通過改變刀具提高加工效率

劉廣清

廣東省清遠市技師學院，廣東清遠 511517

1 概述

數控加工過程中，同一零件往往存在不同的加工工藝，而工藝的與生產聯系相當緊密。不同的生產工藝，對工廠的生產成本、加工效率都有很影響。

作為一名編程人員，除了掌握熟練的編程技巧外，還必須根據工廠的現有條件，做出比較合理的工藝。

今年上半年，本院實習工廠接到了如下圖一所示的一批工件的定單。工件毛坯為尺寸為80×80×30mm，材質為45＃鋼；工件共生產264 件，且在加工完成后不準用砂布及銼刀等修飾工件表面，要求十天內交貨。

圖1 零件圖

2 現狀分析

1）本批工件加工時間緊，任務急，且加工質量要求較高。從我們接到定單到完成所有工件僅有10 天時間；

2）機床臺數，共有兼備990M 數控系統的數控銑床10 臺，其中能夠正常加工的有7 臺，按照每天工作8 個小時計算，七臺機床十天合計約為560 多個小時，分到每個工件上面僅有兩個小時多一點，如表1。

表1

3）本工件最合適的加工方案是用加工中心，但條件有限，我們只能用數控銑床來加工。因而在用MASTERCAM 過程中，有兩個方面來提高加工效率：一是合理的設置工藝參數，在保證工件質量的前提下盡可能選擇效率高的走刀路線、切削用量即工藝方案，確保操作工在盡可能短的時間內完成整個工件的加工無疑是；二是選用合理的刀具，特別是粗加工時的刀具選擇，對提高加工效率至關重要；

4）產品需切除的金屬材料較多，提高粗加工的效率對按時完成產品的加工來講至關重要。

3 零件形狀分析

如圖1 所示，零件外輪廓為四邊形，左右對稱。整個零件由以下幾部分組成：

1）底板，由厚為5mm，基本輪廓為四邊形的長方體，但在長方體的下端，切割出圓弧過渡(此圓弧半徑根據圖中尺寸通過畫圖可求出)，底板上部輪廓倒角為10mm，下部輪廓倒角為5mm；

2）曲面輪廓，曲面輪廓由R100 的圓弧面和下X 軸成30°夾角的斜面組成，曲面和斜面通過R2 的圓弧過渡，整個曲面與底板通過R2 的圓弧過渡，曲面的左右兩個側面、斜面和底板的連接圓弧也為R2；

3）凹槽部分，在曲面輪廓上挖有凹槽，長40mm，寬22mm,最深處13mm。凹槽底部有一凸臺寬16mm,凸臺兩端與凹槽兩個內側連接，連接半徑為R2。凹槽底部左右兩側各有直徑6mm 的兩個孔；

從整個零件形狀來看，選擇刀具對零件的加工效率影響非常大，若選擇的刀具尺寸太大，雖然效率高一些，有利于我們在較短的時間里完成工件的加工，但不易加工出來出此處的小圓角；反之，則會降低加工的效率，故應該綜合的加以考慮才行。

從整個圖來看，零件各部組成元素之間關系清楚，條件充分，編程時的點位坐標很容易可以求出。在加工時孔與工件底面的垂直度、零件側面與底面的垂直度這些未注位置公差，范圍較大，可由機床本身的精度來保證。

4 工藝分析

4.1 裝夾方案確定

本工件有三個方向的尺寸即縱向、橫向與深度方向，為了加工的需要，按照工件定位的“六點定位原理”，需要完全限定工件的六個自由度使工件位置完全確定下來。

縱向基準選工件底板的前后側面；橫向基準選擇工件的左右面，高度方向的基準選擇工件的底面。

由于本工件采用的毛坯是80×80×30 的長方體，可直接利用機床自帶的平口虎鉗裝夾，不用另外設計夾具。工件毛坯高度為30毫米，因此在裝夾時要注意給加工高度方向留有余量，應該在工件下面加上墊塊，使工件以防止在加工過程中的意外碰撞。

