数控车床加工刀具安全位置计算方法

陈华庚

【摘 要】 数控车床在加工机械零件之前，需要对加工零件图纸进行精确计算，再根据加工毛坯材料余量制定加工工艺和选择刀具。零件通常由加工方式分为外轮廓加工和内轮廓加工，而轮廓组成部分由直线、圆弧和不规则线段，在加工过程中需要外圆车刀、螺纹车刀、内孔车刀、圆弧车刀以及专用成型车刀对工件相应位置进行切削，按一定顺序进行粗、精加工，换刀位置由刀架上安装刀具的长度和形状受限，刀架移动距离所花费的时间长短直接影响加工时间，计算加工刀具最佳安全位置，是提高生产效率的关键。

【关键词】 数控车床：刀具；计算方法

【中图分类号】G64.20 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）22-00-02

引言：

数控车削[1]是在普通车削加工的基础上运用数字处理、控制技术来完成加工，其切削影响要素——asp背吃刀量、进给速度F、主轴转度S，通过数控装置、变频器、机械极限开关、编码器、伺服电机等机电元件组成的一个全自动控制系统，整个加工操作无需操作人员全程跟踪检测，其加工精度可达0.01mm。零件加工整个过程需要程序编写员检测数控车床加工范围、材料（金属、非金属）各元素成份比例、刀具种类选择[2]、加工方式制定，查阅车削加工手册，根据图纸再制订加工工艺。工件从毛坯材料至成品，需要多把刀在不同工艺、工顺和部位切削多余材料，车削刀具通常安装在刀架上，数控车床刀架安装在机床中拖板上，刀具更换是通过刀架电机与刀架内蜗杆与齿轮传动[3]，达到刀具旋转，以此更换刀具，当刀具在切削时整个刀架随当前加工刀具状态移动而发生位置改变。数控车削加工效率一直是确定加工成本关键因素，提高数控车削加工效率主要是增加刀具有效加工时间，减少刀具无效空运行时间。其无效工作时间主要是刀具在更换下一把刀具时，所要往返移动的距离所产生的辅助时间，在保证加工安全的情况，如何缩短移动安全距离，则是在刀具加工时所需计算，根据刀具的形状、尺寸来确移动，具体有以下几方面：

1.数控车削加工外轮廓刀具、安全位置计算考虑因素；2.数控车削加工内轮廓刀具、安全位置计算考虑因素：3.数控刀具加工安全位置计算法；

1.数控车削加工外轮廓刀具、安全位置计算考虑因素

数控车削加工外轮廓零件，即是对材料表面、端面进行切除处理，常用的刀具种类：外圆车削加工刀具、端面切削加工刀具，其中外圆车削加工比较常见刀具有：外圆930车刀、切槽切断刀（主要通过人工刃磨刀具几何角度）、螺纹车刀、圆弧车刀等。完整的加工程序不仅要制订最佳的加工工艺，还要把加工过程中的安全和刀具使用最佳化一并考虑。

1.1外圆930车刀加工外圆轮廓时（图1-1），当1号刀具车削到卡盘端时2号刀具与主辆卡盘端保持安全距离，L2

图1-1

1.2切槽切断刀具加工时安全值测算因素

切槽切断刀具切削工作点在主切削刃上，与工件接触点形成一条线，在切削的时候易引起振动，导致刀头出现左右摇动，最终刀具因受力过大，发生崩裂或者应力集中在刀具最薄弱处折断，为了减少此类事件发生建议主切削刃宽度值a≈（0.5～0.6） d-工件直径（mm），刀具强度保证后，再就是根据工件大小，确定刀具刀头长度L（刀具伸出刀盒部分）L=h+（3～5）mmh-切入深度。在批量生产的第一件时，注意刀具切削时的声音，如果是“嗡嗡”声，说明主切削刃在与工件接触时，刀头在左右摇摆；切削时发出“沙沙”声，说明刀具此时正常切削，声音是由排屑与工件、辅助器具发生摩擦而产生。当刀具需要切断工件的时候，选择切入点位置除了要保证工件几何尺寸，还要保证工件在切削时刚性，编写切断程序所要计算的安全值包括刀架2号刀具与卡盘之间绝对值长度大于主切削刃左刀尖与2号刀具刀尖在轴向的绝对值，避免在加工继续切入时，2号刀具与卡盘发生碰撞。

