批量化生產中數控刀具可靠性的研究

張大坤

摘要：隨著經濟的發展，我國的機械行業的發展也有了進展。在不具備刀具壽命監控、刀具磨損自動補償、自動測量等功能的一般數控機床上進行批量化零件加工，研究如何保證數控刀具的加工可靠性。

關鍵詞：批量化生產;數控刀具可靠性;研究

引言

數控刀具的大量應用提高了我們的生產效率及產品質量，滿足了客戶需求，同時也帶來了產品成本的上升。如果我們不能控制產品成本，將削弱企業的贏利能力甚至使企業喪失市場競爭力。

1數控刀具概述

1.1數控刀具的屬性分類

簡單說來，數控刀具可分為兩大類：模塊化刀具和常規刀具。在這兩類數控刀具中模塊化刀具更能代表未來的發展方向，因為模塊化刀具有許多無可比擬的優勢，最明顯的就是換刀停機時間大大縮短，極大地提高了數控生產加工的效率，經濟效益更高。如果對數控刀具進行詳細分類，按照不同的分類標準有不同種類。首先，按照數控刀具的結構進行分類，可細分為整體式、鑲嵌式與減振式三類;其次，按照數控刀具的制作材料進行分類，同樣可以分為三大類，分別是高速鋼刀具、硬質合金刀具以及金剛石刀具;再次，按照數控刀具的切削工序進行分類，可以詳細地分為內孔、外圓、內螺紋、外螺紋、切槽等種類。

1.2數控刀具的獨特之處

數控刀具作為一種機械加工中的重要工具，在機械制造中發揮了重要作用，而且因為其獨特的優勢促進了機械制造的發展。首先，數控刀具在加工生產的過程中通過設置科學的執行標準，可以保證刀具的質量及可靠性，所以通過數控刀具生產的刀具或者刀片的經濟壽命指標及耐用度都更加合理;其次，數控刀具操作更加簡便，對于刀片或刀具的切削控制更加靈活便利，斷削效果更佳;再次，數控刀具切削部分的幾何尺寸必須進行嚴格控制，保證刀體刀片及刀桿反復裝卸精度的穩定性，換句話說，就是將刀片或刀具切削參數及幾何參數等進行規范，促進其典型化;最后，數控刀具刀柄及刀片的自動換刀及定位基準系統需要不斷優化，促進其規格化、通用化等，同時設置相應的調整及控制尺寸的功能，或者直接配置能夠自動補償刀具磨損的裝置。

2數控車床加工刀具的改進設計

改進使用刀具時，要使用標準化刀具。數控車刀要使用機夾可轉位車刀，具有較高的可靠性、精度，且刀具成本比較低。刀片重復定位精度高，有利于定位。如果出現刀尖磨損，只需要更換刀片，不需要對整刀進行更換[3]。采用復合式夾緊結構，車刀結構可靠，與刀架的快速換位和移動相適應，自動切削過程中不會發生松動情況。對于不同形式的切削部件，能夠快速更換，生產效率提升，快速完成多種切削加工。刀片可以更換，并能批量生產，不會增加刀具成本，保證耐用。

對刀具結構進行優化，使用盡可能少的加工出工件，獲得最大化的待加工表面，提升加工表面的位置精度，降低裝夾誤差。如果將兩把刀合成一把刀加工，可以保護定位銷釘，并且不旋轉刀架。定位“一把刀”，需要的定位銷釘只有一組;使用標準化刀具，只在刀尖松緊定位螺絲進行換刀，不會損壞刀架的定位銷釘。只有“一把刀”加工，不需要旋轉刀架，不會磨損刀架，能夠有效減少故障。

