數(shù)控銑削用量優(yōu)化研究與探討

錢愛萍

（浙江汽車職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，浙江 臨海 317000）

1 前言

近年來，隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進，精度要求不斷提高，因此對加工機械產(chǎn)品零件部件的生產(chǎn)設(shè)備機床也提出高性能、高精度的要求。數(shù)控加工技術(shù)是20世紀40年代后期為適應(yīng)加工復雜外形零件而發(fā)展起來的，自從1952年第一臺數(shù)控機床問世到現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展非常迅速。

數(shù)控加工具有如下特點：

1.1 加工復雜形狀能力

數(shù)控加工運動的可控性使其能完成普通加工方法難以完成的復雜型面加工。

1.2 高質(zhì)量

數(shù)控加工是用數(shù)字程序控制實現(xiàn)自動加工，排除了人為誤差因素，且加工誤差還可以由數(shù)控系統(tǒng)通過軟件技術(shù)進行補償校正，因此可以提高零件加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

1.3 高效率

與采用普通機床加工相比，采用數(shù)控加工一般可以提高生產(chǎn)率2-3倍。有時零件一次裝夾后能完成幾乎所有部位的加工，不僅可消除多次裝夾引起的定位誤差，且可大大減少加工輔助操作，使加工效率進一步提高。

1.4 高柔性

只需改變零件程序即可適應(yīng)不同品種的零件加工，且?guī)缀醪恍枰圃鞂Ｓ霉ぱb夾具，因此加工柔性好，適應(yīng)多品種、中小批量的現(xiàn)代生產(chǎn)需要。

切削加工是金屬加工中最基本的手段，切削加工的工作量占機械制造工作量的30%-40%，約70%的零部件采用切削加工來進行。據(jù)估計，在21世紀切削加工仍將占機械加工量的90%以上，因此，提高切削加工的效率和質(zhì)量仍是機械制造業(yè)的重要課題。數(shù)控機床種類很多，按切削加工功能不同可以分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、加工中心等。而數(shù)控銑床用途非常廣泛，不僅可以加工各種平面、溝槽、螺旋槽、成型表面和孔，而且還能加工各種平面曲線和空間曲線等復雜型面，適合各種模具、凸輪、板類及箱體類零件的加工。

2 數(shù)控銑削切削用量選用的復雜性

數(shù)控編程時，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫入程序中。切削用量包括切削速度、背吃刀量或側(cè)吃刀量及進給速度等。對于不同的加工方法，需要選用不同的切削用量。數(shù)控銑削切削用量包括：

2.1 背吃刀量(端銑)或側(cè)吃刀量(圓周銑)

背吃刀量ap為平行于銑刀軸線測量的切削層尺寸，單位為mm。端銑時，ap為切削層深度；而圓周銑削時，ap為被加工表面的寬度。

側(cè)吃刀量ae為垂直于銑刀軸線測量的切削層尺寸，單位為mm。端銑時，ae為被加工表面寬度；而圓周銑削時，ae為切削層深度。

在保證加工表面質(zhì)量加工質(zhì)量的前提下，背吃刀量(ap)應(yīng)據(jù)機床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應(yīng)盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量，這樣可以減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

2.2 進給速度

進給速度vf是單位時間內(nèi)工件與銑刀沿進給方向的相對位移，單位為mm/min。它與銑刀轉(zhuǎn)速n、銑刀齒數(shù)Z及每齒進給量fz(單位為mm/z)的關(guān)系為:vf=fzZn

進給速度F是數(shù)控機床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進給速度受機床剛度和進給系統(tǒng)的性能限制。每齒進給量fz的選取主要取決于工件材料的力學性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料的強度和硬度越高，fz越小；反之則越大。硬質(zhì)合金銑刀的每齒進給量高于同類高速鋼銑刀。工件表面粗糙度要求越高，fz就越小。工件剛性差或刀具強度低時，應(yīng)取小值。

2.3 切削速度

銑削的切削速度計算公式為：

銑削的切削速度與刀具的耐用度T、每齒進給量fz、背吃刀量ap、側(cè)吃刀量ae以及銑刀齒數(shù)Z成反比，與銑刀直徑d成正比。其中原因是 fz、ap、ae、Z 增大時，使同時工作齒數(shù)增多，刀刃負荷和切削熱增加，加快刀具磨損，因此刀具耐用度限制了切削速度的提高。

