切削用量的合理选择（精选8篇）
切削用量的合理选择 篇1
数控机床的切削用量是数控机床主运动与进给运动大小一个重要参数。其确定不但是数控加工工艺中的主要部分, 而且其大小与数控机床的加工效率、所加工工件的质量、刀具的磨损以及加工成本等因素关系重大。当前, CAD/CAM技术在数控机床广泛应用, 其自动编程功能能够自动生成NC程序输送到数控机床, 数控机床根据编程指令完成加工。由此看出, 人与机交互状态下完成数控加工中切削用量的确定。因此, 数控机床的相关编程人员应该详细了数控机床加工切削用量的确定原则, 合理的选择切削用量。
1 数控加工中切削的特点
数控机床属于机电一体化在机械加工领域中的典型设备。其原理是通过数字信号控制机床的机械动作, 当前数控机床能在机械加工中大力推广, 其切削特点如下:
1.1 对形状复杂的零件易于加工
近几年来, 数控机床技术日新月异, 插补功能与自动编程功能很强, 数控机床切削不受零件形状复杂程度影响, 能够对复杂轮廓进行自动编程与加工处理, 加工精度可达μm级。
1.2 工件加工周期短
数控机床切削的零件时, 对工模具、专用工装夹具、划线加工准备等各类要求很低, 同时, 数控机床切削重复精度高, 能够简化检验工作, 减少零件变更调整时间、刀具变更调整的时间, 工件加工周期大大缩短。
1.3 可实现精确的成本计算与科学管理
数控机床切削能够正确计算出加工工时与生产进度计划等成本和管理信息, 大大减轻了工模具管理及半成品储存工作量, 同时能够实现一机多用、多机看管工作模式, 适应性与灵活性强, 大大降低了成本, 提高了管理水平。
2 切削用量的合理选择
数控机床的切削用量主要包括三大要素, 即主轴转速、背吃刀量与进给速度, 工件的加工方法或者加工工艺的不同需要选用不同的切削用量。但其选择原则不变, 即必须保证零件加工精度和表面粗糙度与刀具耐用度, 充分发挥刀具切削性能, 最大限度提高生产率, 降低成本。
2.1 主轴转速的选择
数控机床主轴转速的确定原则是依据允许的切削速度和工件 (或刀具) 直径来选择。通常情况下由切削速度VC来来选定。其计算公式为:n=1000VC/πD, v表示切削速度, 其表示单位是m/min, 刀具的耐用度决定其切削速度;n表示主轴转速, 其单位是r/min;D表示加工工件直径或刀具直径, 单位为mm。主轴转速的确定要依据机床说明书选取机床有的或较接近的转速, 一般数控机床的控制面板上具备主轴转速修调 (倍率) 开关, 工作人员可以加工工件时可以对主轴转速进行整倍数调整。
2.2 进给速度的选择
进给速度f是数控机床切削用量中的重要参数之一, 其选取原则首先要与背吃刀量和主轴转速相适应, 然后依据加工工件所要求的加工精度与表面粗糙度以及刀具、工件的材料性质选取, 在保证工件加工质量的基础上, 尽大可能选择较高的进给速度。一是粗加工时, 在工件的质量得到保证基础上, 可选择较高的进给速度来提高生产率, 进给速度的受限因素主要是刀杆、刀片、机床、工件等的强度以及刚度的限制, 通常情况下的选取范围为100~200mm/min;二是在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时, 进给速度应该降低, 通常的选取范围在20~50mm/min之间;三是在精加工、半精加工时, 进给速度一般以加工工件的表面粗糙度要求选择。表面粗糙度要求低, 进给速度就小, 但不能过小, 过小会使切削厚度过薄, 表面粗糙度反而增大, 而且刀具磨损会更加严重, 刀具的副偏角愈大, 刀尖圆弧半径愈大, 则f可选较大值。通常情况下, 精铣时的选取范围是20~25mm/min, 精车时的选取范围为0.10~0.20mm/r。同时在进给量选择时, 要充分考虑零件加工中的一些特殊因素, 譬如在轮廓加工中轮廓拐角处的超程问题, 在拐角较大时应该适当降低进给速度以保证加工精度;四是在刀具空行程时, 特别是远距离“回零”时, 可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。
2.3 背吃刀量的选择
数控机床切削的背吃刀量是依据机床、工件的加工余量以及刀具的刚度来确定, 在刚度容许的前提下, 为确保加工工件的加工精度和表面粗糙度, 尽力让背吃刀量与工件的加工余量相同, 以便达到减少走刀次数, 提高生产效率的目的。具体措施如下:一是加工工件在粗加工时, 首先为精加工或者半精加工留下余量, 尽量一次走刀把剩下的余量切除, 如果数控机床的工艺系统刚性欠缺, 或者加工工件的余量太一次无法切除, 必须依照先多后少的不等余量法的程序加工。第一刀切削深度的选择尽量大, 让刀口处于里层切削状态, 防止加工工件产生表面不平或者有硬皮的铸锻件;二是当冲击载荷较大或者由于细长轴、镗刀杆以及机床陈旧等原因造成的工艺系统的刚度不足时, 应该适当降低切削深度, 减小切削力;三是精加工时, 切削深度要依据粗加工留下的余量来决定, 通常要采用逐步降低切削深度的措施, 不断提升加工精度与表面质量。精加工时切削深度一般取0.05~0.8mm;半精加工时, 切削深度一把为1.0~3.0mm。
2.4 其他注意事项
先进的高速数控机床在加工工件时其切削用量的确定要对加工工件效率、加工工件表面质量、刀具的磨损以及加工成本进行综合考虑。一是数控机床采用不一样的刀具以及加工工件材料差异, 会严重影响加工用量。当前数控机床的加工数据不完善, 但随着数控机床技术的快速发展, 切削速度会逐步加大, 加工效率会不断提升, 其加工的刀具磨损也会越来越严重, 因此, 除较高的每齿进给量外, 加工表面粗糙度与切削速度成反比。对于刀具的使用寿命, 每齿进给量与轴向切深均有最佳值, 最佳值的范围却很较窄。同时, 数控机床的切削深度与每齿进给量之间是交互的。通常情况下, 粗糙度的理想要确定每齿进给量时需结合切削深度进行选择。
3 结论
总之, 近几年来, 我国数控机床技术迅速提高, 数控机床在生产实际中的广泛应用。高档数控机床与基础制造装备专项将实现自主创新能力大力提升, 掌握一大批具有自主知识产权的核心技术。通过数控编程确定切削用量是数控加工中的重点, 编程人员应该掌握数控加工中切削用量的确定原则, 选择出合理的切削用量, 这样才能有效保障加工质量与加工效率, 大力提升企业的经济效益和生产水平。
摘要：当前数控加工技术逐步取代了普通机械被数控机, 成为现代制造技术的基础。在数控编程的过程中, 确定刀具的切削用量不但影响被加工零件的质量, 同时决定着机床功效的发挥。本文首先简单介绍数控加工中切削的特点, 然后对切削用量的合理选择原则进行探讨。
关键词：数控机床,加工,切削量,选择
参考文献
[1]王瑞.数控车削加工工艺研究[J].河南科技, 2010.
