机械数控加工中刀具使用优化方法探讨

傅昌虎

摘 要：在进行刀具数控加工过程中，刀具是必不可少的重要一部分，并会对产品安全和质量产生较大的影响。刀具使用与控制情况还与数控加工经济效益息息相关。数控刀具类型多样，在实际进行数控加工时，对刀具的使用要遵守互换性原则、刚性原则以及系列化原则。为了能够提高数控刀具使用的合理性，改善机械数控加工效率，降低刀具的使用成本，本文提出了刀具使用优化的几点方法。

关键词：机械数控加工 刀具 使用优化 方法

随着当代制造业不断发展，企业要想提升自身市场竞争力，获得更为理想的经济效益，必须要注重降本增效，通过改变机械数控加工工艺来提升生产制造速度，并基于自动化生产方式来缩减人力支出[1]。刀具是数控机床进行生产加工的必要工具，并且会直接与待加工零件接触，操作人员设定好各项加工参数后，刀具便能够按照既定的轨迹运行，把零件加工成合格的产品。所以，在实际进行数控机床操作时，操作人员必须要全面、准确掌握不同刀具的应用特征，同时在加工时按照生产加工要求科学应用刀具[2]。只有这样才可以充分发挥出数控技术的加工优势，同时结合人工管理方式逐步改善数控机床生产加工效率与质量，进而为加工企业带来更大的经济效益。本文重点分析了数控机床刀具的类型与应用原则，探讨了机械数控加工中刀具使用优化的方法，以供借鉴。

1 数控机床刀具主要类型

相比较于普通机床，数控机床具有更高的旋转速度、更灵活的加工方式以及更智能的加工控制，这使得数控机床刀具要有别于传统机床刀具，要能够满足数控机床上述工作特征[3]。一般来说，根据数控机床刀具材质、结构与切削方式的不同，可以将其划分为多种类型，如表1所示。除此之外，按照刀具刀柄在数控机床上安装方式，还可以将其分成“不转位机夹式”和“转位机夹式” [4]。这两种刀具类型中，机架可转位刀具应用更为方便，同时拥有稳定性高、耐用性佳以及易更换等特征，所以该类型刀具的应用率占到了全部数控刀具类型的35％左右，并且金属切削量占总数的比例高达85％，是当下数控机床刀具中应用十分广泛的一种。

2 机械数控加工中刀具使用原则

在实际开展机械数控加工时，要全面了解与把握刀具使用的互换性原则、刚性原则以及系列性原则。因为刀具是数控机床进行零件切削的重要工具，在实际工作过程中要承受零件对其施加的反作用力，所以容易产生弹性变形，当反作用力的大小超过了刀具自身强度，便会出现外层脱落的现象。这也是引发刀具过度磨损的重要原因之一[5]。所以，必须要深入了解各种刀具的特点，选取适宜的加工刀具，不断提高数控加工速度，为企业带来更好的经济收益。

2.1 互换性原则

在进行机械数控加工时，由于零件加工尺寸、形状以及标准等不同，往往需要使用多种加工刀具，在这种情况下操作者要按照实际要求及时更换刀具。所以，保证刀具互换性十分重要，要优先使用互换便捷性高、速度快的数控刀具，通过简单的操作便可以将刀具准确、牢固的安装到数控机床上。

2.2 刚性原则

在进行机械数控加工时，当加工刀具的强度低于工作强度要求时，容易在加工过程中产生较大振动，一方面会影响到刀具加工精度，加工出较多的不良品，另一方面也会提高刀具的磨损量，缩短刀具的使用寿命，甚至会对机床产生较大不良影响。所以，在实际选择刀具进行数控加工时，要选取适宜的刀具，确保选用的刀具能够满足加工要求与刚性要求，并且在条件允许的情况下优先使用短刀柄加工刀具[6]。

2.3 系列化原则

由于机械数控机床需要使用的刀具类型多种多样，为了可以有效提高数控机床的加工速度，还需要对刀具进行系列化管理。在利用刀具进行零部件切削加工时，要注重发挥数控机床高转速、自动化水平高的优势，选取适宜的加工刀具可以确保加工过程中数控机床始终保持良好的状态。所以，在对加工刀具进行系列化管理时，要使刀具序列号与加工工序准确对应，并要求相关编程工作者深入了解与掌握各个刀柄的特征参数，确保系列化管理在改善数控机床加工速度上起到良好的作用。

3 机械数控加工中刀具使用优化的方法

3.1 设定科学合理的刀具切削速度与进给速度

在提高数控加工速度时，必须要建立在刀具合理切削速度与进给速度基础之上。所以，要根据切削要求、待加工件特性等，选取适宜的切削速度与进给速度[7]。

首先，在进行机械数控加工过程中，通常要从以下几方面入手确定刀具的切削速度。第一，刀具材质。一般来说，刀具材料的硬度与耐磨性对切削速度产生较大的影响，并且当刀具的硬度越高时，其能够承受的切削速度也越快。第二，材料属性。数控机床面对的待加工件材料种类多样，而不同材料的硬度与切削能力存在较大差异，所以在确定刀具切削速度时，需要紧密联系待加工零件的材质硬度与切削性能。第三，切削稳定性。当选用的切削速度较大时，会提高刀具切削力，并易引发较大的振动，难以保证零件加工要求，并对导致刀具磨损速度较快，所以，在设定切削速度时还应当要确保数控加工过程的稳定性。

