批量化生产中数控刀具可靠性的研究

赵传生

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

现阶段，数控切削加工技术更看重的是如何实现更高效率、更高精度和高度自动化的技术目标。数控刀具的切削性能和使用寿命是一项非常重要的数据，关系到加工的效率和产品的质量情况。可靠性较高的刀具可以有效减少换刀的次数，确保加工工件的质量和数控设备的稳定运行，给企业带来更大的经济效益。

1 数控刀具的技术要求

1.1 较高的切削效率

数控机床的主要特点是高速、高强度、大功率，在这些条件的严格限制下，刀具本身的强度和刚度必须符合一定的标准和要求，以便于在高速切削和强力切削的加工条件下可以承受更大的作用力，进而确保加工作业的高质量和高效率。

1.2 高精度和重复定位精度

以可转位机夹刀具为例，在对精密零件进行加工的过程中，由于其特有的加工要求和标准，应选用精度为M 级的刀片，同时对刀具进行固定的压紧机构，必须要使刀尖的位置精度和重复定位精度符合一定的要求。

1.3 可靠的断屑

加工过程中如果出现断屑困难、断屑堵塞等现象，将会阻碍加工作业的顺利进行。所以，应科学合理地选择切削用量和刀片断屑槽的尺寸和形状，以便于机床的正常断屑和排屑，确保工件加工的稳定和可靠。

1.4 快速换刀，便于进行预调

如果数控机床采用人工换刀具的方式，可以借助快速夹头来实现。如果加工方具有完备的刀库系统和良好的加工条件，可以进行自行换刀。此外，在保证较高的尺寸精度和定位精度的同时，刀具结构要便于加工人员对尺寸进行预调。

1.5 较高的可靠性

如果刀具具有良好的可靠性，就可以有效避免频繁的换刀和对刀，同时减少辅助时间，这样就能避免数控机床停机的情况而造成经济损失。数控加工刀具本身材料应具有较高的硬度、强度和耐磨性。在进行加工之前，应该查看加工材料的切削性能、抗冲击振动、热处理对材料的影响等数据信息，便于选择到合适的刀具。目前在选择合适的数控刀具方面上，其具有的可靠性已经成为人们进行判断的重要依据。

2 数控刀具的可靠性和可靠度

数控刀具可靠性的含义是，在特定的切削工作环境并在可控的时间内，刀具顺利完成加工作业的能力。数控刀具的可靠度R（t）主要是在固定切削环境和切削时间内，刀具可以顺利完成加工作业，同时刀具没有出现损坏情况的概率，作为可靠性的参考依据。刀具在所要求的的时间和工况下并在切削规范范围内，发生故障的概率称作不可靠度，用F（t）来表示。

3 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（PolyCrystalline Diamond，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。

4 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，最后是使用合适的刀具可靠度，以此来保证加工操作的高质量和高效率。

现在人们主要依照之前加工过程中获取的资料和数据信息来确定数控刀具的可靠度，严格按照时间进行强制换刀。在经过一系列的实验后，可以根据加工的情况和环境适当调整切削量，这样就能实现数控刀具可靠度数据信息的准确采集和获取。

5 数控刀具可靠度结构设计方法

通过分析和研究工件的加工条件及相关的切削工序要求，可以确定刀具结构的基本参数，了解其变动的具体范围等，以此来建立刀具结构可靠度设计模型，同时确保其合理性和有效性。经常采用的手段有：分析找到刀具每个零件的故障形式；找到刀具故障形式的应力和出现故障的原因；确定故障形式的判断依据；将所有可能的因素作为其中的基础内容，建立一个刀具结构可靠度体系，结合所有的因素，得到精准的刀具整体结构的可靠度数据信息，找到更为先进的切削加工工艺，保证加工质量与切削效率，找到科学的刀具可靠度结构设计基础数据和信息，进而保障刀具结构设计作业的顺利展开。

6 数控刀具可靠度的优选原则

对于那些出现磨损而造成损坏的刀具，应该依照刀具使用寿命、切削用量、切削条件这三者存在的主要联系，分析得到刀具的使用寿命及刀具耐用可靠度数据。同时，还需要通过掌握破损损坏的刀具的实际情况，参考刀具破损寿命分布规律等内容，找到刀具使用寿命与切削用量、切削条件的内在联系，进而确定耐用可靠度。

数控刀具可靠度评判标准大致有以下5 项：①数控加工作业中刀具的可靠度值需要大于一个零件的切削时间；②多刃刀具的可靠度应高于单刃刀具的可靠度；③在精加工作业中，刀具切削负荷小的刀具可靠度应高于粗加工刀具；④为避免出现中途换刀的状况，应选择刀具可靠度较高的展开加工作业；⑤可转位刀具具有转位、换刀片快速简便的显著优势，所以刀具可靠度需要选择较低的，以保证刀刃的锋利性。

7 结语

最大限度完善和提高数控刀具的可靠性，有利于人们加工数控刀具加工技术的优势充分的发挥出来。一般可以借助3 个策略：一是要着重考虑刀具的材料构成，尽量选择和工件材料相一致的；二是调整到正确的刀具切削角度，并使用高质量切削液；三是创新切削用量与工艺系统，并进行试验，将其投入到实际生产过程中，尽量保证数控刀具有着较高的整体可靠度，为实现生产的高质量和高效率目标打下坚实的基础。