批量化生产中数控刀具可靠性的研究

张大坤

摘要：随着经济的发展，我国的机械行业的发展也有了进展。在不具备刀具寿命监控、刀具磨损自动补偿、自动测量等功能的一般数控机床上进行批量化零件加工，研究如何保证数控刀具的加工可靠性。

关键词：批量化生产;数控刀具可靠性;研究

引言

数控刀具的大量应用提高了我们的生产效率及产品质量，满足了客户需求，同时也带来了产品成本的上升。如果我们不能控制产品成本，将削弱企业的赢利能力甚至使企业丧失市场竞争力。

1数控刀具概述

1.1数控刀具的属性分类

简单说来，数控刀具可分为两大类：模块化刀具和常规刀具。在这两类数控刀具中模块化刀具更能代表未来的发展方向，因为模块化刀具有许多无可比拟的优势，最明显的就是换刀停机时间大大缩短，极大地提高了数控生产加工的效率，经济效益更高。如果对数控刀具进行详细分类，按照不同的分类标准有不同种类。首先，按照数控刀具的结构进行分类，可细分为整体式、镶嵌式与减振式三类;其次，按照数控刀具的制作材料进行分类，同样可以分为三大类，分别是高速钢刀具、硬质合金刀具以及金刚石刀具;再次，按照数控刀具的切削工序进行分类，可以详细地分为内孔、外圆、内螺纹、外螺纹、切槽等种类。

1.2数控刀具的独特之处

数控刀具作为一种机械加工中的重要工具，在机械制造中发挥了重要作用，而且因为其独特的优势促进了机械制造的发展。首先，数控刀具在加工生产的过程中通过设置科学的执行标准，可以保证刀具的质量及可靠性，所以通过数控刀具生产的刀具或者刀片的经济寿命指标及耐用度都更加合理;其次，数控刀具操作更加简便，对于刀片或刀具的切削控制更加灵活便利，断削效果更佳;再次，数控刀具切削部分的几何尺寸必须进行严格控制，保证刀体刀片及刀杆反复装卸精度的稳定性，换句话说，就是将刀片或刀具切削参数及几何参数等进行规范，促进其典型化;最后，数控刀具刀柄及刀片的自动换刀及定位基准系统需要不断优化，促进其規格化、通用化等，同时设置相应的调整及控制尺寸的功能，或者直接配置能够自动补偿刀具磨损的装置。

2数控车床加工刀具的改进设计

改进使用刀具时，要使用标准化刀具。数控车刀要使用机夹可转位车刀，具有较高的可靠性、精度，且刀具成本比较低。刀片重复定位精度高，有利于定位。如果出现刀尖磨损，只需要更换刀片，不需要对整刀进行更换[3]。采用复合式夹紧结构，车刀结构可靠，与刀架的快速换位和移动相适应，自动切削过程中不会发生松动情况。对于不同形式的切削部件，能够快速更换，生产效率提升，快速完成多种切削加工。刀片可以更换，并能批量生产，不会增加刀具成本，保证耐用。

对刀具结构进行优化，使用尽可能少的加工出工件，获得最大化的待加工表面，提升加工表面的位置精度，降低装夹误差。如果将两把刀合成一把刀加工，可以保护定位销钉，并且不旋转刀架。定位“一把刀”，需要的定位销钉只有一组;使用标准化刀具，只在刀尖松紧定位螺丝进行换刀，不会损坏刀架的定位销钉。只有“一把刀”加工，不需要旋转刀架，不会磨损刀架，能够有效减少故障。