其次，在设定切削加工进给速度时，也要从以下几方面入手。第一，加工要求。在确定切削加工进给速度时，要结合待加工零件的尺寸精度要求、粗糙度要求等，选取适宜的进给速度。值得注意的是，提高切削加工进给速度有助于改善加工效率，然而也难以保证加工精度。第二，刀具的刚性与平稳性。当采用较大的加工进给速度时，容易造成刀具出现振动与形变，不利于保证尺寸精度与表面粗糙度。第三，切削力与切削温度。在确定切削加工进给速度时，还应当要避免产生较大的切削力，随着进给速度的增大，切削力与切削温度也会同步升高，既不利于保证加工精度，也会降低刀具使用寿命。

3.2 创设切削参数专家库

在进行机械数控加工过程中，要想提高刀具使用的合理性，必须要注重切削参数的设定[8]。为防止零部件加工时产生速度过高、工件吃刀等不良现象，企业应当要采取有效的手段确保刀具应用的科学性。第一，在创设有效刀具管理系统的基础之上，按照实际的生产要求来确定切削参数专家库，换言之把数控刀具材质、待加工零件材质、进给量、进给速度以及主轴转速等相关参数提前编写到数据库当中，同时按照工艺与材质的不同，对刀具加工数据进行设置，如表2所示为刀具切削数据库参数。另外，让操作人员在选取数控机床与加工刀具过程中，要将数据库作为基准，对相关加工参数进行自主调动，同时全面掌握数控机床、加工刀具的性能等信息，使得选取的加工参数能够满足实际加工要求。第二，在实际加工过程中，把刀具管理系统、加工参数数据库以及编程软件等紧密联系到一起，同时对刀库中的相关刀具参数进行调整，如改变刀具的几何参数、材料架构以及加工参数等。第三，基于UG软件构建虚拟数据库，在进行数控加工过程中，操作人员使用UG三维软件选取满足要求的加工刀具，于此同时系统能够自动推荐最优的切削参数，提高机床编程控制的合理性与有效性，通过优化刀具使用方法来达到改善数控加工效果的目的。

3.3 重视刀具寿命评估

为了降低数控加工成本，确保加工速度满足既定要求，应当要重视刀具寿命的评估，基于构建合理有效的预测模型，为促进刀具使用优化提供良好的帮助[9]。在进行数控加工过程中，待加工零件材质、切削速度、切削量以及切削深度等均会对刀具寿命产生一定的影响。所以，构建刀具寿命评估模型时应当要与上述影响因素紧密结合起来，并在此基础之上利用大量实验完成模型的构建与检验，如图1所示为刀具寿命评估模型示意图。第一，重视各种刀具使用数据的整合与分析，如切削时长、切削力以及刀具磨损情况等。利用传感器对这些参数进行实时收集，也能通过离线实验获得不同加工参数与条件下的数值。第二，借助统计学分析软件、机器学习等手段创设刀具寿命评估模型。根据实际加工情况选择回归分析、神经网络等措施，对相关数据进行分析与辨别，创设刀具寿命和切削参数两者间的关联模型。第三，把刀具寿命评估模型运用到实践生产加工当中，全方位监测切削参数与刀具磨损情况，同时将监测数据反馈给评估模型，从而获得刀具使用寿命数据。再根据评估结果科学规划刀具更换与维护工作，尽可能的缩短设备停机时长，减小刀具的使用成本。

4 结语

综上所述，在进行机械数控加工过程中刀具扮演了极其关键的角色，在实际使用刀具时，要科学分配刀具资源，准确掌握刀具使用的一般原则，全面掌握与发挥不同刀具的使用优势与价值，减小刀具的使用成本，严格遵守“刀具优化应用”理念，推动机械数控加工行业不断发展。

基金项目：2023安徽省省级质量工程项目《模具设计与制造专业教学创新团队》（2023cxtd185）。

参考文献：

[1]王强，李迎光，郝小忠，等.基于在线学习的数控加工刀具寿命动态预测方法[J].航空制造技术，2019，62（07）：49-53.

[2]周凯红，唐进元.复杂曲面宽行数控加工的刀位和刀具姿态综合整体优化的内蕴几何学方法[J].机械工程学报，2020，56（11）：192-201.

[3]费姝霞.机械数控加工过程刀具高效使用及优化措施分析[J].现代制造技术与装备，2021，57（12）：49-51.

[4]安东亮，何欢欢.数控加工中叶片零件特征及切削刀具的选择研究[J].造纸装备及材料，2023，52（02）：33-35.

[5]张习习，鹿曼曼，刘海波，等.浅谈机械数控加工过程中刀具高效使用的优化方案[J].中国设备工程，2023（15）：111-113.

[6]李超文，尹瑞雪.基于刀具寿命及工艺碳排放预测的数控铣削参数优化研究[J].工具技术，2023，57（09）：80-85.

[7]徐昌鸿，张树生，梁嘉宸.基于数控工艺信息挖掘的型腔特征粗加工刀具序列优化决策方法[J].计算机集成制造系统，2024，30（03）：1060-1071.

[8]杨文宜，李伯棠，陈杰新.考虑刀具材料选择的数控加工模糊工艺参数优化[J].中国机械，2023（28）：34-37.

[9]胡任祥.数控铣削加工过程中刀具半径补偿的功能及应用研究[J].造纸装备及材料，2023，52（12）：37-39.