刀具的選擇與加工效率

王厚軍

（中航工業沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽110850）

刀具的選擇與加工效率

王厚軍

（中航工業沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽110850）

在當今零件生產部門，在保證產品的質量的前提下，提高零件的生產效率無疑是衡量生產部門核心競爭力的一項重要指標。特別對于承擔批量生產任務的汽車及航空領域，以航空界尤為明顯，因為一架飛機包含了成千上萬的零部件。從數控加工中刀具的選擇，探討如何提高零件的生產效率。

數控加工；刀具選擇；生產效率

零件在生產之前的加工時間可以通過金屬去除率的概念進行估算。在零件的粗銑階段不同尺寸的刀具和加工參數選擇會不同程度影響到零件的質量和加工效率。如何在零件生產之前對刀具進行有效的安排，是一個非常具有現實意義的研究領域。

1　研究背景

本文借助達索公司的某型商務機中的貨倉后框零件為例，零件尺寸為1 960 mm×1 762 mm×92 mm，以數控加工中的刀具選擇為研究對象，通過不同的刀具選擇對比，探討不同規格的刀具對產品加工效率的影響。某商務機貨倉后框三維模型如圖1所示。

圖1　某商務機貨倉后框三維模型

在開始討論之前，首先闡述一下文中涉及的一些術語。

（1）買飛比（Buy to Fly Ratio），顧名思義，購買飛機材料與實際飛機零件材料之比，即加工零件所使用的毛料與構成最終零件的材料重量之比，可理解為材料利用率的倒數。買飛比是國際上衡量零件加工成本常使用到的一個數值，比值越低則材料利用率越高，一定條件下加工成本越低。切削參數示意圖2所示。

圖2　刀具切削參數示意圖

（2）材料去除率（Material Removal Rate，MRR），單位時間材料的去除量，可以通過，切削參數計算。公式如下（僅適用于銑削）：

MRR=Vf×ap×ae

其中，Vf為刀具進給；ap為切深（mm）；ae為切寬（mm）。

（3）進給速度（Vf），刀具上的基準點沿著刀具軌跡相對于工件移動時的速度。可以通過下面公式求出：

Vf=n×fz×z［1］

式中，n表示機床主軸轉速；fz為每齒切削量；z為刀具的切削齒數。

2　假設條件

首先需要闡述的是，決定加工效率的主要因素集中在粗銑階段，因為精加工的余量相對較小，不同刀具對精加工的質量可能會有不同影響，但對加工效率影響甚微。為了單獨研究刀具對加工效率的影響，本文中將后框的加工方法假定為高速銑加工。其中粗銑時每齒切削量為0.22 mm，精加工每齒切削量設為0.18 mm，切深固定為3 mm.

利用上述假設，結合材料去除率以及進給速度的公式不難看出：

（1）決定進給速度的因素有轉速n和刀具齒數z；

（2）決定材料去除率的因素有進給速度Vf和切寬ae.

由上述結論可以歸納出，決定材料去除率的有主軸轉速n、刀具齒數z以及切寬ae.為了便于計算，本文中將切寬設為刀具半徑。

同時，需要明確的是，粗銑時選擇不同刀具也會影響到材料的去除量［2］。這里先假定零件由鋁合金板材加工，如果按照單邊增加50 mm余量，所需要使用的板材大小為2 060 mm×1 862 mm×100 mm.由于零件的參數已經固定，假定密度為2 820 kg/m3，利用CATIA測量工具可獲得零件的體積為（6.668×10-3）m3，質量為18.803 kg.由此可計算出該零件的買飛比為57.5，是非常高的一個數值。為了便于比較刀具對零件加工效率的影響，此文中假設毛料已由刀具加工至零件最高厚度，即92 mm.由于粗銑時切削屑非常多，加工時為了便于排屑以免影響產品質量，粗銑通常設置徑向分兩層來加工零件外形，步距在這里統一為5 mm.由于這里認為精加工刀具相同，因此粗加工余量統一設置為3 mm.由此可見，粗銑實際加工范圍為零件尺寸加刀具直徑以及8 mm余量。

由于篇幅限制，本文僅討論常規尺寸刀具，其中包括，Φ40、Φ32機夾銑刀（3齒），Φ20、Φ16立銑刀（2齒）。需要注意的是，如果使用Φ40的刀具，則單邊增加50 mm余量已經無法滿足裝夾要求。如果使用壓板固定的話則單邊至少需要增加15 mm，亦即毛料需要2 090 mm×1 892 mm×100 mm.從而計算出買飛比將增加至59.3.

3　研究方法

（1）首先確定零件的最大輪廓。利用CATIA中加厚功能獲得粗銑后零件模型，即原數模厚度增厚3 mm后的零件。使用測量獲得零件質量為41.9 kg.

