復(fù)雜舵機(jī)殼體孔系加工參數(shù)的優(yōu)化研究

□ 強(qiáng)俊花

航空工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所 西安 710065

1　研究背景

根據(jù)國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)提供的資料，在所有的加工工時(shí)中，孔加工操作占22%；在某些機(jī)械行業(yè)中，鉆孔工序可占總工序量的30%～40%；在柔性生產(chǎn)線和加工中心上，鉆削工序占總加工時(shí)間的30%～35%［1-4］。 對(duì)于復(fù)雜的舵機(jī)殼體零件，孔加工任務(wù)更為繁重，甚至占整個(gè)零件加工量的80%以上［5-6］。孔加工所占比例雖大，但其效率和高速化卻明顯滯后于其它切削加工。為了實(shí)現(xiàn)零件的高效生產(chǎn)，孔加工技術(shù)必須沿著高效率和高速化的方向發(fā)展［7-8］。

鉆削是應(yīng)用最為廣泛的孔加工工藝之一。鉆削加工由于自身經(jīng)濟(jì)性和高效性等特點(diǎn)，在機(jī)械、電子等生產(chǎn)領(lǐng)域中起重要作用。長(zhǎng)期以來(lái)，鉆削加工的切削參數(shù)都是從有關(guān)切削手冊(cè)中查取或憑經(jīng)驗(yàn)確定的，但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于所使用的機(jī)床、刀具及工件材料等具體條件不同，有時(shí)無(wú)法憑借手冊(cè)或經(jīng)驗(yàn)確定最合理的切削參數(shù)，而通過大量試驗(yàn)來(lái)獲取參數(shù)又不經(jīng)濟(jì)［9-13］，可見，通過切削參數(shù)的理論優(yōu)化，并配以適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)優(yōu)選，是一種比較經(jīng)濟(jì)可行的方法［14］。

筆者結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，通過優(yōu)化計(jì)算及工藝試驗(yàn)，旨在探索適用于復(fù)雜舵機(jī)殼體類零件油路孔系高效鉆削的切削參數(shù)，并建立優(yōu)化型切削參數(shù)庫(kù)來(lái)提高實(shí)際生產(chǎn)效率，為數(shù)控加工過程的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化及自動(dòng)編程奠定基礎(chǔ)。

2　切削參數(shù)儲(chǔ)備

綜合考慮加工設(shè)備、加工條件、工件加工精度要求等對(duì)切削參數(shù)的影響，選取4種工藝加工路線長(zhǎng)、油路孔系復(fù)雜、涉及數(shù)控機(jī)床多的復(fù)雜舵機(jī)殼體作為切削參數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)象。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)象見圖1。

▲圖1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)象

2.1　參數(shù)收集

參數(shù)統(tǒng)計(jì)主要針對(duì)7050鋁合金材料的舵機(jī)殼體加工過程展開，數(shù)據(jù)源于DMG-UCP600、DMU-60P、MAG等多種設(shè)備型號(hào)，涉及4種殼體12個(gè)工序中的孔系加工，表1、表2列舉了部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.2　數(shù)據(jù)提取

由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的多因素影響，為減小孔系種類多、刀具種類多對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響，最終選取舵機(jī)殼體上加工數(shù)量多的油路孔鉆削加工為切入點(diǎn)，以麻花鉆鉆削參數(shù)為研究重點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。將從不同設(shè)備上采集的切削參數(shù)按油路孔尺寸及加工工藝流程列表匯總，如圖2、表3所示。

表1　舵機(jī)殼體30工序、DMU-60P機(jī)床孔系加工參數(shù)

表2　舵機(jī)殼體35工序、DMG-UCP600機(jī)床孔系加工參數(shù)

▲圖2 油路孔鉆削刀具切削參數(shù)匯總

2.3　數(shù)據(jù)分析

為分析經(jīng)驗(yàn)切削參數(shù)，選取源于不同設(shè)備上的數(shù)據(jù)，分析切削參數(shù)隨刀具露出長(zhǎng)度l的變化規(guī)律，圖3、圖4所示分別為φ2、φ5鉆頭切削參數(shù)的變化情況。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行選用時(shí)規(guī)律性不強(qiáng)，切削參數(shù)的變化與刀具參數(shù)的變化相關(guān)性差，實(shí)際加工過程受編程人員經(jīng)驗(yàn)影響大。因此，擬對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化研究，以提高生產(chǎn)效率，降低參數(shù)波動(dòng)。

3　研究方法

3.1　理論計(jì)算

由前文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析結(jié)果可見，實(shí)際加工中切削參數(shù)隨機(jī)性大，存在不合理性，應(yīng)從理論和實(shí)際兩方面入手進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化，通過理論計(jì)算和實(shí)際評(píng)測(cè)為切削參數(shù)選擇提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

