浅谈机械数控加工过程中刀具高效使用的优化方案

张习习，鹿曼曼，刘海波，张微微

（山东瑞祥模具有限公司，山东 济宁 272400）

当前，随着经济社会的稳步发展，我国的机械加工行业发展迅猛，特别是现代化技术发展的今天，机械数控加工技术日渐成熟，在此技术下行业转变了发展方向，创造了巨大的经济与社会效益。综合当前机械数控加工的整体情况，行业虽取得了一定的发展成效，但一些企业在机械数控加工方面存在刀具利用效率偏低的情形，影响了产品质量与效率。因此，机械数控加工领域的刀具利用成为关键任务，各个企业需根据刀具利用的现状，综合采取多种优化措施。

1 机械数控加工过程中刀具使用种类及特点

1.1 刀具种类

机械数控加工过程中的刀具类型较多，存在结构、材质、切割工艺等的巨大区别。以刀具结构作为划分依据，包含整体类、镶嵌类和其他类；以焊接组装或者机架式划分，有转位机架式、非转位机架式两种；以刀具材质细分，有金刚石类、合金类等；以刀具的切割工艺为划分标准，有车削、钻削等。数控机床加工过程中，为保障加工生产的高效性，应严格遵守相应的操作规范选择和使用刀具，如刀具不仅要具备稳定性，还需保障锋利性、便捷性。

1.2 刀具使用特点

数控机床中的刀具是关键的构成部分，结合当前行业的发展情况，所使用的各类刀具，刚性与互换性强、使用时间长、可靠性高。由于刀具的刚性较大，长时间使用时不易发生变形现象，如在企业中的刀具刚性达不到要求，可能会引起刀具变形或者倾斜等导致加工产品的质量问题，最终影响数控机床的加工效率与质量；互换性强的特征使刀具的安装更便捷，更换容易；强刚性使刀具即使长时间使用也能稳定运行。

2 机械数控加工过程中刀具损坏形式和预防措施

2.1 刀具损坏形式

机械数控加工过程中的刀具损坏表现为磨损与破损两种，以磨损部位细分，刀具磨损主要为前面磨损、后面磨损与前后面同时磨损三种，刀具后面磨损的情况一般是因为切削脆性材料或者厚度较小的材料引起，或者机械数控设备的主轴转速较低时切削从刀具前面流出所导致；数控机床处于高强度运转状态下，在摩擦或者高温压力下也会破坏刀具，使刀具前面出现月牙洼；刀具前后面同时磨损的现象是在中等切削速度、刀具进给量条件下加工塑性材料所引起。刀具破损分为早期破损和后期破损两种，具体表现为崩刃、刀具碎裂、裂纹、刀具与刀柄剥离几种，数控机床在加工过程中产生的热量较大，特别是在切削或加工高硬度材料时，在切削热力与切削力的同步作用下刀具破损难以避免。

2.2 刀具损坏的预防措施

机械数控加工过程中出现刀具损坏现象的概率较高，为避免出现这一现象，延长刀具的使用寿命，应提前针对刀具制定预防措施，主要从采买、安装和使用着手。首先，在刀具采买环节，应选用正规厂家生产的刀具，并做好刀具生产资质等的检查，参考机械数控设备的刀具配备要求，选择特定种类与型号的刀具，先选刀片再选刀柄。其次，刀具安装环节应严格参考安装规范，尽可能避免使用套管，注意控制预紧力，采用较小的刀头伸出量，选用整体刀垫。最后，刀具使用过程中，应根据整个机械数控设备的加工需求调整刀具的各个参数，如技术人员需将切割角度控制在合理范围内。

