車削加工時(shí)間定額的算法研究

吳明星，鄭益征，黃鴻星

(西安西電開關(guān)電氣有限公司，陜西 西安 710077)

1 工時(shí)定額方法選擇

1.1 不同車削工藝工時(shí)定額方法選擇[1]

車削按加工工藝精度可分為粗車和精車，其定額計(jì)算方法如下。

1)粗車。粗車一般以提高生產(chǎn)效率為主，盡可能選擇大的切削深度和進(jìn)給量，并在刀具耐用度和機(jī)床功率允許的條件下，選擇合理的切削速度；因此，對(duì)于相同材料的不同工件，只要加工類型相同，其切削參數(shù)也相同，即材料去除率相同，則可按材料去除率考慮工時(shí)定額計(jì)算。

2)精車。精車余量一般較小(約為1～2 mm)，由于切削深度較小，產(chǎn)生的切削力不大，進(jìn)給量主要受表面粗糙度限制，轉(zhuǎn)速受切削速度的影響，可根據(jù)表面粗糙度要求，切削材料等計(jì)算進(jìn)給量、轉(zhuǎn)速等切削參數(shù)；根據(jù)表面粗糙度和精度確定加工刀數(shù)，從而用參數(shù)計(jì)算相關(guān)加工類型工時(shí)定額。

1.2 不同加工類型面工時(shí)定額方法選擇

不同加工類型面工時(shí)定額計(jì)算方法如下。

1)車外圓。加工零件外圓面，可以是圓柱面、圓錐面或異型曲面，其車削過程是刀具在一定的切削深度下，沿刀具進(jìn)給方向以固定速度加工，其加工時(shí)間與加工長度、切削速度和加工刀數(shù)有關(guān)，可進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算求得工時(shí)定額。

2)車端面。加工零件的端面，刀具在零件端面沿半徑方向由外到內(nèi)以固定速度加工，其面可以是平面、曲面，工時(shí)定額與半徑差、切削速度、走刀次數(shù)有關(guān)，通過數(shù)據(jù)計(jì)算確定工時(shí)[2]。

3)切斷(溝槽)。利用窄刃或成型車刀，對(duì)工件進(jìn)行切斷或溝槽加工，其工時(shí)決定因素為刀寬、槽深度和切削速度等切削參數(shù)。

4)車內(nèi)孔。加工零件內(nèi)壁，刀具在一定的切削深度下，沿零件進(jìn)給方向以固定速度運(yùn)行，加工面可以是圓柱面、圓錐面或異形曲面，其工時(shí)定額可通過切削參數(shù)計(jì)算確定。

5)鉆孔。沿主軸方向加工面進(jìn)行鉆孔，在轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削深度等參數(shù)下，可計(jì)算其工時(shí)定額。

6)車螺紋。在零件上加工內(nèi)外螺紋，可按照切削參數(shù)確定工時(shí)定額。

2 數(shù)控車床切削參數(shù)及數(shù)據(jù)庫

根據(jù)上述分析，計(jì)算數(shù)控車床工時(shí)定額需確定或計(jì)算相關(guān)切削參數(shù)，建成切削數(shù)據(jù)庫，包含零件工藝數(shù)據(jù)、機(jī)床數(shù)據(jù)、刀具參數(shù)、加工工藝和切削參數(shù)等，并形成數(shù)據(jù)定額數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫框架如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫框架圖

3 數(shù)控車床工時(shí)定額計(jì)算模型設(shè)計(jì)

3.1 粗車

按照加工工藝，粗加工的切削用量一般以提高生產(chǎn)效率為主。粗車機(jī)加時(shí)間Tcj計(jì)算式如下：

(1)

式中，Δc是切除體積；zw是材料去除率。zw=1 000vapf，其中，v是切削速度，單位為m/min；f是進(jìn)給量，單位為mm/r；ap是切削深度，單位為mm。

3.2 精車

精車由于切削深度較小，產(chǎn)生的切削力不大，切削工時(shí)由加工方法、切削參數(shù)、走刀次數(shù)等因素確定，下述分別確定不同精車類型工時(shí)計(jì)算模型。

3.2.1 精車外圓

由于切削機(jī)加時(shí)間受進(jìn)給量、切削深度和設(shè)備轉(zhuǎn)速等因素影響，其轉(zhuǎn)速恒定機(jī)加時(shí)間Tj計(jì)算式為：

(2)

式中，L是加工尺寸，單位為mm；i是走刀次數(shù)；v是主運(yùn)動(dòng)的速度，單位為m/min；f是進(jìn)給量，單位為mm/r；D是端面外徑尺寸，單位為mm；δ是工序輔助換刀時(shí)間，單位為min。