3批量化生產中數控刀具可靠性的研究

3.1刀具損壞形式分析

通常條件下，刀具發生損壞情況主要是因為磨損和破損造成的，并且磨損和破損會相互應影響。判斷損壞原因的條件有很多種，例如刀具本身的材料、零件材料等。對于那些磨損損壞的刀具，可以分析正常工作狀況下的切削用量和切削條件來判斷刀具的磨損壽命。出現破損、損壞的刀具，可以分析研究刀具破損壽命的分布規律等情況，并參考破損壽命與切削用量兩者的關系，確定詳細的刀具破損壽命數據。在加工PCD（PolyCrys-tallineDiamond，聚晶金剛石）、陶瓷等一些具有較大脆性的和較高硬度的材料進時，在高速狀態下受到切削力和切削熱等多因素影響下，刀具非常容易出現崩刃、剝落和破碎等嚴重破損。刀具材料和加工工件的材質有離散性特點，再加上刀具制造工藝和切削條件的隨機性，這樣刀具的切削性能會明顯低于其平均性能，并在一定程度上影響到刀具可靠度的穩定性。可以借助數理統計技術和概率分析這兩種方法來研究刀具的可靠性，并將其作為數控刀具可靠度的判斷標準。

3.2建立刀具可靠度模型

數控刀具的可靠性存在著平均數量的特點，同時也有很大的隨機性，因此需要結合利用數理統計技術以及概率分析技術，對刀具的可靠性展開系統、全面的研究和分析。此外，還可以將耐用可靠度作為判斷和分析數控刀具可靠度精準數據的標準。例如在對可轉位刀具進行研究的過程中，整體的可靠度可以用RΣ（t）來表示，每一部分是由可靠度R1、夾緊零件可靠度R2、夾緊機構可靠度R3、刀體可靠度R4等多個部分構成。以此為基礎建立刀具可靠度模型，一級模型表示為RΣ（t）=R1×R2×R3×R4…×Rn。刀具的工作小時在達到一定標準后，刀片的可靠度、刀體可靠度、夾緊機構可靠度等都會存在一定程度的下降。同時需要注意的是，人們需要在一級模型的基礎上建立二級模型。設置刀片可靠度是R1（t），刀片材料可靠度、性能可靠度、精度可靠度、裝夾方式可靠度、幾何參數可靠度分別是R11、R12、R13、R14、R15，那么R1（t）=R11×R12×R13×R14×R15。在可轉位刀具系統的幫助下，實現相應的刀具模型的建立工作，此時需要將刀具制定為包含刀片、刀體、夾緊螺釘等諸多零部件共同組成的系統。在這個系統中，如果有一個零部件出現了故障或問題，導致無法發揮應有的作用和功能時，就判定這個刀具系統是失效的。這個系統可靠度RΣ（t）是由整個刀具的每個零部件的可靠度一起構成的。在這種情況下，相對于單刃刀具來說，人們對于多刃刀具的可靠度的嚴格程度和相關標準更加苛刻和繁多。人們操作數控機床展開高速切削和加工的時候，對于整套設備的刀具系統的要求，通常最看重的是其可靠度，這不但要求刀具材料的可靠性，同時對于刀具整個系統所有組成零件的可靠性和夾緊機構的可靠性也非常嚴格。因為只有這樣，才能有效保證刀具整體結構的可靠性。從另一方面來講，首先就是刀具切削位置的材料可靠度必須非常高，其次是注重刀具系統內部所有零件可靠度的高低，確保RΣ（t）無限地向1靠近，再次是要求所有零件的可靠度保持一致性，最后是使用合適的刀具可靠度，以此來保證加工操作的高質量和高效率。

結語

在不具備刀具壽命監控、刀具磨損自動補償、自動測量等功能的一般數控機床上進行批量化零件生產，研究如何保證數控刀具加工可靠性，并提供了解決方案。實踐加工證明，此方案既保證了數控刀具加工可靠性，還實現了產品質量、生產時間的可控;既防止了過早更換刀具造成的刀具浪費，又避免了因過晚更換刀具造成的零件報廢或刀具損壞，大大節約了加工成本。此方案還為本單位其他同類零件批量化生產加工提供了借鑒。并且通過建立批量化生產零件的相應固化參數表及控制刀具壽命，為今后推行自動化加工提供了數據支撐。

參考文獻

[1]賈亞洲.數控系統可靠性國內外現狀及對策[J].中國制造業信息化，2006（5）：51-53.

[2]申桂香，李懷洋，張英芝，等.數控車床刀架系統故障分析[J].機床與液壓，2011，39（19）：126-129.

[3]張飛.數控刀具合理使用與管理[J].安徽冶金科技職業學院學報，2008（1）：26-28.

[4]刁輝，紀微微.淺析數控機床刀具的選擇及使用[J].中國電子商務，2013（18）：193.