[2]乔西菊.数控车床车削加工工艺分析[J].中国科技信息, 2010.
[3]唐少琴.数控车床加工工艺的探索[J].科技创新导报, 2009.
切削用量的合理选择 篇2
【关键词】数控铣床；刀具；切削用量
【中图分类号】TG547
【文献标识码】A
【文章编号】1672—5158（2012）10-0170-01
1 前言
随着我国机械加工的飞速发展，数控机床的使用日益增多，为了保证数控机床能正常运行，只有配置了与数控机床性能相适应的刀具和切削用量，才能使其性能得到充分的发挥。尤其是CAD／CAM的发展，使得加工刀具和切削用量发展成为了编程人员在人机交互状态下进行选择的模式，最后通过编程软件自动生成加工代码，这就要求编程人员必须懂得刀具选择和切削用量确定的方法和原则。
2 数控铣削刀具的选择
数控铣削加工的刀具按铣刀形状可分为：平刀、球刀、牛鼻刀、异形刀等；按铣刀用途可分为：立铣刀、端铣刀、键槽铣刀等；按铣刀材料可分为：高速钢铣刀、硬质合金铣刀、金刚石铣刀、立方氮化硼铣刀、陶瓷铣刀等。编程人员应该根据数控铣床的加工能力、工件的材料性能、几何形状、表面品质要求、热处理状态、加工工序、切削用量、加工余量等，选择刚性好，耐用度高的刀具。选择刀具的一般原则是：尽量采用硬质合金或高性能材料制成的刀具；尽量采用机夹或可转位式刀具；尽量采用高效刀具。其中被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。
1 加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀，如图1所示。
2 铣较大平面时，为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形铣刀，如图2所示。
3 铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀。
4 铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀。
3 数控铣削加工切削用量的确定
切削用量由切削速度、进给量和背吃刀量三要素组成。在切削加工中，切削用量将直接影响加工工件的品质、刀具的磨损限度、机床的功率、生产率、加工成本等。因此切削用量的选择显得特别重要。
合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工品质的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。
a 背吃月量ap印的选择：应该根据机床和刀具的刚度、加工余量多少而定。除留给下道工序的余量外，其余的粗铣余量尽可能一次切除，以使走刀次数最。提高生产效率；当粗铣余量太大或工艺系统刚性较差时，则其加工余量应分两次或数次走刀后切除。当切削表层有硬皮的铸锻件或切削不锈钢等加工硬化严重的材料时，应尽最使背吃刀量超过硬出或砖硬层厚度，以防刀尖过早磨损。一般立铣刀粗铣时，背吃刀量以不超过铣刀半径为原则，但一般不超过7mm；半精铣时，背吃月量取为O.5-1mm；精铣时，背吃月量取为0.05～0.3mm。端铣刀粗铣时，背吃刀量一般为2-5mm；精铣时，背吃刀量取为0.1～0.5mm。
b 进给量F的选择：进给量是数控铣床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙要求、以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给量受机床刚度和进给系统的性能限制。当工件的品质要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给量。一般在100-200mm／min范围内选取。当加工精度和表面粗糙度要求高时，进给量应选小些，一般在20-50mm／min范围内选取。生产实际中多采用查表法、经验法确定合理的进给量。半精加工和精加工时，则按加工表面粗糙度要求，根据工件材料，切削速度来选择进给量。
c 切削建度Vel的选择：铣削中主轴转速的确定就是通过确定切削速度来得到的。生产中经常根据实践经验和有关手册资料选取切削速度，然后算出主轴转速。选择切削速度的一般原则是：粗铣时，ap和f较大，故选择较低的V；精铣时，ap和f较小，故选择较高的Ve。工件材料强度、硬度高时，应选较低的Ve。刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。主轴转速的计算公式为：n=1000Ve／πD。根据加工材料不同U厦所用月具直径不同，现以高速钢立铣刀为例将铣削的进给速度和主轴转速总结如表1所示。
4 总结
数控加工中切削用量的合理选择 篇3
现在, 随着CAD/CAM技术的发展, 许多CAD/CAM软件都提供自动编程功能, 这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题, 比如:刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等, 编程人员只要设置了有关的参数, 就可以自动生成NC程序并传输至数控机床完成加工。因此, 数控加工中切削用量的确定是在人机交互状态下完成的, 这与普通机床加工形成鲜明的对比, 同时也要求编程人员必须掌握切削用量确定的基本原则, 在编程时充分考虑数控加工的特点来合理的选择切削用量。文章对数控编程中必须面对切削用量的确定问题进行了探讨, 给出了若干原则和建议, 且对应该注意的问题进行了讨论。
1 数控加工中切削用量的选择原则
切削用量包括切削速度 (主轴转速) 、背吃刀量、进给量, 通常称为切削用量三要素。数控加工中选择切削用量, 就是在保证加工质量和刀具耐用度的前提下, 充分发挥机床性能和刀具切削性能, 使切削效率最高, 加工成本最低。粗、精加工时切削用量的选择原则如下。