3.2.2 精車端面

恒定轉(zhuǎn)速車削條件下，端面切削機(jī)動(dòng)時(shí)間Td計(jì)算式如下：

(3)

式中，d是端面內(nèi)徑尺寸，單位為mm；n是主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

3.2.3 車螺紋

車螺紋時(shí)，車床主軸轉(zhuǎn)速受到螺紋導(dǎo)程大小、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)升降特性，以及螺紋插補(bǔ)運(yùn)算速度、螺紋精度等因素的影響，車螺紋加工時(shí)間Tl計(jì)算式如下：

(4)

式中，L是螺紋長度，單位為mm；p是螺距，單位為mm。

3.2.4 車床鉆孔

車床鉆孔一般只鉆零件中心孔，其鉆孔機(jī)動(dòng)時(shí)間與鉆頭材料、機(jī)床鉆速、進(jìn)給量有關(guān)，車床自動(dòng)鉆孔工時(shí)TZ按下式計(jì)算：

(5)

式中，H是孔的深度，單位為mm；k是孔徑系數(shù)，孔徑≤16 mm時(shí)，k取1.5，16 mm≤孔徑≤30 mm時(shí)，k取1，孔徑≥30 mm時(shí)，k取2(分2次鉆)；kc是材料系數(shù)。

3.2.5 車床套絲、攻絲時(shí)間

車床套絲、攻絲時(shí)間包括中間輔助時(shí)間、加工輔助時(shí)間和套絲時(shí)間，其機(jī)攻定額Tg計(jì)算式如下：

(6)

式中，l1是絲錐長度，單位為mm；Δ是加工余量，單位為mm；n是攻絲轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

3.2.6 車削槽

槽型的加工方法為用切槽刀一刀刀摳型，再光1～2刀，車削槽時(shí)間Tc計(jì)算式如下：

(7)

式中，h是槽深，單位為mm；w是槽寬，單位為mm；wd是刀寬，單位為mm；L是槽周加工尺寸+5 mm，單位為mm。

3.2.7 圓弧加工

圓弧加工時(shí)間Ty計(jì)算式如下：

(8)

式中，L是圓弧長度，單位為mm。

4 車削參數(shù)計(jì)算與選擇

4.1 數(shù)控車床車削切削深度ap的確定

4.1.1 粗車切削深度

粗加工的切削用量一般以提高生產(chǎn)效率為主，用盡可能少的走刀次數(shù)切除，一般1～5 mm為1個(gè)檔次，5～30 mm為1個(gè)檔次，因此，粗切削量可以按如下方法確定。

第1次走刀的切削深度為：

(9)

第2次走刀的切削深度為：

(10)

ap1和ap2要與f允許的ap值范圍進(jìn)行比對(duì)才能確定。

4.1.2 半精車、精車切削深度

半精車、精車加工余量較小，約為1～2 mm。原則上一次切除，對(duì)于有表面粗糙度及精度要求的，可增加1次走刀完成，即ap=Δ。

4.2 車削進(jìn)給量f的確定

4.2.1 粗車進(jìn)給量

由于粗車為去材料加工，只要刀具強(qiáng)度和機(jī)床剛度允許，則按照最大進(jìn)給量取值。按照國家機(jī)械加工切削手冊(cè)，粗車刀尖圓弧半徑，各類材料的進(jìn)給量取值見表1。

表1 部分材料粗車刀尖圓弧半徑對(duì)應(yīng)的最大進(jìn)給量推薦表

4.2.2 精車進(jìn)給量[3]

精車加工進(jìn)給量和表面粗糙度直接影響車刀刀尖圓弧半徑，其相互關(guān)系如下：

(11)

式中，Rz是表面粗糙度最大高度，單位為μm。

4.2.3 切斷及切槽、成型切削的進(jìn)給量

按照切削數(shù)據(jù)表查取切斷、切槽和成型切削進(jìn)給量。

4.3 切削速度計(jì)算方法

4.3.1 切削速度計(jì)算

在ap、f確定后，根據(jù)刀具壽命T，可以計(jì)算切削速度v，再與材料允許切削速度進(jìn)行對(duì)比，取合理的值。

(12)

式中，T是刀具壽命，單位為min；m是公式指數(shù)；CV、XV和YV是公式系數(shù)；kMV是材料系數(shù)。部分材料速度計(jì)算公式中常數(shù)與系數(shù)取值見表2。