3 机械数控加工中刀具使用的优化策略

3.1 采纳钻削的概念

各机械加工企业为高效利用刀具，应根据实际的生产需求选择恰当的加工工艺，并解决在加工过程中所出现的各种问题，提升刀具使用效率。当前的机械数控加工领域，陆续出现了钻削加工方式，且在一些企业内这一方式的应用效果突出，与原来的加工方式有所区别，该方式在加工时采用钻头材料，为加工孔的基本方式，在钻床、车床、镗床等的应用广泛且效果理想。以PCB专门电焊接质地坚硬的合金材料制成的钻头为例，传统的加工工艺相对滞后，为符合现实需求，操作中转速、进给条件给定且操作中不随意调整，由于始终处于切削条件下，刀具受到来自各个方面的压力作用，切削平面无法保持原状，与此同时，切割也会使材料产生一定的弹性力，当材料遭受的压力超出极限值，刀具的塑性变形难以避免，可能会出现弯曲、断裂。如刀具塑性变形的压力小于材料承受极限值，长时间挤压或完成切削的零部件将直接于基板掉落，产生岩屑完成切削操作，此过程为钻削切割，从流程来看，方式较为简单，但在具体实施时，却面临一定的问题：加工时刀具切割导致其热量持续增大，无法保障加工质量，也会干扰相关设备的运行。因此，针对这一方面的问题，实际的工作中可采用钻削概念，由相关人员总结刀具磨损的规律，操作时注意控制加工时间。以某企业为例，钻削概念实施前后的损耗率对比如表1 所示。

表1 钻削概念实施前后刀具使用损耗率对比（x±s，%）

3.2 优化刀具的研磨

针对机械数控加工过程，应重视刀具研磨，就是要去除刀具中的磨损，以确保各项机械设备可高效运转，保障加工的整体效率。但少部分特殊材料、型号的刀具在研磨后无法继续使用，强行用此刀具实施加工任务将导致更为严重的磨损，产生更多热量，这一持续状态下机械振动频率较大，增大了机械的损耗，机械使用中的故障率较高。

此外，长时间且多次研磨刀具后，也会对孔壁质量、孔位造成一定的负面影响，易引起刀具的断裂。因此，实际的工作中为减少这一类问题，一般需结合现场的实际情况优化刀具研磨，以通过这一方式保障刀具的使用寿命，但在刀具研磨过程中，需严格控制研磨速度。因此，各个企业针对机械数控加工中的刀具利用，需提前开展人员培训，通过培训来提高人员的专业素质，保障有关岗位人员善于分析与总结研磨规律，操作中按照此规律控制相关参数。

3.3 利用新型材料

近年来，我国经济社会发展迅速，在此发展趋势下，陆续产生了许多新工艺、新技术与新材料，在机械数控加工中应用新技术与新材料，可大大提升刀具的使用效率，保障产品质量。因此，各个企业在机械数控加工过程中应紧跟行业趋势，结合实际情况选择材料，以发挥材料的性能优势。就当前的行业发展现状来看，现代化新型材料的种类多，但行业内应用范围较广且效果较为理想的主要有高性能高速钢、硬质合金、先进涂层、超硬刀具材料。高性能高速钢性能优越，将其作为切割基础材料的效果理想，基本能达到使用需求，数控刀具中应用多，刀具切削速度快，体现高效性。硬质合金材料也有独有的性能优势，表现为韧性强、抗磨损性好，由于这些性能特点作为刀具材料更为适用，有关企业中应用最为成功地为不锈钢、铸铁。

近年来，科技进步显著，机械数控技术得到了前所未有的发展，与此同时，也带动了相关行业的进步，材料行业中诞生了许多性能优越的新材料，如超细颗粒与优质整体硬质合金刀具，耐磨性好、切削速率高。先进涂层材料，有效克服了传统涂层材料的诸多劣势，成为行业内广受欢迎的材料以及热点议题，未来还有巨大的研发空间与发展潜力，如PVD 涂层技术的适用性强，只要有应用该技术的条件，就可发挥技术优势，同步提高磁场强度、等离子体目的，以保障涂层的效果，与此同时，该技术在应用时也同步带动了计算机全自动控制技术的进步，在各种技术综合应用与推广的过程中，涂层表面亮度、整洁度都大大提高，现代涂层技术下还使刀具具备良好的抗黏结能力、耐磨损性。因此，就当前的技术发展情况来看，现代化涂层克服了模具开发中的诸多难题，不仅能缩短开发周期，还能节约成本，兼具技术可行性、经济合理性特点。最后，超硬刀具材料，近年来，制造行业发展迅速，在此发展趋势下，行业内对材料加工有了更高的要求，为达到这些要求，硬切削与干切削方面不仅需创新工艺技术，还需引入新材料，而超硬刀具材料的出现恰好可满足这些要求，如陶瓷类刀具，因为陶瓷类材料的特殊性，使刀具的抗塑性变形能力强，耐热性能好。

