控制。使用刀具的过程中，也需要操作人员、技术人员对刀具进行严格、合理的管理与控制，从而保证刀具锋利程度等参数依然符合加工需求。由于切削会使刀刃发生形变，因此需要使用放大镜等专用仪器观察刀具情况，结合加工相应的切削参数做出适当调整，以保证刀具切削力符合加工要求。（4）刀具的体系化管控。数控加工中经常进行刀具研磨，以提升刀具使用次数，并减少其返修次数。若刀具出现经常返修的情况，就会大大降低刀具使用频率和年限。研磨刀具时，技术人员应重点关注刀具磨损位置，首先清理与修复该位置，尽可能将其恢复到正常状态。随着刀具使用时间的增长，其表面磨损程度将不断扩大，缩短其使用寿命，因此需要利用刀具研磨机等设备提升研磨的效率与质量。在具体应用时，技术人员应密切关注刀具维护情况和打磨质量，在磨削时观察刀具表面清洁度、锋利程度，避免过度磨削8。另外，开展切削等加工前应该仔细地检查，控制所有出库刀具的质量，并做好研磨等工作的记录。当刀具研磨后，应当对首批加工产品进行详细质量检查，测量具体精准度，观察具体加工状态，若存在质量问题应由技术人员做出适当处理。2.3 增强加工质量控制以数控钻削为例，为了大幅度提升机械钻削加工效率，保证钻削质量，需技术人员根据实际操作情况精准计算钻削孔位和钻头进给量，并基于此在加工中合理分析孔壁粗糙程度，观察孔洞四周毛刺、钉头的情况，若不符合生产要求应当立即停止加工。实际生产中还可能出现灯芯问题，甚至导致断刀等问题，因此技术人员需要根据刀具加工标准，结合实际加工经验，对刀具进行动态化、体系化的管控，建立质量详细周密的刀具管控流程，保证其在加工前、中、后各 技术与创新 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料104个阶段保持良好的状态。另外，应用监测设备能够在线监测刀具，从而更直观、及时地了解刀具情况，保证其加工可靠性。具体而言，需要应用多传感器设备来实现刀具监测，如在加工发动机盖零部件时，利用监测系统实时采集刀具参数，并显示在车床控制面板上，车床控制系统基于程序设定对刀具进行定位预调、刀形轮廓度量等工作，在自动校正等工作完成后进行生产，技术人员也能通过在线监测参数发现刀具异常情况，分析其磨损程度，以便其开展相关刀具管理工作，这样一来刀具使用效率将大幅提升，生产线将更安全可控9。2.4 合理使用新型刀具材料近几年我国机械加工领域快速发展，许多现代化先进材料在机械生产领域被应用，而使用先进材料能一定程度提升刀具的应用效率。具体而言，企业应当结合自身发展需求合理地选择先进的材料，以有效确保材料加工合理性，提高产品质量。当前数控刀具领域常使用的新型材料有高性能高速钢、超硬材料、硬质合金、先进涂层等材料。高性能高速钢料是切削刀具常用的材料，基于其良好刚性能有效提升数控切削效率；硬质合金具有极强应用优势和应用广泛度，由于该材料具备较好刚性与极强韧性、抗磨损性能，因此常被作为刀具主要材料，如今又发展出超细颗粒优质合金刀具等先进刀具，进一步提高了刀具耐磨性，延长了使用寿命；超硬材料是由于近年机械加工领域对硬切削、干切削要求提高而逐渐被广泛应用，包括陶瓷类刀具等材料，不同于金属材料，此类材料往往具有极强抗塑性变形性能、耐热性能；先进涂层在刀具中的应用，也能大幅提升刀具应用效率，PVD 涂层等技术已成为当前刀具加工关注的重点，涂层技术基于提升刀具表面磁场强度、等离子体密度等方式提升刀具实用性，使刀具更容易保持表面清洁，更好地避免黏结、磨损等加工问题10。2.5 合理使用复合刀具数控加工中需要合理地使用复合刀具，从而使加工工件在一次装夹或单次加工循环中，进行多道工序的切削处理，从而大幅提升加工效率。常见的复合刀具如图 2 所示，每种复合刀具的使用范围不同，如组合镗刀常用于加工主轴承孔、凸轮轴孔，阶梯形的钻头常用于加工工件结合面的螺栓孔，因此应用时应当根据产品加工设计要求合理地选用复合刀具，设计加工流程，对车床进行相应的参数调整，保证刀具定位准确。（a）复合贴（b）复合扩孔钻（c）复合铰刀（d）复合镗刀图 2 复合刀具3 结束语目前机械数控加工刀具使用依然存在许多的问题，刀具的特性和刀具使用、管理手段都将影响其使用效率与生产质量。相关企业应当根据自身情况，合理分析现存问题，基于长远发展战略，合理考虑当下生产效益，使用先进材料制作的刀具、复合刀具，优化各阶段刀具使用、维护与管理方案，从而大幅提升刀具使用效率与可靠性，提升整体生产效益。参考文献1 刘献礼,姜彦翠,吴石,等.汽车覆盖件用淬硬钢模具铣削加工的研究进展J.机械工程学报,2016,52(17):35-49,57.2 李聪波,吴磊,沈欢,等.面向能耗的2.5D型腔数控铣削加工刀具组合优化选择J.计算机集成制造系统,2017,23(2):293-304.3 徐金亭,牛金波,陈满森,等.精密复杂曲面零件多轴数控加工技术研究进展J.航空学报,2021,42(10):31-54.4 李婷.机械数控加工技术水平提升策略J.造纸装备及材料,2022,51(2):121-123.5 邬昌军,郑明明,王巧花,等.一种考虑对刀点的五轴数控机床几何精度预测方法J.工程科学与技术,2022,54(4):173-186.6 王国先.五轴联动加工中自由曲面的刀具路径规划研究D.无锡:江南大学,2022.7 刘圣洁.义齿数控机床的运动控制及在线监测系统研究D.沈阳:沈阳工业大学,2022.8 苏进发.基于机器视觉的数控刀具磨损检测D.厦门:厦门理工学院,2022.9 郎言书.智能化数控系统轨迹规划方法的研究与应用D.沈阳:中国科学院大学(中国科学院沈阳计算技术研究所),2022.10 潘国华,唐臣升,锁聪,等.宽行数控加工技术在小曲率曲面加工中的应用J.工具技术,2022,56(6):108-111