表2 部分材料速度計(jì)算公式中常數(shù)與系數(shù)取值表

4.3.2 切削速度校核

利用切削手冊(cè)推薦切削速度與計(jì)算速度進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化計(jì)算速度。

5 車床加工輔助時(shí)間計(jì)算

5.1 加工準(zhǔn)備-結(jié)束時(shí)間[4]

準(zhǔn)備-結(jié)束時(shí)間是指一批零件在一道工序中本工序所使用的工裝、工具、刀具、量具的準(zhǔn)備和修正時(shí)間以及加工完成后整理結(jié)束所需時(shí)間。

準(zhǔn)備-結(jié)束時(shí)間計(jì)算式如下：

(13)

式中，Ts是批準(zhǔn)備-結(jié)束時(shí)間；Nb是批量數(shù)；K是裝夾類別系數(shù)，取值見表3。

表3 普通車床裝夾類別系數(shù)表

數(shù)控機(jī)床的裝夾類別系數(shù)可取表3中數(shù)據(jù)的1/2。

5.2 零件裝卸-校正時(shí)間[5]

零件裝卸按照裝卸方法和零件類別按經(jīng)驗(yàn)值取值，取值原則是按自動(dòng)設(shè)備及普通設(shè)備，有工裝及無工裝。零件裝卸-校正時(shí)間經(jīng)驗(yàn)值見表4。

表4 零件裝卸-校正時(shí)間經(jīng)驗(yàn)值

5.3 工時(shí)定額總工時(shí)[6]

工時(shí)定額總工時(shí)Tu計(jì)算式如下：

(14)

式中，Tx是裝卸時(shí)間；Ta是調(diào)節(jié)時(shí)間；Tm是切削時(shí)間；Th是換刀時(shí)間；i是外圓走刀次數(shù)，i=1,2,…,n，且n≤10。

6 應(yīng)用計(jì)算

6.1 零件簡(jiǎn)圖及工藝條件

下述以圖示零件(見圖2)加工為例，說明計(jì)算過程，并與實(shí)際過程進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖2 數(shù)車零件圖

該零件材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，零件加工工藝為普通車床CA6140粗車和數(shù)控車床MJ-460精車。

粗車單邊留量為1 mm，表面粗糙度為Ra6.3 μm，粗車工序?yàn)檐嚩嗣媪? mm→車外圓留1 mm→鉆內(nèi)孔→擴(kuò)孔；精車工藝為車端面→車外圓→車螺紋→擴(kuò)孔→車臺(tái)階。

粗車刀具選擇硬質(zhì)合金刀片，刀尖半徑為0.4 mm，表面粗糙度為Ra12.5 μm；精車刀具選擇硬質(zhì)合金刀片，刀尖半徑為0.2 mm，表面粗糙度為Ra1.6 μm。

6.2 粗車參數(shù)確定

粗車外圓及端面2刀完成，根據(jù)式9和式10，確定第1刀切削深度為8 mm，第2刀切削深度為3.5 mm，按式11計(jì)算，進(jìn)給量f=0.226 mm/r，按照表1推薦值校核，在0.3～0.5 mm/r內(nèi)，因此取f=0.22 mm/r。

切削速度按式12計(jì)算：v=77.1 m/min。查切削手冊(cè)車削速度推薦表，推薦速度為40～80 m/min，取切削速度為70 m/min合適。

6.3 粗車工時(shí)計(jì)算

1)粗車外圓φ45工時(shí)的計(jì)算?？紤]到切削效率，zw取0.8系數(shù)。則外圓切削時(shí)間：

2)端面切削時(shí)間的計(jì)算。

3)鉆孔時(shí)間的計(jì)算。選擇直徑為30 mm的高速鋼鉆頭鉆1次，再用直徑為36 mm的高速鋼鉆頭擴(kuò)鉆1次，按照車床鉆孔參數(shù)表選擇相應(yīng)參數(shù)：進(jìn)給量f=0.24 mm/r；轉(zhuǎn)速n=180 r/min；孔徑≥30，k取2(分2次鉆)，鋼材kc取1。按照式5計(jì)算得鉆孔時(shí)間為：Tz=18.04 min。

擴(kuò)孔時(shí)間計(jì)算，數(shù)據(jù)表取進(jìn)給量f=0.25 mm/r；轉(zhuǎn)速n=150 r/min；擴(kuò)孔時(shí)k取1。計(jì)算可得擴(kuò)孔時(shí)間為：Tz=9.93 min。