粗加工时, 一般以提高生产效率为主, 但也应考虑经济性和加工成本。切削用量的选择原则首先选取尽可能大的背吃刀量;其次要根据机床动力和刚性的限制条件等, 选取尽可能大的进给量;最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。
半精加工和精加工时, 应在保证加工质量的前提下, 兼顾切削效率、经济性和加工成本。切削用量的选择原则首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量;其次根据已加工表面的粗糙度要求, 选取较小的进给量;最后在保证刀具耐用度的前提下, 尽可能选取较高的切削速度。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册, 并结合实践经验而定。
1.1 背吃刀量ap (mm) 的选择
背吃刀量ap根据加工余量和工艺系统的刚度确定。在机床、工件和刀具刚度允许的情况下, ap就等于加工余量, 这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度, 一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量可略小于普通机床。具体选择如下:
粗加工时, 在留下精加工、半精加工的余量后, 尽可能一次走刀将剩下的余量切除;若工艺系统刚性不足或余量过大不能一次切除, 也应按先多后少的不等余量法加工。第一刀的ap应尽可能大些, 使刀口在里层切削, 避免工件表面不平及有硬皮的铸锻件。
当冲击载荷较大 (如断续表面) 或工艺系统刚度较差 (如细长轴、镗刀杆、机床陈旧) 时, 可适当降低ap, 使切削力减小。
精加工时, ap应根据粗加工留下的余量确定, 采用逐渐降低ap的方法, 逐步提高加工精度和表面质量。一般精加工时, 取ap=0.05~0.8mm;半精加工时, 取ap=1.0~3.0mm。
1.2 切削宽度L (mm)
一般L与刀具直径d成正比, 与切削深度成反比。在数控加工中, 一般L的取值范围为L= (0.6~0.9) d。
1.3 进给量 (进给速度) f (mm/min或mm/r) 的选择
进给量 (进给速度) 是数控机床切削用量中的重要参数, 根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素, 参考切削用量手册选取。对于多齿刀具, 其进给速度vf、刀具转速n、刀具齿数Z及每齿进给量fz的关系为Vf=fn=fzzn。
粗加工时, 由于对工件表面质量没有太高的要求, f主要受刀杆、刀片、机床、工件等的强度和刚度所承受的切削力限制, 一般根据刚度来选择。工艺系统刚度好时, 可用大些的f;反之, 适当降低f。
精加工、半精加工时, f应根据工件的表面粗糙度Ra要求选择。Ra要求小的, 取较小的f, 但又不能过小, 因为f过小, 切削厚度h D过薄, Ra反而增大, 且刀具磨损加剧。刀具的副偏角愈大, 刀尖圆弧半径愈大, 则f可选较大值。一般, 精铣时可取20~25mm/min, 精车时可取0.10~0.20mm/r。还应注意零件加工中的某些特殊因素。比如在轮廓加工中, 选择进给量时, 应考虑轮廓拐角处的超程问题。特别是在拐角较大、进给速度较高时, 应在接近拐角处适当降低进给速度, 在拐角后逐渐升速, 以保证加工精度。
1.4 切削速度Vc (m/min) 的选择
根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度选择切削速度。可用经验公式计算, 也可根据生产实践经验在机床说明书允许的切削速度范围内查表选取或者参考有关切削用量手册选用。在选择切削速度时, 还应考虑:应尽量避开积屑瘤产生的区域;断续切削时, 为减小冲击和热应力, 要适当降低切削速度;在易发生振动的情况下, 切削速度应避开自激振动的临界速度;加工大件、细长件和薄壁工件时, 应选用较低的切削速度;加工带外皮的工件时, 应适当降低切削速度;工艺系统刚性差的, 应减小切削速度。
1.5 主轴转速n (r/min)
主轴转速一般根据切削速度VC来选定。
计算公式为:n=1000VC/πD
式中, D为工件或刀具直径 (mm) 。
数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调 (倍率) 开关, 可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。
2 结论
随着数控机床在生产实际中的广泛应用, 数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。在数控加工程序的编制过程中, 要在人机交互状态下合理的确定切削用量。因此, 编程人员必须熟悉数控加工中切削用量的确定原则, 结合现场的生产状况, 选择出合理的切削用量, 从而保证零件的加工质量和加工效率, 充分发挥数控机床的优点, 提高企业的经济效益和生产水平。
参考文献
[1]王秀伦.现在工艺管理技术.中国铁道出版社.2004
[2]李鸿吉.模糊数学基础及实用算法.科学出版社.2005
浅谈数控车削中切削用量的选择 篇4
1 背吃刀量ap的选择
车削加工一般情况下可以分为粗车、半精车和精车。粗车 (Ra为50~12.5μm) 时, 全部加工余量尽可能在一次走刀过程中切除, 在中等功率的机床上, 背吃刀量可以取为8~10 mm。半精车 (Ra为6.3~3.2μm) 时, 背吃刀量可以取为0.5~2 mm。精车 (Ra为1.6~0.8μm) 时, 背吃刀量可以取为0.1~0.4 mm。在碰到以下情形时, 粗车一般最好分几次走刀。首先, 工件所留的加工余量过多时, 一次走刀会使切削力太大, 会出现机床功率不足或刀具强度不够的情况。其次, 工艺系统的刚性不够, 或者工件的加工余量非常不均匀, 这两种情况造成车削过程中引起很大的振动时。第三, 在断续切削中, 刀具因受到很大冲击而打刀时。
