數(shù)控車床加工刀具安全位置計算方法

陳華庚

【摘 要】 數(shù)控車床在加工機械零件之前，需要對加工零件圖紙進行精確計算，再根據(jù)加工毛坯材料余量制定加工工藝和選擇刀具。零件通常由加工方式分為外輪廓加工和內(nèi)輪廓加工，而輪廓組成部分由直線、圓弧和不規(guī)則線段，在加工過程中需要外圓車刀、螺紋車刀、內(nèi)孔車刀、圓弧車刀以及專用成型車刀對工件相應(yīng)位置進行切削，按一定順序進行粗、精加工，換刀位置由刀架上安裝刀具的長度和形狀受限，刀架移動距離所花費的時間長短直接影響加工時間，計算加工刀具最佳安全位置，是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)控車床：刀具；計算方法

【中圖分類號】G64.20 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）22-00-02

引言：

數(shù)控車削[1]是在普通車削加工的基礎(chǔ)上運用數(shù)字處理、控制技術(shù)來完成加工，其切削影響要素——asp背吃刀量、進給速度F、主軸轉(zhuǎn)度S，通過數(shù)控裝置、變頻器、機械極限開關(guān)、編碼器、伺服電機等機電元件組成的一個全自動控制系統(tǒng)，整個加工操作無需操作人員全程跟蹤檢測，其加工精度可達0.01mm。零件加工整個過程需要程序編寫員檢測數(shù)控車床加工范圍、材料（金屬、非金屬）各元素成份比例、刀具種類選擇[2]、加工方式制定，查閱車削加工手冊，根據(jù)圖紙再制訂加工工藝。工件從毛坯材料至成品，需要多把刀在不同工藝、工順和部位切削多余材料，車削刀具通常安裝在刀架上，數(shù)控車床刀架安裝在機床中拖板上，刀具更換是通過刀架電機與刀架內(nèi)蝸桿與齒輪傳動[3]，達到刀具旋轉(zhuǎn)，以此更換刀具，當?shù)毒咴谇邢鲿r整個刀架隨當前加工刀具狀態(tài)移動而發(fā)生位置改變。數(shù)控車削加工效率一直是確定加工成本關(guān)鍵因素，提高數(shù)控車削加工效率主要是增加刀具有效加工時間，減少刀具無效空運行時間。其無效工作時間主要是刀具在更換下一把刀具時，所要往返移動的距離所產(chǎn)生的輔助時間，在保證加工安全的情況，如何縮短移動安全距離，則是在刀具加工時所需計算，根據(jù)刀具的形狀、尺寸來確移動，具體有以下幾方面：

1.數(shù)控車削加工外輪廓刀具、安全位置計算考慮因素；2.數(shù)控車削加工內(nèi)輪廓刀具、安全位置計算考慮因素：3.數(shù)控刀具加工安全位置計算法；

1.數(shù)控車削加工外輪廓刀具、安全位置計算考慮因素

數(shù)控車削加工外輪廓零件，即是對材料表面、端面進行切除處理，常用的刀具種類：外圓車削加工刀具、端面切削加工刀具，其中外圓車削加工比較常見刀具有：外圓930車刀、切槽切斷刀（主要通過人工刃磨刀具幾何角度）、螺紋車刀、圓弧車刀等。完整的加工程序不僅要制訂最佳的加工工藝，還要把加工過程中的安全和刀具使用最佳化一并考慮。

1.1外圓930車刀加工外圓輪廓時（圖1-1），當1號刀具車削到卡盤端時2號刀具與主輛卡盤端保持安全距離，L2

圖1-1

1.2切槽切斷刀具加工時安全值測算因素

切槽切斷刀具切削工作點在主切削刃上，與工件接觸點形成一條線，在切削的時候易引起振動，導致刀頭出現(xiàn)左右搖動，最終刀具因受力過大，發(fā)生崩裂或者應(yīng)力集中在刀具最薄弱處折斷，為了減少此類事件發(fā)生建議主切削刃寬度值a≈（0.5～0.6） d-工件直徑（mm），刀具強度保證后，再就是根據(jù)工件大小，確定刀具刀頭長度L（刀具伸出刀盒部分）L=h+（3～5）mmh-切入深度。在批量生產(chǎn)的第一件時，注意刀具切削時的聲音，如果是“嗡嗡”聲，說明主切削刃在與工件接觸時，刀頭在左右搖擺；切削時發(fā)出“沙沙”聲，說明刀具此時正常切削，聲音是由排屑與工件、輔助器具發(fā)生摩擦而產(chǎn)生。當?shù)毒咝枰袛喙ぜ臅r候，選擇切入點位置除了要保證工件幾何尺寸，還要保證工件在切削時剛性，編寫切斷程序所要計算的安全值包括刀架2號刀具與卡盤之間絕對值長度大于主切削刃左刀尖與2號刀具刀尖在軸向的絕對值，避免在加工繼續(xù)切入時，2號刀具與卡盤發(fā)生碰撞。