在生產(chǎn)加工中，合理選用切削用量的確定相當復雜，因為數(shù)控銑削用量受到很多因素的影響，包括：

工藝條件。如刀具材料、刀具幾何尺寸、工件材料、工件幾何尺寸、工件表面狀況、夾具剛度、機床性能、切削液使用情況，甚至于操作人員的技術(shù)水平。

工藝要求。如毛坯的表面粗糙度、形狀精度、加工硬化、表面應(yīng)力。

管理要求。如工序編排、生產(chǎn)節(jié)拍、統(tǒng)一換刀等出于管理上的便利而提出的要求。

經(jīng)濟性要求。如生產(chǎn)效率最高、利潤最高，加工成本最低等。

切削用量確定的復雜性，還在于工藝條件、工藝要求對切削用量的影響關(guān)系很多時候尚無法定量表示，而只能定性分析；另外，這些影響因素之間還存在制約關(guān)系。

3 生產(chǎn)實踐中確定數(shù)控銑削切削用量的方法

切削用量的選擇原則是：保證零件加工精度和表面粗糙度的前提下，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度并充分發(fā)揮機床的性能，最大限度地提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)的確定切削用量的方法：

3.1 手工查閱切削用量手冊

在計算機技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，對于切削用量的選擇和優(yōu)化，在生產(chǎn)中除了憑經(jīng)驗外，一直主要是靠查閱切削用量手冊和其它一些相關(guān)資料來選擇切削用量。查手冊的方法簡單易行，在多數(shù)情況下也基本能滿足工廠的需要，因而應(yīng)用相當廣泛。

從通常查手冊確定切削用量的方法來看，主要有以下幾個問題：

第一，加工工藝人員或機床操作者通過查閱手冊來確定切削用量，會花費大量時間。

第二，要有效利用手冊，對機床使用者的素質(zhì)仍然提出了一定的要求。由于毛坯材料、刀具、切削方式的多種多樣，對每一組切削用量都做實驗來加以驗證是不現(xiàn)實的，所以現(xiàn)有的切削用量手冊無不是僅僅實驗驗證并列出每種毛坯材料、刀具特定的幾組切削用量。這樣多數(shù)情況下，技術(shù)人員只得將這些數(shù)據(jù)按某種方式插值或附加一定的公式計算，來獲取加工中需要的切削用量，這樣又要花費很多時間。

3.2 經(jīng)驗估計法

根據(jù)實際經(jīng)驗確定加工余量。一般情況，為防止因余量過小而產(chǎn)生廢品，經(jīng)驗估計的數(shù)值總是偏大。

3.3 分析計算法

根據(jù)上述的加工余量計算公式和一定的試驗資料，對影響加工余量的各項因素進行分析，并計算確定加工余量。

目前生產(chǎn)中切削用量的選擇是根據(jù)選用的具體廠家生產(chǎn)的不同材料、不同型號、應(yīng)用于不同生產(chǎn)條件的刀片或刀具所推薦的具體切削用量值經(jīng)實踐來確定，這樣選擇切削用量才能發(fā)揮刀具的最佳性能，零件的質(zhì)量最好，刀具耐用度最佳，也最節(jié)省刀具費用。

4 數(shù)控銑削切削用量優(yōu)化的意義

隨著信息化社會的到來，制造業(yè)已從單純依靠提高設(shè)備的自動化程度和加工精度占有市場，轉(zhuǎn)向以信息為基礎(chǔ)，從產(chǎn)品整個生命周期的大系統(tǒng)的角度來適應(yīng)市場，滿足社會各方面需求，增強企業(yè)的競爭能力。加工設(shè)備要適應(yīng)這種發(fā)展的變化，在不斷提高自動化水平的同時，注意整體、人和信息的因素，以信息為紐帶、人為中心，具有相對獨立性的智能化的加工設(shè)備，是未來發(fā)展的方向。

在制定數(shù)控銑削工藝過程時，工藝人員往往不僅要考慮怎樣加工，而且更重要的是如何合理加工。所謂合理加工，就是要充分考慮需要什么加工設(shè)備、配置什么工、夾、量輔具，確定最優(yōu)車間過程及工序過程，降低材料定額，減少工時，保證加工精度，保證生產(chǎn)進度，平衡生產(chǎn)能力等諸多因素。

在保證零件加工質(zhì)量的前提下、如何提高勞動生產(chǎn)率降低零件的加工成本以提高其經(jīng)濟效益。在機床設(shè)備、切削刀具和加工對象等初步明確后，研究如何確定切削最佳參數(shù)具有現(xiàn)實意義。這是由于影響切削參數(shù)的因素多，各個因素交叉制約，因而難于在憑借已有的加工經(jīng)驗或者機械加工切削手冊的基礎(chǔ)上制定出合理的切削參數(shù)。目前計算機的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以及專家系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理論的成熟，使切削用量的智能選擇已經(jīng)成為可能。因刀具和切削用量低效率地選擇而制約數(shù)控機床切削能力的正常發(fā)揮就是目前大都工廠數(shù)控加工中主要存在的問題之一。