在以上情形中, 如果需要分两次走刀, 那么第一次走刀的背吃刀量要尽可能取的大一点, 第二次走刀的背吃刀量要尽可能的取小一点, 才能保证精加工的刀具具较长的刀具使用寿命, 高的加工精度和较小的表面粗糙度。第二次走刀时, 背吃刀量可以取加工余量的1/3~1/4左右。
2 进给量f的选择
在数控车削加工中, 粗车时, 一般没有太高的工件表面粗糙度要求, 这时切削力一般情况下很大, 所以合理的进给量f等于是工艺系统能承受的最大限度的进给量。这一进给量受到下列一些因素的限制:车刀刀杆的强度及刚度、车床进给机构的强度、刀片的强度和工件的装卡刚度等[1]。
半精车和精车时, 所允许的最大的进给量受加工精度和表面粗糙度的限制。当粗糙度要求一定时, 提高切削速度、增大刀尖圆弧半径, 可以选择较大的进给量。在实际生产中, 进给量大多数情况下是根据经验来选取。粗车时, 根据工件的直径和已经确定的背吃刀量、被加工工件材料、车刀刀杆尺寸来选择进给量。半精、精车时按第101页表1选取进给量。
3 切削速度vC的选择
1) 切削速度vC与积屑瘤高度Hb的关系。因为积屑瘤的顶部特别不稳定, 易破裂, 并且破裂的一些碎片可能会粘在已经车过的表面上;积屑瘤使刀具切入深度增加了一个Δh, 且积屑瘤会周期性的产生、生长、脱落, 导致Δh也周期性的增加和减小, 它变化有可能引起振动, 所以在精车时应该选择合理的切削速度, 以避开积屑瘤的最易生成的车削速度区域[2]。
在低速车削Ⅰ区不产生积屑瘤;在Ⅱ区中积屑瘤高度随切削速度增大而加大到最大值;在Ⅲ区内积屑瘤高度随车削速度增加而减小;在Ⅳ区内积屑瘤不再产生。因此, 在实际生产加工中, 切削速度要尽可能避开中速区。
2) 切削速度的确定。根据选定的背吃刀量ap, 进给量f及刀具寿命T, 按下列公式计算
但是大多数时候, 人们往往是选择直接从切削速度经验参考值表直接查询而得 (见表2) 。
4 切削用量的综合分析
4.1 切削用量对切削力的影响
背吃刀量ap或进给量f增加时, 均会使切削力增加, 但是背吃刀量和进给量的影响程度却不一样。当ap变大时, 变形系数Λh不变, 切削力正比例变大;而f变大时, 变形系数Λh下降, 切削力不成正比例增大。在车削力的经验公式中, ap的指数近似为1, 而f的指数为0.75~0.9.所以, 车削加工中, 从切削力和切削功率角度考虑, 加大进给量比加大背吃刀量有利。
4.2 切削用量对温度的影响
车削温度的高低对于切削用刀的磨损和刀具的实际使用寿命具有非常大的影响, 在给定的加工工件材料和刀具条件下, 严谨挑选切削用量可以非常有效的控制切削温度。切削温度的实验室公式为
式中:θ为实验测出的刀屑接触区的平均温度, ℃;Cθ切屑温度系数;zθ, yθ, xθ分别为切削速度、进给量、背吃刀量的指数。
由式 (2) 可知, vC, f, ap增大时, 变形和摩擦加剧, 切削功增大, 切削温度升高。但影响程度不一, 以vC最为显著, f次之, ap最小。原因是vC增大, 前刀面由于摩擦而产生的热量还没有时间向切屑和刀具的内部传递, 所以对切削温度影响最大;f增大, 切屑变厚, 切屑的能吸收的热量变多, 所以由切屑带走的热量变多, f对切削温度的影响没有vC明显;ap增大, 刀刃和工件的接触长度增加, 热量向外传递的更快, 故ap对切削温度的影响相对较小。为了保证车削温度在合适的范围内从而延长车削用刀的使用寿命, 相比较挑选较快的切削速度而言, 挑选大的背吃刀量或者进给量更有利。
4.3 切削用量对变形的影响
为了保证加工工件的尺寸要求或者形位公差要求, 在加工过程中工件的变形越小越好。而切削用量中的切削速度就很大因素的影响了切削过程中工件的变形。
1) 在没有积削瘤的切削速度区间内, 切削的速度与变形系数成反比, 这里面最重要的原因就是弹性变形的传播速度要比塑性变形的快, 随着切削速度的越来越快, 切削变形会越加不充分, 从而使得变形系数越来越小。而在有积削瘤的切削速度区间内, 切削速度只能够通过影响积削瘤所形成的实际前角来间接的改变切削变形。
2) 当切削厚度减小时, 摩擦系数增大, 剪切角减小, 变形增大, 反之同理。
4.4 切削用量对刀具的影响
切削用量与刀具寿命T之间的理论计算公式为
例如, 用YT5硬质合金车刀切削的碳钢时, 当f>0.75 mm/r时, 切削用量与道具使用寿命的关系式为
由此可知, 切削速度vC对刀具使用寿命的影响最大, 进给量f次之, 背吃刀量ap最小。因此, 从保证合理的刀具寿命出发, 选择切削用量的原则是在机床、刀具、工件的强度和工艺系统的刚度允许的条件下, 首先选择尽可能大的背吃刀量, 其次选择加工条件和工艺要求限制下允许的进给量, 最后按刀具寿命的要求确定合理的切削速度。
5 车削用量选择的举例说明
图1为公司加工的DC6J系列一个型号变速箱同步器锥环的简化图, 其毛坯材料为20Crh, 硬度为HB156~200, 以φ178.28 mm的外圆为例, 粗糙度要求为Ra3.2, φ178.28 mm的外圆毛坯尺寸为尺寸为φ179.5 mm。
因其毛坯余量为单边0.6 mm, , 所以直接半精车就可以达到图纸要求。一是确定背吃刀量ap, 取ap=0.6 mm;二是确定进给量f, 因Ra=3.2, 刀尖圆弧半径rε=0.8 mm, 根据表2 (初步估计vC>50 mm/min) , 查f=0.30~0.35 mm/r。三是确定切削速度, 可查表5得vC=235 m/min, 并代入vC=πdn/1 000, 得n=420 r/min。
摘要：数控车削中, 切削用量不但和刀具寿命、生产效率、切削力密切相关, 还决定着加工工件的表面粗糙度、工件变形等。因此, 在实际加工生产中, 选择合理的切削用量尤其关键。文章重点对数控车削中切削用量的选择方法进行论述。
关键词：切削用量,数控车削,切削力
参考文献
[1]黄建求.机械制造技术基础[M].北京:机械工业出版社, 2005.
