切削用量优化（共7篇）
切削用量优化 篇1
引言
切削用量三要素包括切削深度、进给量、切削速度，在被加工的工件材料、刀具材料和刀具几何参数确定的情况下。切削力、切削功率、刀具磨损、工件和刀具强度和刚度等均为切削深度、进给量、切削速度的函数。切削用量的选择直接影响加工质量的好坏和生产效率的高低。目前工程师在加工工艺编制方面，是通过切削用量手册、实践总结或工艺试验来选择切削用量，并不是最优的切削用量。因此，在计算机发展的今天，如何合理选择切削用量，是金属切削重要问题。编制切削用量的优化计算求解是具有工程实际意义[1,2]。
1 切削用量选取的一般原则
根据金属切削原理，制订切削用量，就是在刀具材料和几何角度确定的基础上，合理确定切削深度ap、进给量f、和切削速度v，在充分利用刀具切削性能和机床性能，保证加工质量前提下，获高生产率和低加工成本切削用量[3,4]。
基本原则，使得切削加工的生产率高，加工相同体积所用时间tm最短：
式中，dw为车削加工前毛坯直径，lw为工件切削部分长度;Δ为加工余量;nw为工件转速。
限制条件包括：
(1)刀具耐用度满足要求条件
Tp计算刀具耐用度;T设定的刀具耐用度;CT为耐用度系数。
(2)切削功率条件
Pp为计算功率;PE为机床额定功率，η为机床效率。
(3)机床进给机构强度
(4)粗糙度指标
(5)另外切削深度、进给量和切削速度的边界限制条件：
2 基于加工时间最小的切削用量选取优化求解模型与程序设计
2.1 求解模型
若采用生产率为目标函数：;设计变量为z=[z1,z2,z3]T=[ap,f,v]T。其余条件均为约束条件。则切削用量选取的最优化问题模型可以描述为(1)，该模型属于含不等式约束的优化模型。切削深度ap单位为mm、进给量f单位为mm/r、切削速度v单位为m/min,
2.2 程序设计框图
本文按随机搜索方法的优化程序设计[5]，建立本文问题程序如图1。
3 算例分析
下面车削加工实例分析。
3.1 具体参数
(1)加工工件：材料45，σb=700MPa，毛坯dw=70mm，加工后dm=106mm，加工长度l=280mm，粗糙度Ra=3.2μm;粗车余量为
(2)所用车刀：刀杆B×H=16mm×25mm，刀片材料硬质合金YT15，刀片厚度4.5mm，车刀角度为κr=60°,κr′=10°,γ0=12°,α0=8°,λs=0°,rs=1mm。
(3)所用车床：CA6140：其主轴允许功率PE=5.9kW，最大转速nmax=230r/min，最大切削功率PE=5900W，切削效率η=0.8最大进给力为Fx=3530N，进给量范围fmax=1.59mm/r,fmin=00.82mm/r，转速范围为nmax=1200r/min,nmin=11.4r/min，切削深度：ap,max=7mm。
由切削用量手册：
优化模型(1)描述为(2):
由于粗车不必限制g4(z)，且实际余量为Δ=4mm，综合
按随机优化方法
已经满足：(4)～(10),7个条件;只判断(1)～(3)
则：问题转化为：
取NN=500000，并考虑了ap=2mm,ap=4mm情况，列出表1～3，分别为不同切削用量的优化结果。表明粗车，若ap=4mm,f=1.57mm/r,v=35.35m/min，在保证约束条件下，生产率是最高的。此时切削时间为tm=1.112min。
若假设一次精车完成，其他参数不变，此时fmin=0.16mm/r。列出计算的前10个随机优化结果。
显然是ap=5mm,f=0.16mm/r,v=147.74m/min，生产率是最高的。此时切削时间为tm=2.082min。
4 结论
本文从切削原理出发，应用随机优化原理，提出了在满足被加工材料、刀具和机床等限定条件情况下的，加工时间最小的较为合理的切削用量的优化计算选择方法。通过实例分析车削加工的问题。给出了相应的结果。这种方法为高效切削加工问题的实现提供条件。
参考文献
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[4]任小平,刘战强,万熠等.切削用量优化模型的建立及应用[J],工具技术,2010,44(15):39-42.