科學的機械加工切削數(shù)據(jù)是降低成本、提高質(zhì)量和管理水平的重要依據(jù)。世界主要工業(yè)發(fā)達國家對此都十分重視，紛紛建立了切削數(shù)據(jù)庫，并取得了巨大的技術(shù)經(jīng)濟效益。如1964年美國金屬切削研究聯(lián)合公司成立了可切削性數(shù)據(jù)中心，建立了計算機管理的切削加工數(shù)據(jù)庫，可以說潛力很大，特別是在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，原來的大批量生產(chǎn)模式已被中小批量、多品種生產(chǎn)模式所取代。原來加工多個產(chǎn)品也只要確定一次切削用量；但現(xiàn)在每加工一個產(chǎn)品，都可能需要確定不同的切削用量。這樣，切削用量優(yōu)化的意義就變得愈發(fā)重要。而且，與普通銑床相比，數(shù)控銑床切削用量的優(yōu)化具有特別的意義：

普通銑床的切削用量一般是有級調(diào)整，只能取得有限的不連續(xù)的一些值，數(shù)控銑床切削用量可以無級調(diào)整，可以近似為連續(xù)變量，這既是一個利用切削用量優(yōu)化結(jié)果的有利條件，又加劇了進行切削用量優(yōu)化的迫切性；

數(shù)控銑床切削用量一般在加工前編制的程序中確定，雖然也可以根據(jù)現(xiàn)場加工情況由操作者臨時調(diào)整，但這樣一來就增加了人的勞動強度；另外，隨著現(xiàn)代制造業(yè)中無人化程度越來越高，很多時候一個人要管理很多臺設(shè)備，不能在某臺設(shè)備上花費過多時間，因此希望程序中能夠直接給出合理的切削用量；

為了使數(shù)控銑床主軸獲得高的轉(zhuǎn)速與較大的調(diào)速范圍，愈來愈多要求簡化主軸箱，甚至希望主軸直接驅(qū)動。這樣，數(shù)控銑床主軸能夠承受的轉(zhuǎn)矩就大大降低了，其切削用量與普通銑床應(yīng)該有所不同。而現(xiàn)有的切削用量手冊對兩者一般是不加區(qū)分的，因此有必要對切削數(shù)據(jù)手冊推薦的切削用量做調(diào)整。

如果數(shù)控銑床是柔性制造系統(tǒng)中的成員，那么可能經(jīng)常需要根據(jù)現(xiàn)場情況的變化改變生產(chǎn)節(jié)拍，這樣就會涉及切削用量的合理變更。

5 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代加工業(yè)自動化程度的提高，以及柔性制造系統(tǒng)中經(jīng)常改變生產(chǎn)節(jié)拍的需要，合理切削用量的確定及隨著客觀條件的變化而變更已成為一個日益迫切的要求。本文在數(shù)控銑床切削用量的傳統(tǒng)確定方法和優(yōu)化方面作了比較，在加工零件時，刀具每一次走刀之間、甚至在每一次走刀的過程中，切深、切寬都是不斷變化的，因此合理的切削用量在不斷變化中。如果整個數(shù)控代碼中的切削用量都設(shè)定為一個固定值，出于安全考慮，該值只能是與該次加工中切深、切寬最大的走刀相對應(yīng)的切削用量；而在切深、切寬較小的走刀過程中，仍然使用這個固定的切削用量就浪費了時間，如果CAM軟件中能夠比較方便地分別設(shè)置每次走刀時的切削用量（甚至更進一步，CAM軟件能夠自動算出每一段刀軌的切深和切寬，并自動給每一段刀軌設(shè)置不同的優(yōu)化后的切削用量），那么不需要增加任何投資，就可以大大提高加工效率。

[1]葉蓓華.數(shù)字控制技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2002，1

[2]趙長明 劉萬菊.數(shù)控加工工藝及設(shè)備[M].北京:高等教育出版社,2008,4

[3]熊光華.數(shù)控機床[M],北京:機械工業(yè)出版社,2001,3

[4]王軍，張建明.一次走刀立銑加工優(yōu)化與CAM軟件開發(fā)[J].機械工程學報,2003,10

[5]姚田森數(shù)控銑床一次走刀立銑切削用量優(yōu)化的研究.湖南大學碩士學位論文.2003,5

[6]藍淵.數(shù)控銑削加工切削參數(shù)優(yōu)選專家系統(tǒng)的研究.西北工業(yè)大學碩士學位論文.2007,3