通过改变刀具提高加工效率

刘广清

广东省清远市技师学院，广东清远 511517

1 概述

数控加工过程中，同一零件往往存在不同的加工工艺，而工艺的与生产联系相当紧密。不同的生产工艺，对工厂的生产成本、加工效率都有很影响。

作为一名编程人员，除了掌握熟练的编程技巧外，还必须根据工厂的现有条件，做出比较合理的工艺。

今年上半年，本院实习工厂接到了如下图一所示的一批工件的定单。工件毛坯为尺寸为80×80×30mm，材质为45＃钢；工件共生产264 件，且在加工完成后不准用砂布及锉刀等修饰工件表面，要求十天内交货。

图1 零件图

2 现状分析

1）本批工件加工时间紧，任务急，且加工质量要求较高。从我们接到定单到完成所有工件仅有10 天时间；

2）机床台数，共有兼备990M 数控系统的数控铣床10 台，其中能够正常加工的有7 台，按照每天工作8 个小时计算，七台机床十天合计约为560 多个小时，分到每个工件上面仅有两个小时多一点，如表1。

表1

3）本工件最合适的加工方案是用加工中心，但条件有限，我们只能用数控铣床来加工。因而在用MASTERCAM 过程中，有两个方面来提高加工效率：一是合理的设置工艺参数，在保证工件质量的前提下尽可能选择效率高的走刀路线、切削用量即工艺方案，确保操作工在尽可能短的时间内完成整个工件的加工无疑是；二是选用合理的刀具，特别是粗加工时的刀具选择，对提高加工效率至关重要；

4）产品需切除的金属材料较多，提高粗加工的效率对按时完成产品的加工来讲至关重要。

3 零件形状分析

如图1 所示，零件外轮廓为四边形，左右对称。整个零件由以下几部分组成：

1）底板，由厚为5mm，基本轮廓为四边形的长方体，但在长方体的下端，切割出圆弧过渡(此圆弧半径根据图中尺寸通过画图可求出)，底板上部轮廓倒角为10mm，下部轮廓倒角为5mm；

2）曲面轮廓，曲面轮廓由R100 的圆弧面和下X 轴成30°夹角的斜面组成，曲面和斜面通过R2 的圆弧过渡，整个曲面与底板通过R2 的圆弧过渡，曲面的左右两个侧面、斜面和底板的连接圆弧也为R2；

3）凹槽部分，在曲面轮廓上挖有凹槽，长40mm，宽22mm,最深处13mm。凹槽底部有一凸台宽16mm,凸台两端与凹槽两个内侧连接，连接半径为R2。凹槽底部左右两侧各有直径6mm 的两个孔；

从整个零件形状来看，选择刀具对零件的加工效率影响非常大，若选择的刀具尺寸太大，虽然效率高一些，有利于我们在较短的时间里完成工件的加工，但不易加工出来出此处的小圆角；反之，则会降低加工的效率，故应该综合的加以考虑才行。

从整个图来看，零件各部组成元素之间关系清楚，条件充分，编程时的点位坐标很容易可以求出。在加工时孔与工件底面的垂直度、零件侧面与底面的垂直度这些未注位置公差，范围较大，可由机床本身的精度来保证。

4 工艺分析

4.1 装夹方案确定

本工件有三个方向的尺寸即纵向、横向与深度方向，为了加工的需要，按照工件定位的“六点定位原理”，需要完全限定工件的六个自由度使工件位置完全确定下来。

纵向基准选工件底板的前后侧面；横向基准选择工件的左右面，高度方向的基准选择工件的底面。

由于本工件采用的毛坯是80×80×30 的长方体，可直接利用机床自带的平口虎钳装夹，不用另外设计夹具。工件毛坯高度为30毫米，因此在装夹时要注意给加工高度方向留有余量，应该在工件下面加上垫块，使工件以防止在加工过程中的意外碰撞。