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切削用量优化 篇2
金属切削用量的合理选择对保证加工质量、提高机床效率和经济效益具有重要意义。目前许多工厂都是通过切削用量手册、实践总结或工艺试验来确定切削用量,所选数据过于保守,不能充分发挥数控机床的效率。MATLAB是美国Mathworks公司推出的一种集成了数值计算、符号运算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能的科学与工程计算软件。本文以提高生产率、降低生产成本为目标,并且考虑机床和刀具的加工约束,利用粒子群算法,在MATLAB上实现了切削用量的优化,并通过实例进行了验证。
1 粒子群算法
粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是一种进化计算技术,它是一种基于迭代的优化工具。粒子群算法首先在可解空间初始化一群随机粒子,每个粒子都代表极值优化问题的一个潜在最优解。粒子在解空间中运动,在每一次迭代中,粒子通过跟踪两个最优解来更新自己,第一个是粒子本身所找到的最优解,另一个是整个种群目前找到的最优解。在找到这两个最优解后,粒子i根据下面的公式来更新自己的速度和位置:
其中:vi,j为粒子的速度;xi,j为粒子的位置;w为惯性权因子;a1和a2为正的学习因子,通常取a1和a2为2;r1和r2为0～1之间均匀分布的随机数;k为维数,即所求解个数,本文中为2,即j=1,2;pi,j为个体极值;pg,j为全局最优解。
2 切削用量数学模型
2.1 模型变量
切削用量是切削加工中切削速度、进给量和背吃刀量的总称。由于背吃刀量根据切削余量的大小选择,优化余地小,可由编程人员自己确定,因此切削用量的优化主要是切削速度和进给量的优化。
2.2 多目标函数
在生产中,人们总是希望在保证加工质量的前提下尽可能地降低生产成本,提高生产率。因此,把生产率和加工成本作为目标函数符合实际生产的需要。
加工工时t的基本模型为:
t=tm+tcttm/T+t0 。 (2)
其中:tm为切削时间,undefined为工件直径,lw为切削路径,v为切削速度,f为进给量;tct为换刀时间;t0为工序辅助时间;T为刀具耐用度,undefined,Cv、xv、yv、m、kv均为刀具耐用度参数。
加工成本C的基本模型为:
C=tmc0+tcttmc0/T+tmct/T+t0c0 。 (3)
其中:c0为单位时间生产成本,c0=c1+c2,c1为单位时间人力成本,c2为单位时间管理成本;ct为刀具成本。
根据线性加权和法,多目标函数数学模型为:
M=λcC+λtt 。 (4)
其中:λc和λt为加权系数,λc=1/Cmin,λt=1/tmin,Cmin为单目标成本优化的最小值,tmin为单目标工时优化的最小值。
2.3 约束条件
由于切削用量受到机床和刀具方面的约束,所以只能在允许的范围内取值。
(1)主轴约束条件为:
vmin≤v≤vmax 。 (5)
其中:vmin为最小切削速度,undefined;vmax为最大切削速度,undefined;nmin、nmax分别为机床最低、最高主轴转速。
(2)进给量约束条件为:
fmin≤f≤fmax 。 (6)
其中:fmin为最小进给量;fmax为最大进给量。
(3)切削进给力要小于机床主轴最大进给力,即:
Ff≤Ffmmax 。 (7)
其中:Ff为切削进给力,Ff=CFfapxFffyFfvcnFfkFf,CFf、xFf、yFf、nFf、kFf均为进给力参数;Ffmmax为机床主轴最大进给力。