參考 《切削用量簡(jiǎn)明手冊(cè)》和 《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》，獲得鉆削線速度v的計(jì)算公式：

式中：d0為刀具直徑；f為進(jìn)給量，通過查表獲得；T為鉆頭壽命；k為相關(guān)修正因數(shù)；C、Z、Y、m為切削用量因數(shù)，可根據(jù)f的取值從手冊(cè)中查得。

式（1）中各參數(shù)的選取先參考經(jīng)驗(yàn)值，同時(shí)考慮刀具的切削速度、耐用度、露出長(zhǎng)度等因素，依據(jù)加工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況查表獲得相應(yīng)的修正方案，乘以相應(yīng)的修正因數(shù)。手冊(cè)中各參數(shù)以φ6鉆頭為分界，分別將≤φ6與＞φ6 的參數(shù)代入公式（1）。

對(duì)于孔徑≤φ6，線速度為：

式中：kl為與刀具露出長(zhǎng)度相關(guān)的修正因數(shù)。

對(duì)于孔徑＞φ6，線速度為：

表3　油路孔鉆削刀具切削參數(shù)

由線速度v來(lái)計(jì)算切削轉(zhuǎn)速S：

對(duì)于孔徑≤φ6，將式（2）代入式（4），得：

▲圖3 φ2鉆頭切削參數(shù)變化曲線

▲圖4 φ5鉆頭切削參數(shù)變化曲線

對(duì)于孔徑＞φ6，將式（3）代入式（4），得：

進(jìn)給量F為：

3.2　工藝試驗(yàn)

理論優(yōu)化后，開展相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。工藝試驗(yàn)分為兩組進(jìn)行，對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中相同規(guī)格刀具的參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，作為實(shí)際加工切削參數(shù)，通過前文所得計(jì)算公式，計(jì)算所涉及的所有規(guī)格刀具相應(yīng)的切削參數(shù)，作為優(yōu)化數(shù)據(jù)。針對(duì)兩組數(shù)據(jù)分別在DMU-60P機(jī)床進(jìn)行加工試驗(yàn)，表4列舉了部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表4可得，當(dāng)前使用的經(jīng)驗(yàn)切削參數(shù)選取都比優(yōu)化后的切削參數(shù)保守，使用優(yōu)化后的切削參數(shù)加工，切削效率至少提升20%。

本工藝試驗(yàn)充分驗(yàn)證了前文計(jì)算公式的適用性，所得的參數(shù)能提升加工效率。3.3 結(jié)果輸出

切削參數(shù)選用差異性大的原因是缺少切削參數(shù)庫(kù)的支持，造成產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)、加工效率低及知識(shí)經(jīng)驗(yàn)無(wú)法共享。

▲圖5 切削參數(shù)優(yōu)化邏輯

如圖5所示，結(jié)合前文理論分析及工藝試驗(yàn)，對(duì)切削參數(shù)優(yōu)化的邏輯進(jìn)行整理。圖5中，Klv為與 l/d0相關(guān)的修正因數(shù)矩陣，Klf為與 l/d0及 f（d0）相關(guān)的修正因數(shù)矩陣。

表4　工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)

以經(jīng)過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證的切削參數(shù)為依據(jù)，對(duì)矩陣進(jìn)行計(jì)算，編寫切削參數(shù)庫(kù)人機(jī)交互界面，如圖6所示，供工藝及編程人員查詢與共享。其中，條件輸入僅需要刀具長(zhǎng)度、刀具直徑及根據(jù)刀具直徑與修正因數(shù)查得的進(jìn)給量。

▲圖6 切削參數(shù)庫(kù)人機(jī)交互界面

4　結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)目前鉆削加工現(xiàn)狀，基于未來(lái)知識(shí)儲(chǔ)備需求，開展復(fù)雜舵機(jī)殼體孔系加工參數(shù)研究，優(yōu)化切削參數(shù)，建立切削參數(shù)庫(kù)，促進(jìn)工程應(yīng)用。

通過對(duì)復(fù)雜舵機(jī)零件油路孔系加工切削參數(shù)的統(tǒng)計(jì)、提取、分析，運(yùn)用科學(xué)研究方法對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化計(jì)算及篩選，并在生產(chǎn)實(shí)際中進(jìn)行多次工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，最終形成鉆削加工切削參數(shù)庫(kù)，供工藝人員、加工人員共享及查詢。

所建立的切削參數(shù)庫(kù)能為實(shí)際生產(chǎn)提供高效、可靠的切削參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的高效率和高可靠性。通過對(duì)本單位產(chǎn)品的加工，充分驗(yàn)證了優(yōu)化方法的可行性，值得在鉆削加工領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

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