4.2 刀具选择

刀具选择要综合考虑加工效率也加工质量，根据工厂现有条件，我们常用的刀具为：φ10 的平铣刀、φ6 的平铣刀、φ6 的钻头、R2 的球刀。以上刀具全部为高速钢。

我们的第一个方案是：采用第一把刀为φ10 的平铣刀用于粗加工，φ6 的平铣刀为凹槽的半精加工，φ6 的钻头钻孔，R2 的球刀精加工。

试切削及调整，我们发现难以在规定的时间内完成加工，主要原因为：由于采用φ10 的高速钢铣刀来进行粗加工，切削参数不能选得太大，只能在一定范围内，但是所给工件切除金属的量太大，使得大量时间消耗在粗加工工序上。

另外，为了保证R2 的圆弧过渡，特别是凹槽侧面与凹槽底部R2 的圆弧过渡。精加工刀具选用了R2 的刀具，使得精加工时的行距不能选得过大，导致精加工时走刀路线太长，加工时间无法缩短。

针对这种情况，我采取了两个措施：其一是将原来选用的φ10 的高速钢平铣刀改换成φ10 的镶硬质合金刀具，提高其切削速度与切削深度，从而提高切削效率；其二是与设计人员协商，能否将部分R2 的圆弧过渡更改成R3 的圆弧，经过协调，设计人员同意了我的方案。这样就将精加工刀具半径加工大1mm，使得行距也相应刀加大，提高了切削效率。

通过两方面的改动，经过试切削，我发现切削时间基本上可以控制在2 小时左右。

4.3 工艺路线安排

4.3.1 粗铣内外轮廓

完成工件整个外轮廓及凹槽内部的粗加工，刀具为φ10的镶硬质合金铣刀，本工序切除大量金属，先用环切法加工，然后用行切法清除曲面残余高度。

当该刀具加工完大部分金属后，改用φ10 的高速钢平铣刀加工曲面轮廓的左右侧面与底板的连接圆弧。粗铣时用逆铣，外轮廓加工时沿切向进退刀，内轮廓采用螺旋式下刀。

由于镶硬质合金铣刀耐热性能良好，建议在用此刀加工时不使用冷却液。原因是机床冷却液的流量不稳定，而且不能保证在加工过程中始终能对铣刀进行冷却，一旦发生冷热不均，容易崩刀。

4.3.2 半精铣凹槽内部

用φ6 的平铣刀粗铣凹槽内部的残留高度及圆弧过渡。

4.3.3 钻孔

用φ6 的钻头，进行四个孔的加工。

4.3.4 精加工

用R3 的球刀进行精加工，采用行切法加工，加工方向与X 轴方向成45°夹角。

上述加工中，后四把刀的加工始终要进行冷却。

4.4 切削用量确定

总的加工用量选用的原则是，粗加工阶段，采用尽可能大的背吃刀量和较大的进给速度，精加工阶段采用较大转速进行加工。

切削用量如表2。

表2

4.5 对刀方法

采用试切对刀法进行对刀，将工件原点放置在毛坯上表面的中心。由于机床不具备自动换刀功能，第一把刀对好后，记下第一把刀的Z 向位置。

一般方法是用一把废弃的把柄在虎台钳的后钳口表面进行定位，将钳口表面及刀柄清理干净，刀柄放到钳口表面，切削用刀的刀口接触到刀柄时记下此时的Z 向位置即可。

为了定位准确，以后每一把刀确定Z 向坐标时，其（X、Y）坐标最好能与第一把刀的坐标位置相同，因此，我往往习惯取（0、Y），这里的Y 根据工件大小，确定一个整数。

5 加工工艺的改进

在此工件的加工过程中，由于选用的粗加工刀全部是平刀，使得在加工过程中过渡圆弧的加工时间用时较长。如果选用比较先进的刀具（如牛鼻铣刀），刀片选用R3时，则可将表2中的第一、二两个工步合二为一，节省了加工时间，但此进加工成本也会升高，考虑到这一点，我们没有选用这种刀具。

6 结论

针对实际情况，我们将工艺适当改变，使得加工时间尽量紧凑，满足了客户提出的要求，使工件能如期交货。

[1]数控加工工艺.机械工业出版社.田春霞主编.

[2]数控机床编程与操作.中国劳动社会保障出版社.劳动和社会保障部教材办公室组织编写，2005，7.

[3]数控加工技师手册.机械工业出版社.《数控加工技师手册》编委会编.

[4]邓奕，苏先辉，等编著.MasterCAM数控加工技术.清华大学出版社.