(4)切削功率约束条件为:
Pc=Fcv×10-3≤ηPe 。 (8)
其中:Pc为切削功率;Fc为主切削力;η为传动效率;Pe为机床电动机功率。
为了求解方便,大多数切削用量的优化问题把约束条件嵌入了目标函数,使得目标函数过于复杂,不利于求解,为此本文在编写MATLAB程序时首先判断初始值是否符合约束条件,然后再根据目标函数进行计算并优化。算法流程如图1所示。
3 优化算例
3.1 加工条件
在数控车床上切削调质45钢,其抗拉强度为σb=735 MPa,工件毛坯尺寸如图2所示。批量生产,一次走刀后的直径为Φ52 mm,加工表面粗糙度Ra=3.2 μm。刀具选用硬质合金刀YT15,刀具前角为γ0=12o,后角为α0=8o,主偏角为kτ=75o,刀尖圆弧半径为rε=0.8 mm。机床允许最大进给力Fmfmax=3 520 N,机床电动机功率Pe=7.5 kW,传动效率η=0.8,最小转速nmin=80 r·min-1,最大转速nmax=1 400 r·min-1;最小进给量fmin=0.01 mm·r-1,最大进给量fmax=3 mm·r-1。由切削用量手册查得刀具耐磨度T系数Cv=242,xv=0.15,yv=0.35,m=0.2,kv=1.0;切削力Ff系数CFf=2 880,xFf=1.0,yFf=0.5,nFf=-0.4,kFf=1.0。拟定加工成本c0=c1+c2=1.8元·min-1,ct=80元;时间参数tct=2.1 min,t0=0.1 min。
3.2 优化结果
在MATLAB中编程并优化,参数设置如下:a1=1.45,a2=1.45,w=1,种群大小为40,最大迭代次数为200。分别以加工工时和加工成本为目标优化,其结果见表1和表2;以加工工时和加工成本为总目标优化,结果见表3。
3.3 结果分析
由表1可知,以加工工时为目标时,加工时间缩短了8 s,而加工成本仅降低了0.04元;由表2可知,以加工成本为目标时,加工成本降低了0.23元,但加工时间却延长了1.8 s;由表3可知,以加工工时和加工成本为目标时,加工时间缩短了4.5 s,同时加工成本降低了0.16元。可以看出,从经济效益和加工效率综合来看,多目标优化比单目标优化的结果更适合于对加工时间和加工成本没有特定要求的场合,并且比经验参数值更适合于实际生产。
4 结论
本文对数控车削切削用量优化进行了研究,建立了以最大生产率和最低生产成本为目标的多目标优化模型,在MATLAB中利用粒子群算法进行了优化计算,所得结果与经验值进行对比有较大的提高,具有一定的实用价值。
摘要：切削用量的合理选择对提高机床使用效率、降低生产成本有很大的帮助。根据线性加权和法,以进给量和切削速度为变量,以最大生产率和最低生产成本为目标建立优化数学模型,并且考虑机床和刀具的约束,利用粒子群算法在MATLAB上对数学模型进行寻优求解。实例表明,优化后的切削用量能明显地降低成本、提高效率。
关键词：切削用量,优化,粒子群算法,MATLAB
参考文献
[1]龚纯,王正林.精通MATLAB最优化计算[M].北京:电子工业出版社,2009.
[2]上海市大专院校机械制造工艺学协作组.机械制造工艺学[M].福州:福建科学技术出版社,1985.
[3]陆剑中,孙家宁.金属切削原理与刀具[M].第3版.北京:机械工业出版社,1998.
[4]艾兴,肖诗纲.切削用量简明手册[M].修订本.北京:机械工业出版社,2002.
[5]朱小平,王涛.基于多目标粒子群算法的切削用量多决策优化研究[J].组合机床与自动化加工技术,2010(3):27-33.