（2）投影零件最大輪廓。利用CATIA中的草圖投影功能獲得零件（增加加余量后）的最大輪廓。

（3）獲得加工區域實體。利用拉伸凸臺功能獲得加工區域實體，以獲得實際材料去除量。

（4）增加刀具步距余量。將步驟3中的實體外形增加5 mm余量。

（5）增加刀具直徑余量。將步驟4中的實體外形增加刀具直徑的余量，并獲得材料質量，具體如表1所列。

表1　不同直徑刀具對切削量的影響

（6）根據第二部分中的相關參數的計算方法，以及第三部分中的假設條件，可以計算出不同刀具的理論切削時間，如表2所列。

表2　不同加工刀具切削參數對比

4　結論

根據第四部分計算結果可以看出，隨著刀具直徑的增加，理論切削時間總體是呈下降趨勢的。在其它因素固定的情況下，可以簡單的理解為切寬增加的原因。當然刀具齒數的增加也會影響材料去除率，從而減低理論切削時間。下面的柱形圖能夠更加直觀地看出理論加工時間雖刀具直徑的變化而變化的情況，如圖3所示。

圖3　所選刀具與理論加工時間比較

但是需要明確的是，理論加工時間與刀具直徑并非單純的直線關系。為了更好地比較加工效率與刀具直徑的關系，本文以Φ16刀具為參考，分別從節約時間百分比和單位刀具直徑增加節約時間進行對比。對比結果見于下頁折線圖。圖中可以看出Φ20的單位刀具直徑增量節約時間達到了15 min/mm-1，而Φ32刀具次之，大約14.3 min·mm-1，Φ40刀具最小。但Φ40刀具相對Φ16刀具節約了64%的時間，比Φ32刀具高出5個百分點。

綜合理論加工時間和買飛比信息，Φ32刀具可以認為是最理想的刀具。但需要注意的是，這一結論只是基于第三部分的假設條件成立，并且該結論只是從理論上進行推論，如圖4所示。

圖4　以Φ16刀具為參考其余刀具直徑與時間對比

5　結束語

第四部分已經根據假設條件給出了理論上的結論，但是本文討論的所有加工方案都是僅使用一把刀具進行粗加工。這種加工方案雖然能夠很好地保證加工余量的均勻，但卻不一定是效率最高的。例如，該文中所涉及的零件實際上可以使用Φ40的刀具加工零件內形；加工零件外形時則可以選擇直徑較小的刀具，即犧牲少量的加工時間來節約一定的材料。作為文章的結尾部分，本章僅討論Φ32、Φ40刀具粗加工零件內形，Φ16、Φ20刀具加工零件外形的情況。

為了便于比較，這里將加工區域分為內形和外形。內形的加工范圍不會因為加工刀具的改變而變化，外形則不然。利用CATIA的測量功能獲得內形切削體積為0.056 237 m3.外形的切削體積僅由外形加工刀具決定，從而計算出不同加工刀具所需加工的外形體積，并由此計算出加工時間，如表3所列。

表3　內外形不同刀具對切削量及切削時間的影響

由上表中的不同刀具的加工時間進行組合，從而獲得不同刀具組合的理論加工時間（min）：

表4　不同刀具組合的理論加工時間/min

從表4中可以看出，采用合理的刀具組合加工方案，可以有效地節約加工時間。其中以Φ40刀具粗銑內形和Φ16刀具粗銑外形的理論加工時間最短，約為2 h.粗銑內形選用直徑20 mm刀具不但沒有減少加工時間，反而由于增加切削量而增加了理論加工時間。

本文依據理論計算給出了粗銑中通過不同刀具選擇來提高零件加工效率的方法，具有一定的參考意義，可以用于編制工藝流程之前提高加工效率的一種粗略優化方法。同時本文數據說明了零件的加工效率與選擇刀具直徑非直線關系，但理論加工時間總體隨刀具直徑增加而減少。

本文雖然具有一定的理論指導意義，然而文中零件屬于特殊零件，在推廣時應根據實際零件特點具體分析。文中刀具的相關參數僅是根據作者個人經驗針對某一型號機床給出，使用該方法進行分析是也要根據實際情況進行調整。

［1］詹熙達.CATIA V5數控加工教程［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［2］張慧萍.數控切削加工工藝參數及刀具運動軌跡的研究［M］.哈爾濱：哈爾濱理工大學出版社，2003.

Tool Selection and Machining Efficiency

WANG Hou-jun
（Aircraft Industry Shenyang Aircraft Industry（Group）Co.，Ltd.，Shenyang 110850，China）

In today's parts production department，under the premise of ensuring the quality of products，improve the production efficiency of the parts is an important indicator to measure the core competitiveness of the production sector.In particular，the automotive and aerospace industry，which takes on a lot of production tasks，is particularly evident in the aviation sector，because a plane contains hundreds of thousands of components.This paper will discuss how to improve the production efficiency of the parts from the choice of tool in NC machining.

NC machining；tool selection；production efficiency

TG71

A

1672-545X（2016）07-0204-03

2016-04-25

王厚軍（1982-），男，山東菏澤人，本科，工程師，從事數控加工專業。