切削用量的合理选择 篇5
教学中, 应该先把对切削用量的选择有影响的因素进行引导讨论和梳理, 并且讨论这些因素是如何影响切削用量的, 让学生有较深刻的理解。以下是笔者做的简单梳理。
一、影响切削用量选择的因素
1. 车床
车床有多种种类, 不同种类的车床选择的切削用量也不相同。如立式车床与卧式车床、大型车床和小型车床等。不同的机床具有不同的功率及主电机的工作特性, 选择切削用量时需加以考虑, 必要时需验算功率。
2. 工件
工件的材料、结构、技术要求等对切削用量的选择有至关重要的影响。不同的工件材料具有不同的物理化学性质, 切削用量有很大区别;加工不同结构时使用的切削用量是不同的;不同的尺寸的精度要求有时也会使切削用量有所差异。
3. 刀具
不同材料、不同种类的刀具影响切削用量的选择。如使用高速钢刀具还是硬质合金刀具, 而这些刀具也有不同的牌号, 使用的切削用量也有很大的区别。如外圆车刀、内孔车刀、切断车刀等使用的切削用量也不同。
4. 加工性质与加工环境
粗车和精车用的切削用量不同。钻孔、车外圆、切断等用的切削用量有很大差异。有无加注切削液、何种类的切削液也会影响切削用量的选择。
5. 加工环境
加工环境方面主要考虑切削热的影响。切削热会影响加工精度、断屑等, 所以选择切削用量时应考虑切削热, 切削速度是影响切削热的重要因素。
6. 工艺系统
不同的工艺系统使用的切削用量不同, 如装夹方式不同、工艺系统刚度差异等。
7. 切削效率与刀具磨损
选择切削用量时应兼顾切削效率和刀具磨损, 在两者间寻求较佳的平衡点。
8. 安全生产
切削用量的选择必须能够充分保证安全生产的要求, 如加工塑性材料工件时的断屑问题、加工螺纹时的退刀问题等, 避免出现只图快而不顾安全的问题。
二、引导讨论碳钢工件粗车和精车切削用量选择的一般原则
1. 粗车时切削用量的选择
粗车时选择切削用量主要是考虑提高生产率, 同时兼顾刀具寿命。加大背吃刀量、进给量和提高切削速度都能提高生产率。但是, 它们对刀具寿命产生不利影响, 其中影响最小的是背吃刀量, 其次是进给量, 最大的是切削速度。
2. 半精车、精车时切削用量的选择
半精车、精车时应首先考虑保证加工质量, 并注意兼顾生产率和刀具寿命。
(1) 背吃刀量。背吃刀量应根据加工精度和表面粗糙度要求, 由粗车后留的余量确定。半精车时选0.5~2mm;精车时选0.1~0.8mm。
(2) 进给量。进给量的选择主要受工件表面粗糙度要求的限制, 表面粗糙度越小, 进给量也越选小。
(3) 切削速度。为了提高工件的表面质量, 用硬质合金车刀精车时, 一般采用较高的切削速度 (大于80m/min) ;用高速钢车刀精车时, 一般选用较低的切削速度 (小于5m/min) 。
三、探究方案的制订
上述依据经验给出的切削用量选择值的范围依然宽泛, 哪个值更合理呢?让各学习小组提出通过实际切削找到合理切削用量的试验方案。如在沈阳CA6140型车床上精车45钢工件三段外圆Ф38至Ф37±0.02, 表面粗糙度越小越好, 90°硬质合金外圆车刀。
方案样例:
1. 试验条件:切削速度约100m/min, 背吃刀量0.5mm, 进给量选三个不同值
试验结果:对比表面粗糙度和切削时间。
2. 试验条件:进给量0.1mm/r, 背吃刀量0.5mm, 切削速度选三个不同值
试验结果:对比表面粗糙度和切削时间 (如表2) 。
3. 试验条件:切削速度约100m/min, 进给量0.1mm/r, 背吃刀量选三个不同值
试验结果:对比尺寸精度和切削时间 (如表3) 。
四、试验探究
对各小组提出的方案进行指导, 应该强调只变化其中的一个量, 其他的因素应尽量保持一致。各小组方案都具有可操作性和一定合理性, 上车床按照试验方案进行试验。试验时注意尽量保证试验条件的一致性, 从而减少其他因素对试验结果的影响。
试验过程中应严格遵照安全操作规程, 详细准确地记录试验数据, 若试验受到其他因素的影响, 导致数据失去有效性时, 应予以记录或重新进行试验。试验完成后, 各小组对得到的试验数据进行分析, 应包括数据有效性分析、数据的计算处理和分析。最后撰写试验报告, 对此确定条件和要求下的切削用量做出选择, 并对试验过程进行总结。
五、评价学生的探究过程和试验结果
教师应对各小组的试验报告, 结合试验过程的表现, 给予学生鼓励性的评价, 对学生得到的切削用量给予详细的指导, 对不合理的结论要帮助其分析原因, 最后将合理的结论给予公布。作业中布置粗车外圆时的切削用量选择, 并提供试验课时、设备, 使学生完成作业。其他条件下的切削用量的选择, 在后续教学中由学生通过实验法或类比法选择。
切削用量的合理选择 篇6
数控铣床具有高效率、高精度、高柔性的性能,是现代机械加工的先进工艺装备,在数控加工中占据了重要地位,加工中心和柔性制造单元也是在数控铣床和数控镗床的基础上发展而来的。随着我国机械加工的飞速发展,数控机床的使用日益增多,为了保证数控机床能正常运行,只有配置了与数控机床性能相适应的刀具和切削用量,才能使其性能得到充分的发挥[1]。尤其是CAD/CAM的发展,使得加工刀具和切削用量发展成为了编程人员在人机交互状态下进行选择的模式,最后通过编程软件自动生成加工代码,这就要求编程人员必须懂得刀具选择和切削用量确定的方法和原则。
1 数控铣削刀具的选择