数控机床切削用量的确定 篇3
1 切削用量选择总原则
在实际中很难掌握, 要有丰富的实践经验才能够确定合适的切削用量。在数控编程时只能凭借编程者的经验和刀具的切削用量推荐值初步确定, 而最终的切削用量将根据零件数控程序的调试结果和实际加工情况来确定。切削用量选择原则是:粗加工时以提高生产率为主, 同时兼顾经济性和加工成本的考虑;半精加工和精加工时, 应同时兼顾切削效率和加工成本的前提下, 保证零件的加工质量。值得注意的是, 切削用量 (主轴转速、切削深度及进给量) 是一个有机的整体, 只有三者相互适应, 达到最合理的匹配值, 才能获得最佳的切削用量。确定切削用量时应根据加工性质、加工要求等方面的具体要求, 通过查阅切削手册并结合经验加以确定, 另外还应考虑刀具差异的影响、机床特性的影响、数控机床生产率的影响。
2 切削用量的分类
数控机床的切削用量包括背吃刀量、切削速度和进给量, 选择切削用量时, 应在保证加工质量的前提下, 在工艺系统刚度允许的条件下, 充分利用数控机床功率, 最大限度地发挥刀具的切削性能, 同时要使切削速度、背吃刀量和进给量三者能相互适应, 形成最佳的切削效果。粗加工时, 首先选取尽可能大的背吃刀量, 其次要根据数控机床功率和刚度的限制条件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:精加工时;首先要根据被加工表面的表面粗糙度要求选取进给量, 其次根据粗加工后的余量确定背吃刀量, 最后在保证刀具寿命的前提下, 尽可能选取较高的切削速度。
2.1 确定背吃刀量
背吃刀量的确定应在工艺系统刚度允许的前提下, 以最少的进给次数切除加工余量, 提高加工效率。当零件的加工精度和表面质量要求较高时, 还应注意保留半精加工和精加工所需的余量。背吃刀量的大小主要依据机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的刚度来决定, 在系统刚度允许的情况下, 为保证以最少的进给次数去除毛坯的加工余量, 根据被加工零件的余量确定分层切削深度, 选择较大的背吃刀量, 以提高生产效率。在数控加工中, 为保证零件必要的加工精度和表面粗糙度, 建议留少量的余量 (0.2～0.5mm) , 在最后的精加工中沿轮廓走一刀。粗加工时, 除了留有必要的半精加工和精加工余量外, 在工艺系统刚性允许的条件下, 应以最少的次数完成粗加工。留给精加工的余量应大于零件的变形量和确保零件表面完整性。
2.2 进给量或进给速度F的确定
进给量是直接影响零件加工表面粗糙度和切削效率的重要参数。进给量或进给速度在数控机床上使用进给功能字F表示的, F是数控机床切削用量中的一个重要参数, 主要依据零件的加工精度和表面粗糙度要求, 以及所使用的刀具和工件材料来确定。零件的加工精度要求越高, 表面粗糙度要求越低时, 选择的进给量数值就越小。实际中, 应综合考虑机床、刀具、夹具和被加工零件精度、材料的机械性能、曲率变化、结构刚性、工艺系统的刚性及断屑情况, 选择合适的进给速度。
在确定数控机床进给量时, 要考虑被加工零件的精度和表面粗糙度要求、刀具及零件的材料、机床的性能等因素。在保证加工表面质量的前提下, 应选择较大的进给量, 以提高加工效率。在数控车削编程中, 一般用进给量表示刀具进给速度, 单位为mm/r。如果编程中采用的是进给速度, 则需将进给量/ (mm/r) 转换成进给速度 (mm/min) , 程序编制时选定进给量后, 刀具中心的运动速度就一定了。在直线切削时, 切削点 (刀具与加工表面的切点) 的运动速度就是程序编制时给定的进给量。但是在做圆弧切削时, 切削点实际进给量并不等于程序编制时选定的刀具中心的进给量。采用FRN编程, 在做直线切削时, 由于刀具中心运动的距离与程序中直线加工的长度经常是不同的, 故实际的进给量与程序编制预定的FRN所对应的值也不同。在做圆弧切削时, 刀具的进给角速度是固定的, 所以切削点的进给量与编程预定的FRN所对应的值是一致的。由此可知, 当一种数控装置既可以用F编制程序, 也可以用FRN编制程序时, 做直线切削适宜采用进给量F编制程序, 做圆弧切削时宜采用FRN编制程序。
2.3 确定主轴转速n (r/min)
主轴转速n主要根据刀具允许的切削速度VC确定。切削速度VC与刀具耐用度关系比较密切, 随着VC的加大, 刀具耐用度将急剧下降, 故VC的选择主要取决于刀具耐用度。
主轴转速n确定后, 必须按照数控机床控制系统所规定的格式写入数控程序中。在实际操作中, 操作者可以根据实际加工情况, 通过适当调整数控机床控制面板上的主轴转速倍率开关, 来控制主轴转速的大小, 以确定最佳的主轴转速。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。
结束语
数控编程时, 编程人员必须确定每道工序的切削用量, 并以指令的形式写入程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法, 需要选用不同的切削用量。为了获得最高的生产率和单位时间的最高切除率, 在保证零件加工质量和刀具耐用度前提下, 应合理地确定切削参数。
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。在数控程序的编制过程中, 要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量。因此, 编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则, 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]吴道全.金属切削原理及刀具[M].重庆:重庆大学出版社.