4.2 刀具選擇

刀具選擇要綜合考慮加工效率也加工質量，根據工廠現有條件，我們常用的刀具為：φ10 的平銑刀、φ6 的平銑刀、φ6 的鉆頭、R2 的球刀。以上刀具全部為高速鋼。

我們的第一個方案是：采用第一把刀為φ10 的平銑刀用于粗加工，φ6 的平銑刀為凹槽的半精加工，φ6 的鉆頭鉆孔，R2 的球刀精加工。

試切削及調整，我們發現難以在規定的時間內完成加工，主要原因為：由于采用φ10 的高速鋼銑刀來進行粗加工，切削參數不能選得太大，只能在一定范圍內，但是所給工件切除金屬的量太大，使得大量時間消耗在粗加工工序上。

另外，為了保證R2 的圓弧過渡，特別是凹槽側面與凹槽底部R2 的圓弧過渡。精加工刀具選用了R2 的刀具，使得精加工時的行距不能選得過大，導致精加工時走刀路線太長，加工時間無法縮短。

針對這種情況，我采取了兩個措施：其一是將原來選用的φ10 的高速鋼平銑刀改換成φ10 的鑲硬質合金刀具，提高其切削速度與切削深度，從而提高切削效率；其二是與設計人員協商，能否將部分R2 的圓弧過渡更改成R3 的圓弧，經過協調，設計人員同意了我的方案。這樣就將精加工刀具半徑加工大1mm，使得行距也相應刀加大，提高了切削效率。

通過兩方面的改動，經過試切削，我發現切削時間基本上可以控制在2 小時左右。

4.3 工藝路線安排

4.3.1 粗銑內外輪廓

完成工件整個外輪廓及凹槽內部的粗加工，刀具為φ10的鑲硬質合金銑刀，本工序切除大量金屬，先用環切法加工，然后用行切法清除曲面殘余高度。

當該刀具加工完大部分金屬后，改用φ10 的高速鋼平銑刀加工曲面輪廓的左右側面與底板的連接圓弧。粗銑時用逆銑，外輪廓加工時沿切向進退刀，內輪廓采用螺旋式下刀。

由于鑲硬質合金銑刀耐熱性能良好，建議在用此刀加工時不使用冷卻液。原因是機床冷卻液的流量不穩定，而且不能保證在加工過程中始終能對銑刀進行冷卻，一旦發生冷熱不均，容易崩刀。

4.3.2 半精銑凹槽內部

用φ6 的平銑刀粗銑凹槽內部的殘留高度及圓弧過渡。

4.3.3 鉆孔

用φ6 的鉆頭，進行四個孔的加工。

4.3.4 精加工

用R3 的球刀進行精加工，采用行切法加工，加工方向與X 軸方向成45°夾角。

上述加工中，后四把刀的加工始終要進行冷卻。

4.4 切削用量確定

總的加工用量選用的原則是，粗加工階段，采用盡可能大的背吃刀量和較大的進給速度，精加工階段采用較大轉速進行加工。

切削用量如表2。

表2

4.5 對刀方法

采用試切對刀法進行對刀，將工件原點放置在毛坯上表面的中心。由于機床不具備自動換刀功能，第一把刀對好后，記下第一把刀的Z 向位置。

一般方法是用一把廢棄的把柄在虎臺鉗的后鉗口表面進行定位，將鉗口表面及刀柄清理干凈，刀柄放到鉗口表面，切削用刀的刀口接觸到刀柄時記下此時的Z 向位置即可。

為了定位準確，以后每一把刀確定Z 向坐標時，其（X、Y）坐標最好能與第一把刀的坐標位置相同，因此，我往往習慣取（0、Y），這里的Y 根據工件大小，確定一個整數。

5 加工工藝的改進

在此工件的加工過程中，由于選用的粗加工刀全部是平刀，使得在加工過程中過渡圓弧的加工時間用時較長。如果選用比較先進的刀具（如牛鼻銑刀），刀片選用R3時，則可將表2中的第一、二兩個工步合二為一，節省了加工時間，但此進加工成本也會升高，考慮到這一點，我們沒有選用這種刀具。

6 結論

針對實際情況，我們將工藝適當改變，使得加工時間盡量緊湊，滿足了客戶提出的要求，使工件能如期交貨。

[1]數控加工工藝.機械工業出版社.田春霞主編.

[2]數控機床編程與操作.中國勞動社會保障出版社.勞動和社會保障部教材辦公室組織編寫，2005，7.

[3]數控加工技師手冊.機械工業出版社.《數控加工技師手冊》編委會編.

[4]鄧奕，蘇先輝，等編著.MasterCAM數控加工技術.清華大學出版社.