数控铣床和加工中心需要加工能力和通用性更强的铣刀,在过去的几年中,对更先进的铣削刀具的开发就是源于这种需求。过去,特别是面对大批量的生产时,专用刀具往往是唯一有效的解决方案。而如今,需要的则是更为灵活的生产方式,新的铣刀概念提供了具备更广泛加工能力的刀具。现代刀具的设计及制造,能够实现更为复杂的刀具概念,利用CNC机床提高产出,加工过程也变得更加可靠了。
数控铣削加工的刀具按铣刀形状可分为:平刀、球刀、牛鼻刀、异形刀等;按铣刀用途可分为:立铣刀、端铣刀、键槽铣刀等;按铣刀材料可分为:高速钢铣刀、硬质合金铣刀、金刚石铣刀、立方氮化硼铣刀、陶瓷铣刀等。编程人员应该根据数控铣床的加工能力、工件的材料性能、几何形状、表面品质要求、热处理状态、加工工序、切削用量、加工余量等,选择刚性好,耐用度高的刀具。选择刀具的一般原则是:尽量采用硬质合金或高性能材料制成的刀具;尽量采用机夹或可转位式刀具;尽量采用高效刀具。其中被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。
1) 加工曲面类零件时,为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切,避免刀刃与工件轮廓发生干涉,一般采用球头刀,粗加工用两刃铣刀,半精加工和精加工用四刃铣刀,如图1所示。
2) 铣较大平面时,为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度,一般采用刀片镶嵌式盘形铣刀,如图2所示。
3) 铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀,如图3所示。
4) 铣键槽时,为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀,如图4所示。
5) 孔加工时,可采用钻头、镗刀等孔加工类刀具,如图5所示。
2 数控铣削加工切削用量的确定
切削用量由切削速度、进给量和背吃刀量三要素组成。在切削加工中,切削用量将直接影响加工工件的品质、刀具的磨损限度、机床的功率、生产率、加工成本等。因此切削用量的选择显得特别重要。
合理选择切削用量的原则是:粗加工时,一般以提高生产率为主,但也应考虑经济性和加工成本;半精加工和精加工时,应在保证加工品质的前提下,兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册,并结合经验而定[1]。
a) 背吃刀量ap的选择:应该根据机床和刀具的刚度、加工余量多少而定。除留给下道工序的余量外,其余的粗铣余量尽可能一次切除,以使走刀次数最少、提高生产效率;当粗铣余量太大或工艺系统刚性较差时,则其加工余量应分两次或数次走刀后切除。当切削表层有硬皮的铸锻件或切削不锈钢等加工硬化严重的材料时,应尽量使背吃刀量超过硬皮或冷硬层厚度,以防刀尖过早磨损。一般立铣刀粗铣时,背吃刀量以不超过铣刀半径为原则,但一般不超过7mm; 半精铣时,背吃刀量取为0.5～1mm; 精铣时,背吃刀量取为0.05～ 0.3mm。端铣刀粗铣时,背吃刀量一般为2～5mm;精铣时,背吃刀量取为0.1～0.5mm。
b) 进给量f的选择:进给量是数控铣床切削用量中的重要参数,主要根据零件的加工精度和表面粗糙要求、以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给量受机床刚度和进给系统的性能限制。当工件的品质要求能够得到保证时,为提高生产效率,可选择较高的进给量。一般在100～200mm/min 范围内选取。当加工精度和表面粗糙度要求高时,进给量应选小些,一般在20～50mm/min范围内选取。生产实际中多采用查表法、经验法确定合理的进给量。粗加工时,根据工件材料、铣刀直径、已确定的背吃刀量来选择进给量。半精加工和精加工时,则按加工表面粗糙度要求,根据工件材料,切削速度来选择进给量。
c) 切削速度Vc的选择:铣削中主轴转速的确定就是通过确定切削速度来得到的。生产中经常根据实践经验和有关手册资料选取切削速度,然后算出主轴转速。选择切削速度的一般原则是:粗铣时,ap和f较大,故选择较低的Vc;精铣时,ap和f均较小,故选择较高的Vc。工件材料强度、硬度高时,应选较低的Vc。刀具材料的切削性能愈好,切削速度也选得愈高。主轴转速的计算公式为:
n=1000Vc/πD
式中:Vc为切削速度(m/min),由刀具的耐用度决定;n为主轴转速(r/min);D为铣刀直径(mm)。
根据加工材料不同以及所用刀具直径不同,现以高速钢立铣刀为例将铣削的进给速度和主轴转速总结如表1所示。
3 总结
随着数控机床的普及,CAD/CAM技术得到了越来越多的应用,这也就使得刀具的选择和切削用量更多地是在人机交互状态下即时确定的。因此,数控编程人员必须掌握刀具和切削用量选择的基本方法和原则,这对于保证零件加工的品质和生产效率,发挥数控铣床的优越性具有重大的意义。
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浅议数控刀具及切削用量的选择 篇7
数控机床在加工中都必须使用数控刀具, 数控刀具主要指数控车床、数控铣床、加工中心等机床上所使用的刀具。