4)車φ52×25孔時(shí)間的計(jì)算。選擇高速鋼車刀，按照車外圓的車削速度，計(jì)算車內(nèi)孔轉(zhuǎn)速，查取普通車床CA6140轉(zhuǎn)速為420 r/min，進(jìn)給量為0.2 mm/r，2刀加工。經(jīng)計(jì)算，車內(nèi)孔時(shí)間為：Tn=0.6 min。按式7計(jì)算車槽時(shí)間為：Tc=3×(d/100+1)=4.5 (min)。

5)準(zhǔn)備終結(jié)時(shí)間的計(jì)算。以批量30件為例，按照式14計(jì)算及表3準(zhǔn)備終結(jié)時(shí)間如下：Ts=30+Nb/10×3=30+9=39 (min)。

6)裝卸時(shí)間的計(jì)算。查表4，得出單件裝卸、校正時(shí)間為4 min。

7)粗車計(jì)算時(shí)間與實(shí)測(cè)時(shí)間對(duì)照見表5。

表5 粗車計(jì)算時(shí)間與實(shí)測(cè)時(shí)間對(duì)照表

6.4 精車工時(shí)計(jì)算

6.4.1 精車工藝及條件

先車φ45外圓及端面，2刀走完；再掉頭車M64×2螺紋；最后車φ58臺(tái)階及端面。

采用硬質(zhì)合金刀片，刀尖半徑為0.2 mm。表面粗糙度為Ra1.6 μm，采用數(shù)控車床MJ-460。

6.4.2 精車切削參數(shù)的計(jì)算

精車外圓及端面1刀完成，切削深度為1 mm。按式11計(jì)算得f=0.08 mm/r，按式12計(jì)算切削速度v=136.9 m/min。查切削手冊(cè)車削速度推薦表，推薦速度為40～80 m/min，取切削速度值為80 m/min合適。

6.4.3 精車工時(shí)的計(jì)算

1)車φ45外圓、1.6 μm切削機(jī)加時(shí)間如下：a.計(jì)算轉(zhuǎn)速n=927 r/min；b.按式2計(jì)算φ45外圓機(jī)加時(shí)間Tj=7.09 min；c.進(jìn)、退刀行程為300 mm，進(jìn)退刀時(shí)間估計(jì)為1 min。

2)車M64×2螺紋機(jī)加時(shí)間如下。

a.計(jì)算車削螺紋時(shí)間。查表1可知，p=6，n=20，i=10，按式4計(jì)算：

b.進(jìn)、退刀行程為50 mm，進(jìn)退刀時(shí)間估計(jì)為0.5 min。

3)車φ58×5臺(tái)階機(jī)加時(shí)間如下：計(jì)算轉(zhuǎn)速為n=750 r/min，取進(jìn)給量f=0.08 mm/r，2刀完成，切削時(shí)間為1.5 min；進(jìn)、退刀行程為50 mm，進(jìn)退刀時(shí)間估計(jì)為0.5 min。

4)端面及倒角。端面加工進(jìn)給量為0.1 mm/ r，切削速度為40 m/min，轉(zhuǎn)速為220 r/min，2刀完成，端面切削機(jī)動(dòng)時(shí)間計(jì)算得：Td=0.27 min。進(jìn)、退刀時(shí)間估計(jì)為1 min。

6.4.4 準(zhǔn)備終結(jié)時(shí)間

以批量30件為例，按照式13及表3計(jì)算準(zhǔn)備終結(jié)時(shí)間如下：

則單件為1.3 min。

6.4.5 裝卸時(shí)間

查表4可得出，單件裝卸、校正時(shí)間為4 min。

6.5 精車時(shí)間與實(shí)測(cè)時(shí)間對(duì)照表

精車計(jì)算時(shí)間與實(shí)測(cè)時(shí)間對(duì)照見表6。

表6 精車計(jì)算時(shí)間與實(shí)測(cè)時(shí)間對(duì)照表

7 結(jié)語

本文研究了車床切削工藝參數(shù)的確定方法，設(shè)計(jì)利用切削參數(shù)計(jì)算車削定額的算法步驟和模型，通過計(jì)算確定了車削工時(shí)定額。通過對(duì)30余種零件600余條工序加工時(shí)間的計(jì)算驗(yàn)證，準(zhǔn)確率達(dá)到了90%以上，應(yīng)用前景良好。

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[2] 王先奎. 機(jī)械制造工藝學(xué)：上、下冊(cè)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，1989.

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[4] 周占文. 新編勞動(dòng)定額定員學(xué)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2009.

[5] 《工業(yè)企業(yè)勞動(dòng)定額基礎(chǔ)》編寫組. 工業(yè)企業(yè)勞動(dòng)定額基礎(chǔ)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 1985.

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