數(shù)控車床車削圓弧輪廓時，在使用圓弧車時，注意觀察刀具型號，使用游標卡尺測量刀柄寬度，圓弧車刀刀尖位于刀柄軸心線上，在加工的過程中，為了提高效率，通常安排左、右切削刃往復切削，減小刀具空運行。圓弧車刀在加工圓弧輪廓時，應(yīng)與卡盤間的距離值保持在大于刀柄值二分一加（1～2）mm.或者整個加工圓弧靠近卡盤方向點間距大于刀柄三分二值，這樣既保持加工安全距離，也為刀具在更換時減小與卡盤、工件間的移動量。當?shù)都苌系毒咭苿影踩珦Q位置時，應(yīng)考慮所有在刀架上的刀具伸出值加上刀架中心點到刀架邊緣垂直距離值之和同時小于刀架中心點到三爪卡盤上的三爪、工件表面的值。

2.數(shù)控車削加工內(nèi)輪廓刀具、安全位置計算考慮因素

數(shù)控車削加工內(nèi)輪廓零件，主要是對零件孔內(nèi)進行擴孔、切槽、車削螺紋加工[4]，其加工特點在于排屑空間狹小，不便于直接觀察加工過程，只能依靠聲音、排屑出來的顏色、中拖板電機負荷所產(chǎn)生的聲音來判斷。由于其加工隱密性，如何確定刀具加工軌跡、刀柄形狀大小、長度，一直是程序編寫人員考慮加工安全所考慮的，以下是常見刀具位置計算時考慮因素和方法。

當零件需要進行擴孔加工前，在工件內(nèi)部預先加工一個盲孔或者通孔，孔徑加工余量asp≧2mm，此余量作用是為了在擴孔過程中保持足夠切削材料，余量過少時，刀具在與工件車削時產(chǎn)生摩擦力擠壓待加工表面，因外力給擠壓表面出現(xiàn)不規(guī)則變形，致使切削后還有部分變形材料未被切除。數(shù)控車削加工孔時，一般使用內(nèi)孔車刀，安裝時刀具刀柄伸出值，應(yīng)考慮刀具剛性和刀頭與孔端面（盲孔）安全距離。當加工對象是通孔是刀具伸出刀架長度L=L孔+4mm.同時保證刀具不得與待加工表面、已加工表面產(chǎn)生接觸性摩擦，切削過程中（循環(huán)指令編寫、手工單段編寫）在徑向退刀量時應(yīng)控制在2mm內(nèi)，且只能沿軸向退刀。退刀至孔端面4～6mm處，減少刀具在加速運動中進行切削。當加工孔對象是盲孔時，考慮安全距離值與通孔相同外，還要保證刀具不能與工件孔端面發(fā)生接觸，刀具選擇應(yīng)優(yōu)先考慮刀尖位于整把刀具最左端。

3.數(shù)控刀具加工安全位置計算法；

3.1當外圓930車刀加工完成本次工順序，需要將刀具刀架移動到與卡盤端面、外圓加工零件和尾座三者之間，再進行刀架旋轉(zhuǎn)，換刀過程中，主要受限制有：刀具超出刀架長度加上刀架中心到各邊垂直長度，需要同時小于三爪卡盤與刀架中心點間的值；工件待加工表面到當前刀架中心點的數(shù)據(jù)值；尾座到刀架中心點的數(shù)據(jù)值，當同時滿足三個數(shù)據(jù)值時，刀架在加工外輪廓需要換刀具是可以的。

3.2切槽切斷刀具在換刀過程中，計算刀架、刀具安全位置包括以刀架中心到卡盤垂直距離、刀架中心點到工件凸點半徑值都大于當前刀架中心到刀具伸出最長刀尖點的值，才能進行更換刀具。

3.3內(nèi)孔車刀在換時（圖1-2），首先保證刀具在工件之外，其安全值應(yīng)滿足條件：L刀+L刀架+5mm≦L刀架+L刀架-卡盤+5mm、L刀+L刀架+5mm≦L刀架+L刀架-卡盤和L刀+L刀架+5mm≦L刀架+L刀架-工件表面

孔內(nèi)加工凹槽、圓弧、螺紋時，刀具刀頭與刀柄軸線相交成900，其刀架承受外力為：刀具切削時力F×刀具伸出刀架長度L，切削中刀具應(yīng)保持足夠剛性、安全距離減小受刀具形狀的影響，圓弧、螺紋加工時，應(yīng)再增加三分二的刀頭寬度安全值，確保刀具其他部位與工件端不接觸。刀具需要換刀時，方法與內(nèi)孔計算方法相同。

4.總結(jié)

數(shù)控車床車削在現(xiàn)代制造技術(shù)中工作效率得到市場認可，越來越多的編程軟件已替代人工對零件加工的相關(guān)計算，但是軟件中的安全數(shù)據(jù)不一定與現(xiàn)場加工時使用刀具，工裝夾具以及實際影響加工質(zhì)量因素相同，所以在使用自動編程件前，測量刀具、工件幾何尺寸是提高效率必然過程，只有數(shù)據(jù)準確性才能制訂出一個最佳的加工工藝，才能保證加工過程中的安全和加工質(zhì)量。

參考文獻：

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[3]陳則鈞，龔雯.機電設(shè)備故障診斷與維修技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2014.

[4]蘇和堂，陶發(fā)嶺.車工技能訓練[M].安徽：安徽科學技術(shù)出版社，2015.