为适应数控机床加工精度高、加工效率高、加工工序集中以及零件装夹次数少的要求, 数控机床对所用的刀具还有许多性能上的要求:
1) 刀片、刀具几何参数和切削参数的规范化;
2) 刀片或刀具材料以及切削参数与被加工工件的材料之间匹配的选用原则;
3) 刀片或刀具的耐用度及其经济寿命指标的合理化;
4) 刀片与刀柄对机床主轴相对位置的要求;
5) 刀片或刀柄定位基准的优化;
6) 对刀柄的强度、刚性及耐磨性的要求;
7) 刀片与刀柄切入位置和方向的要求;
8) 对刀柄的转位、装拆和重复精度的要求;
9) 刀片与刀柄高度的通用化、规则化、系列化。
2 数控切削刀具的选择
数控刀具按照装夹、转换方式主要分为两大类:车削系统和镗铣削系统刀具。车削系统刀具由刀片 (刀具) 、刀体、接柄 (柄体) 、刀盘所组成。通过刀具夹持系统 (或刀具夹持装置) 固定在数控车床上。普通数控车床刀具主要采用机夹可转位刀片的刀具。所以, 数控车床刀具的选择主要是可转位刀片的选择。
根据被加工零件的加工余量, 表面粗糙度和材料等条件, 来决定刀片的类型。
2.1 刀片材料的选择
主要依据被加工工件的材料、被加工表面的精度要求、切削加工过程中有无冲击和震动以及切削载荷的大小等条件决定。
2.2 刀片心形状选择
刀片形状主要依据被加工工件的切削方法、表面形状、刀具寿命和刀片的转位次数等因素来选择。
2.3 刀片尺寸选择
刀片尺寸的大小取决于有效切削刃的长度L, 有效切削刃长度L与背吃刀量ap和主偏角kr有关。
2.4 刀片的刀尖半径选择
刀尖圆弧半径的大小直接影响刀尖的强度和被加工零件的表面粗糙度。刀尖圆弧半径越大, 刀刃强度增加, 刀具前后刀面的磨损减少, 但表面粗糙度值增大, 切削力增大且易产生振动, 切削性能下降。选择原则为:在零件直径大需要刀刃强度高的粗加工中, 刀尖圆弧半径较大些;在细长轴加工或机床刚度较差切削深度较小的精加工情况下, 刀尖圆弧半径较小些。
3 确定切削用量切削用量是表示主运动及进给运动大小的参数
它包括背吃刀量、进给量和切削速度三要素。合理选择切削用量与提高加工质量和生产效率有着密切的关系。
切削用量选择的基本原则:
1) 根据工件加工余量和粗、精加工要求, 选定背吃刀量。
2) 根据加工工艺系统允许的切削力, 其中包括机床进给系统、工件刚度及精加工时表面粗糙度要求, 确定进给量。
3) 根据刀具耐用度, 确定切削速度。4) 所选定的切削用量应该是机床功率允许的。
3.1 粗加工切削用量的选择
粗加工, 以提高生产率为主, 兼顾加工成本。
3.1.1 背吃刀量ap
在保留半精加工余量的前提下, 尽量将粗加工余量一次切削完。当余量过大或工艺系统刚性过差时, 可分二次切除。
3.1.2 进给量f
当背吃刀量ap已确定进给量主要根据工件材料、刀杆尺寸、工件直径和背吃刀量ap选取。通过查表得到。
3.1.3 切削速度vc和机床主轴转速n
背吃刀量ap和进给量f确定以后, 根据已知的刀具寿命T, 求出切削速度。
再根据计算工件转速n。
然后再计算出实际切削速度vc。
3.2 半精加工、精加工切削用量的选择
半精加工、精加工时, 以提高加工质量为主, 兼顾生产率和生产成本。
3.2.1 背吃刀量ap
半精加工、精加工的切削余量都比较小, 其背吃刀量ap通常都是一次进经切除全部余量。
3.2.2 进给量f
为保证加工质量, 主要是表面粗糙度的限制, 使进给量f不能过大, 通常主要根据切削速度vc (预选) , 刀尖圆弧半径来查表得到。
待实际切削速度vc确定后, 如发现v预与其相差太大, 再修正进给量f。
3.2.3 切削速度vc和机床主轴转速n
按已经选定的ap、和已知的f, 计算出切削速度T, 再计算工件转速n, 再计算出实际切削速度vc。
选择切削速度时, 还应注意考虑以下几点:
1) 精加工时, 应尽量避免积屑瘤和鳞刺的产生区域;
2) 断续加工时, 宜适当降低切削速度;
3) 加工大型、细长、薄壁工件时, 应选用较低的切削速度;端面车削应比外圆车削的速度高一些;
4) 在易发生振动的情况下, 切削速度应避开自激振动的临界速度。
4 结语
切削用量的合理选择 篇8
影响切削用量选择的因素不仅多, 而且又相互制约和影响, 因此, 很难找出最优的切削用量。生产中依据编程人员的经验选定的切削用量, 又因人而异, 导致较大的效益差异。随着切削机理和技术的进一步发展, 逐步建立起切削数据库, 但这些切削数据库对于实际生产中实时出现的问题, 并不能很快地进行解决, 故不具有推广应用能力[1], 因此, 实时地控制切削用量、实现机器的智能化切削参数选取有较大困难[2]。神经网络具有大量信息的并行处理功能, 因此神经网络非常适于用来代替人类基于经验的决策行为。本文应用BP神经网络对切削用量进行智能化选择, 在一定程度上满足了实际生产在线监控的技术要求。
1切削用量智能化选择模型的设计
1.1 建立BP神经网络模型
BP网络是采用Widrow-Hoff学习算法和非线性可微激活函数的多层前向网络。在具体的铣削用量的选择上, 要求设计的BP网络模型在完成训练后能够顺利通过测试。
1.2 隐层数的选择