3批量化生产中数控刀具可靠性的研究

3.1刀具损坏形式分析

通常条件下，刀具发生损坏情况主要是因为磨损和破损造成的，并且磨损和破损会相互应影响。判断损坏原因的条件有很多种，例如刀具本身的材料、零件材料等。对于那些磨损损坏的刀具，可以分析正常工作状况下的切削用量和切削条件来判断刀具的磨损寿命。出现破损、损坏的刀具，可以分析研究刀具破损寿命的分布规律等情况，并参考破损寿命与切削用量两者的关系，确定详细的刀具破损寿命数据。在加工PCD（PolyCrys-tallineDiamond，聚晶金刚石）、陶瓷等一些具有较大脆性的和较高硬度的材料进时，在高速状态下受到切削力和切削热等多因素影响下，刀具非常容易出现崩刃、剥落和破碎等严重破损。刀具材料和加工工件的材质有离散性特点，再加上刀具制造工艺和切削条件的随机性，这样刀具的切削性能会明显低于其平均性能，并在一定程度上影响到刀具可靠度的稳定性。可以借助数理统计技术和概率分析这两种方法来研究刀具的可靠性，并将其作为数控刀具可靠度的判断标准。

3.2建立刀具可靠度模型

数控刀具的可靠性存在着平均数量的特点，同时也有很大的随机性，因此需要结合利用数理统计技术以及概率分析技术，对刀具的可靠性展开系统、全面的研究和分析。此外，还可以将耐用可靠度作为判断和分析数控刀具可靠度精准数据的标准。例如在对可转位刀具进行研究的过程中，整体的可靠度可以用RΣ（t）来表示，每一部分是由可靠度R1、夹紧零件可靠度R2、夹紧机构可靠度R3、刀体可靠度R4等多个部分构成。以此为基础建立刀具可靠度模型，一级模型表示为RΣ（t）=R1×R2×R3×R4…×Rn。刀具的工作小时在达到一定标准后，刀片的可靠度、刀体可靠度、夹紧机构可靠度等都会存在一定程度的下降。同时需要注意的是，人们需要在一级模型的基础上建立二级模型。设置刀片可靠度是R1（t），刀片材料可靠度、性能可靠度、精度可靠度、装夹方式可靠度、几何参数可靠度分别是R11、R12、R13、R14、R15，那么R1（t）=R11×R12×R13×R14×R15。在可转位刀具系统的帮助下，实现相应的刀具模型的建立工作，此时需要将刀具制定为包含刀片、刀体、夹紧螺钉等诸多零部件共同组成的系统。在这个系统中，如果有一个零部件出现了故障或问题，导致无法发挥应有的作用和功能时，就判定这个刀具系统是失效的。这个系统可靠度RΣ（t）是由整个刀具的每个零部件的可靠度一起构成的。在这种情况下，相对于单刃刀具来说，人们对于多刃刀具的可靠度的严格程度和相关标准更加苛刻和繁多。人们操作数控机床展开高速切削和加工的时候，对于整套设备的刀具系统的要求，通常最看重的是其可靠度，这不但要求刀具材料的可靠性，同时对于刀具整个系统所有组成零件的可靠性和夹紧机构的可靠性也非常严格。因为只有这样，才能有效保证刀具整体结构的可靠性。从另一方面来讲，首先就是刀具切削位置的材料可靠度必须非常高，其次是注重刀具系统内部所有零件可靠度的高低，确保RΣ（t）无限地向1靠近，再次是要求所有零件的可靠度保持一致性，最后是使用合適的刀具可靠度，以此来保证加工操作的高质量和高效率。

结语

在不具备刀具寿命监控、刀具磨损自动补偿、自动测量等功能的一般数控机床上进行批量化零件生产，研究如何保证数控刀具加工可靠性，并提供了解决方案。实践加工证明，此方案既保证了数控刀具加工可靠性，还实现了产品质量、生产时间的可控;既防止了过早更换刀具造成的刀具浪费，又避免了因过晚更换刀具造成的零件报废或刀具损坏，大大节约了加工成本。此方案还为本单位其他同类零件批量化生产加工提供了借鉴。并且通过建立批量化生产零件的相应固化参数表及控制刀具寿命，为今后推行自动化加工提供了数据支撑。

参考文献

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[2]申桂香，李怀洋，张英芝，等.数控车床刀架系统故障分析[J].机床与液压，2011，39（19）：126-129.

[3]张飞.数控刀具合理使用与管理[J].安徽冶金科技职业学院学报，2008（1）：26-28.

[4]刁辉，纪微微.浅析数控机床刀具的选择及使用[J].中国电子商务，2013（18）：193.