3.4 科学合理选用刀具

机械数控加工过程中的刀具利用率与刀具型号、结构等有关，为实现刀具高效利用，企业需结合自身情况科学选择刀具。刀具选择中，应注意以下方面。

（1）保障刀具的切削性能。机械数控加工中刀具选择是否合理将关乎加工效率与质量，零件加工要求、材料性能等差异使得所选用的刀具也各有不同，如车削铣削钛合金、不锈钢等零件一般需选用耐磨性较好的硬质合金材料；而加工铝、铜等软性材料需选用前角较大的立铣刀，但刀具齿数需在4 齿以下。机械加工往往要历经多个阶段，每个阶段都有各自的刀具选择标准，如精加工阶段因为有独有的加工需求，刚性佳、低精度刀具更适用；如果多加工时有严苛的精度标准，则需选用高精度、碾磨性好的刀具。

（2）选用完好且锋利的刀具，刀具使用前检查刀具性能。当机械数控进入加工阶段时，刀具遭遇各方面作用力影响，如旋转、高温与振动，而这些都不利于保障刀具的性能，易造成刀具损坏，现场人员需根据加工强度等做好刀具检查，若刀具的有关指标达不到标准，则需立即修复与处理。如果使用的是高强度刀具，应增大检查频次，及时发现问题。此外，刀具长时间使用后其锋利性势必受影响，有关人员应缩短检查间隔时间，如有异常情况立即处理，做到早发现早解决。

（3）注意检查刀具的有关参数，主要为切削量、线速度、进给速度等参数。在设定刀具参数的过程中，同样需考虑加工材料、工艺等因素，只有保障了各个参数的合理性，才能减小刀具磨损，从根本上保障加工质量。如在粗加工环节应适当减小切削速度，增大进给速度；当快完成加工任务时，适当加大切削速度，减小进给速度。此外，刀具使用中也需考虑刀具轨迹，但确定轨迹时，需分析刀具的旋转方向、进给量、切削速度等。

3.5 做好刀具相关装置设计

机械数控加工中刀具优化有多种方式，除了上述这些措施，科学设计刀具装置也极为重要，结合每种装置的功能与作用，保障装置结构、参数等达到规定。首先，做好刀具定位装置设计，数控机床刀具应用中定位装置的作用巨大，只有保障了该装置的合理性，才能确保工件定位的稳定性，使工件满足实际需求。此外，也需参考工件加工的相关标准与规范来控制自由阈值，有关人员在设计装置时，需综合现场的加工要求、状态、参数信息，调整定位方案的每个细节。设计人员在设计刀具定位装置时严禁出现欠定位情形，一旦发生此类情况，应采取重复定位法加以处理，参考工件定位基准，确保所选择的定位元件类型、技术参数达到规定。其次，刀具夹紧装置的设计，这类装置的使用是为了使工件的装夹刚性可与生产标准相一致，以从根本上提高定位的可靠性、精确度。设计人员在设计夹紧装置时需考虑更多因素，如夹具夹紧力作用点、方向，在此前提下寻找恰当的着力点，完全确定切削力后再选定夹紧力。设计多方向、多工件夹具时，斜楔式夹紧模式更为适用，反之，则需选用联动式夹紧模式。此外，夹紧装置设计时，应根据夹具所需的夹紧力严格设计，细化元件结构、规格，如在生产中为小批次作业，可选用手动夹紧模式，如为自动化夹具作业，可选用气动或者液动夹紧模式，以保障加工效率。最后，刀具导向装置、数控机床刀具的设计中，设计人员应严格参考工件的待加工表面、详细要求展开设计，首先，应明确对刀装置、铣床刀具的功能与作用，在此前提下优选模板套用模式，此环节的工作中相关人员应参考待加工工件的表面形状，保障元件类型的合理性，并精准控制元件的每个尺寸参数与误差，将各个误差控持在允许范围内。

4 结语

数控机床技术带动了我国制造业的进步，在长期发展的过程中，刀具使用是机械数控加工方面关注的重点问题。各个企业都需根据自身的机械数控加工情形，综合现阶段的加工与生产情况，采取多种措施优化刀具利用，以提高刀具的利用效率，保障加工效率与精度，创造更大的企业价值。