数控车床车削圆弧轮廓时，在使用圆弧车时，注意观察刀具型号，使用游标卡尺测量刀柄宽度，圆弧车刀刀尖位于刀柄轴心线上，在加工的过程中，为了提高效率，通常安排左、右切削刃往复切削，减小刀具空运行。圆弧车刀在加工圆弧轮廓时，应与卡盘间的距离值保持在大于刀柄值二分一加（1～2）mm.或者整个加工圆弧靠近卡盘方向点间距大于刀柄三分二值，这样既保持加工安全距离，也为刀具在更换时减小与卡盘、工件间的移动量。当刀架上刀具移动安全换位置时，应考虑所有在刀架上的刀具伸出值加上刀架中心点到刀架边缘垂直距离值之和同时小于刀架中心点到三爪卡盘上的三爪、工件表面的值。

2.数控车削加工内轮廓刀具、安全位置计算考虑因素

数控车削加工内轮廓零件，主要是对零件孔内进行扩孔、切槽、车削螺纹加工[4]，其加工特点在于排屑空间狭小，不便于直接观察加工过程，只能依靠声音、排屑出来的颜色、中拖板电机负荷所产生的声音来判断。由于其加工隐密性，如何确定刀具加工轨迹、刀柄形状大小、长度，一直是程序编写人员考虑加工安全所考虑的，以下是常见刀具位置计算时考虑因素和方法。

当零件需要进行扩孔加工前，在工件内部预先加工一个盲孔或者通孔，孔径加工余量asp≧2mm，此余量作用是为了在扩孔过程中保持足够切削材料，余量过少时，刀具在与工件车削时产生摩擦力挤压待加工表面，因外力给挤压表面出现不规则变形，致使切削后还有部分变形材料未被切除。数控车削加工孔时，一般使用内孔车刀，安装时刀具刀柄伸出值，应考虑刀具刚性和刀头与孔端面（盲孔）安全距离。当加工对象是通孔是刀具伸出刀架长度L=L孔+4mm.同时保证刀具不得与待加工表面、已加工表面产生接触性摩擦，切削过程中（循环指令编写、手工单段编写）在径向退刀量时应控制在2mm内，且只能沿轴向退刀。退刀至孔端面4～6mm处，减少刀具在加速运动中进行切削。当加工孔对象是盲孔时，考虑安全距离值与通孔相同外，还要保证刀具不能与工件孔端面发生接触，刀具选择应优先考虑刀尖位于整把刀具最左端。

3.数控刀具加工安全位置计算法；

3.1当外圆930车刀加工完成本次工顺序，需要将刀具刀架移动到与卡盘端面、外圆加工零件和尾座三者之间，再进行刀架旋转，换刀过程中，主要受限制有：刀具超出刀架长度加上刀架中心到各边垂直长度，需要同时小于三爪卡盘与刀架中心点间的值；工件待加工表面到当前刀架中心点的数据值；尾座到刀架中心点的数据值，当同时满足三个数据值时，刀架在加工外轮廓需要换刀具是可以的。

3.2切槽切断刀具在换刀过程中，计算刀架、刀具安全位置包括以刀架中心到卡盘垂直距离、刀架中心点到工件凸点半径值都大于当前刀架中心到刀具伸出最长刀尖点的值，才能进行更换刀具。

3.3内孔车刀在换时（图1-2），首先保证刀具在工件之外，其安全值应满足条件：L刀+L刀架+5mm≦L刀架+L刀架-卡盘+5mm、L刀+L刀架+5mm≦L刀架+L刀架-卡盘和L刀+L刀架+5mm≦L刀架+L刀架-工件表面

孔内加工凹槽、圆弧、螺纹时，刀具刀头与刀柄轴线相交成900，其刀架承受外力为：刀具切削时力F×刀具伸出刀架长度L，切削中刀具应保持足够刚性、安全距离减小受刀具形状的影响，圆弧、螺纹加工时，应再增加三分二的刀头宽度安全值，确保刀具其他部位与工件端不接触。刀具需要换刀时，方法与内孔计算方法相同。

4.总结

数控车床车削在现代制造技术中工作效率得到市场认可，越来越多的编程软件已替代人工对零件加工的相关计算，但是软件中的安全数据不一定与现场加工时使用刀具，工装夹具以及实际影响加工质量因素相同，所以在使用自动编程件前，测量刀具、工件几何尺寸是提高效率必然过程，只有数据准确性才能制订出一个最佳的加工工艺，才能保证加工过程中的安全和加工质量。

参考文献：

[1]蓝兰.数控车床加工刀具的改进[J].科技视界，2014，（10）：98-99

[2]张能武.车刀刃磨技术全程图解[M].北京：化学工业出版社，2015.

[3]陈则钧，龚雯.机电设备故障诊断与维修技术[M].北京：高等教育出版社，2014.

[4]苏和堂，陶发岭.车工技能训练[M].安徽：安徽科学技术出版社，2015.