影响切削用量的因素很多, 把所有的因素引入模型中是不可行的, 因此可以增加隐含层来增强人工神经网络的处理能力[3]。在设计网络时, 首先考虑一个隐含层, 如果选用一个隐含层, 在增加节点数后还不能得到满意的结果, 这时可以考虑双隐含层, 但是总的节点数应该减少。因此本文首先选用了一层隐含层进行训练。
1.3 输入/输出设计
BP网络的输入与输出维数根据设计者具体要解决的问题而设计。本研究的目的是在知道刀具材料、刀具几何尺寸以及被加工工件材料的情况下, 如何更加合理地选择铣削用量, 即铣削速度v、铣削进给量f、铣削深度aP[4]。因此, 将BP神经网络的输入层神经元个数设为3个, 即刀具材料、刀具几何尺寸、被加工工件材料;将网络输出层神经元个数设为3个, 即铣削速度、进给量、铣削深度。
1.4 隐含层单元数选择
隐含层神经元的选择是一个十分复杂的问题, 在选择隐含层神经单元数时, 并没有确切的理论依据, 只有通过大量的实验或者采用一些经过证明的经验公式, 还有就是在实验中通过添加或删除神经元的个数, 来选取比较合适的隐含层神经元个数。本文依据Matlab神经网络工具箱提供的经验公式Input×2+1选择神经元个数。其中, Input表示输入神经元个数。已选用输入维数为3, 则该网络隐含层神经元个数为7。设计好的铣削用量单层BP网络结构如图1所示。
1.5 初始值选择
因为选择的是非线性系统, 初始值的选择对于网络在学习训练中能否收敛于局部极小点以及收敛速度有很大的影响。一个可供参考的经验值为undefined, 其中, F为所选单元的输入层个数。对于输入样本的数据, 需要结合实际把与切削用量相关的数据进行整理, 才能作为BP神经网络的数据进行输入。本文选择数控加工中的铣床加工为案例, 对铣削用量进行智能化选择[5]。实际生产所采集到的数据见表1。
将这些样本对的值进行归一化处理, 使得输入/输出样本对取值落在区间[-1, 1]之内, 这样使那些取值比较大的数值仍然落在激活函数梯度大的地方。因为在建立铣削BP神经网络时, 其中每个神经元的激活函数为Sigmoid函数, 对输入/输出归一化处理后, 可以防止因净输入的绝对值过大而导致的神经元输出饱和, 进而使权值调整进入误差曲面的平坦区[6,7]。
在具体建立网络时, 要对输出层的影响因素如刀具材料、工件材料进行量化。希望输入为量化前的生产数据, 输出也为量化前的生产数据, 但是网络只能在量化的数据基础上进行仿真, 即实际运算的输入、输出都是量化的数据。影响因素的量化结果见表2。
2仿真加工实例
在完成了铣削用量智能化选择的BP神经网络模型后, 需要对模型进行验证。本文利用UG仿真加工某汽车曲轴终锻模具, 将神经网络选取的铣削用量作为初始输入参数, 生成NC代码, 产生加工时的刀路轨迹以及完成加工所需的时间。模具工件材料、刀具材料以及刀具直径作为BP神经网络的输入层, 训练好的网络根据已经存储在权值中的知识, 自动地选取一组用于加工的铣削用量。曲轴模型如图2所示。
将BP网络的结构设计完成后, 就需要对网络进行学习训练。
加工工件材料为20GrNiMoW合金钢, 硬度为40HRC, 工件毛坯尺寸为600 mm×380 mm×270 mm, 采用的铣刀材料为硬质合金, 铣刀类型为球头铣刀。加工工艺路线为粗铣、半精铣、精铣。粗铣加工铣刀直径为Φ16 mm, 半精铣刀具直径为Φ12 mm, 精铣刀具直径为Φ8 mm。将这些切削条件作为输入层参数, 输入已经建立好的BP神经网络, 网络选出相对应的铣削用量, 即进给量、刀具转速和铣削深度, 见表3。
采用BP神经网络选择的铣削用量, 对汽车曲轴锻模进行了铣削加工, 不同的加工工艺所对应的加工时间分别为:粗铣加工时间为438 min, 半精铣加工时间为380.1 min, 精铣加工时间为425.9 min。加工完成汽车曲轴模具总时间为1 244 min。最终精铣后的模具工件, 在钳工研磨后, 达到加工要求。通过具体的实例验证, BP神经网络所选取的铣削用量, 可以用于实际生产加工, 这为实现切削用量的智能化选择提供了现实依据。
在相同的切削条件下, 加工同一个工件, 使其达到要求的加工质量, 让一般的工艺人员选择铣削用量及加工时间, 结果见表4。
对比表3、表4发现:在对模具进行加工的时候, 如果铣削用量选用不恰当, 即切削参数细小的变化, 也会造成生产加工时间的大幅度的变化;BP网络选取的铣削用量在实际加工中, 总的加工时间共缩短了1 382.2-1 244=138.2 min。
3结论
由于在加工中心上每小时的生产加工费用都是比较高的, 节省了加工时间, 也就节约了加工成本。因此, 对于要求达到相同加工质量的汽车曲轴模具, 综合考虑加工时间、成本以及提高生产效率来说, 所设计的BP神经网络切削用量智能选择系统具有可行性。
摘要：以提高切削效率为目的, 对数控加工中的切削用量进行智能化选择。首先建立BP网络模型, 并确立了以刀具材料、加工工件材料以及刀具几何尺寸为输入层, 铣削用量为输出层;然后对BP网络进行设计, 确定隐含层和隐含层单元数目, 并按照实际生产中所采集的随机的切削用量数据训练BP网络;最后对智能化选择的切削用量参数进行仿真、验证。将选取出的切削用量应用于实际生产, 效果良好。
关键词：神经网络,切削参数,数控加工
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