深孔镗床切削用量的设计计算 篇4
关键词：机床设计,组合机床,切削用量
设计深孔镗床时,应从深孔镗床的切削用量及刀具分析入手,对车削镗杆、刀具进行设计,分析对零件加工质量的影响,以满足该零件的加工要求。
1 确定工序间余量
本机床的基本加工工序第一工位为粗镗,第二工位为精镗,在精镗时采用可转位刀片的微调镗刀头进行高速切削,从而保证了被加工孔的最后精度。我们以镗47-0+0..011014孔为例,因此采用了两面加工的方式(而由于其中一面只有一根轴参与切削,所以采用两面加工的方式完全能达到同轴度的要求)。
确定工序间余量应注意以下问题:
(1)工件经重新安装或用多工位机床加工,定位误差较大时,余量应适当加大。当工件在一次安装下半精加工时,精加工余量可小些。精镗H6~H7孔时,直径上余量一般不应超过0.4~0.5mm。
(2)粗镗时应考虑工件的冷硬层、铸造里皮和孔偏心,孔径余量一般应大于或等于6~7mm。
(3)在确定镗孔余量时,应注意余量对镗杆直径的影响。尤其是需要让刀时,加工余量和让刀量决定了镗杆直径需要削扁的程度。
粗镗孔时,应考虑工件冷硬层、铸孔偏心和铸造黑皮,直径上工序间余量一般不小于6~7mm,否则易损坏刀具。选择直径余量为6mm。
精镗孔时,本设计对Φ47和Φ70孔镗孔根据表1可查得直径上工序间余量为0.25~0.40mm,选择为0.30mm。
2 选择切削用量
确定了组合机床上完成的工艺内容后,就可以着手选择切削用量。切削用量的选择是否合理,对组合机床的加工精度、生产率、刀具耐用度、机床的布局型式及正常工作均有很大影响。
2.1 组合机床切削用量选择的特点
(1)在大多数情况下,组合机床为多轴、多刀、多面同时加工。因此,所选择的切削用量,根据经验应比一般万能机床单刀加工低30%左右。
(2)组合机床多轴主轴箱上所有刀具的每分钟进给量相同,且等于动力滑台的每分钟进给量。这个每分钟进给量(mm/min)应是适应于所有刀具的平均值。因此,同一主轴箱上的刀具主轴可设计成不同转速和每转进给量(mm/转)与其相适应,以满足不同直径工件的加工需要,即
由式(1)中:n1,n2,…,ni分别是各主轴转速,单位:转/分;f1,f2,…,fi分别是各主轴进给量,单位:毫米/转;vf是动力滑台每分钟进给量,单位毫:米/分。
2.2 确定切削用量应注意的问题
(1)尽量做到合理利用所有刀具,充分发挥其性能。由于连接于动力部件的主轴箱上同时工作的刀具种类不同且直径大小不等,因此其切削用量选择也各有特点。而同一主轴箱上的刀具每分钟进给量是相同的,要使每把刀具均有合适的切削用量是困难的。一般情况下可先按各类刀具选择较合理的主轴转速n(r/min)和每转进给量f(mm/r),然后进行适当调整,使各个刀具的每分钟进给量相同,都等于动力滑台的每分钟进给量vf。这样,各类刀具都不是按最合理的切削用量而是按一个中间切削用量工作。假如确实需要,也可按多数刀具选用一个统一的每分钟进给量,对少数刀具采用附加(增、减速)机构,使之按各自需要的合理进给量工作,以达到合理使用刀具的目的。
(2)复合刀具切削用量选择,应考虑刀具的使用寿命。进给量通常按复合刀具最小径选择,切削速度按复合刀具的最大直径选择。
(3)选择切削用量时,应注意零件生产批量的影响。生产率要求不高时,就没有必要将切削用量选择过高,以免降低刀具耐用度。对于生产率要求高的大批大量生产用组合机床,也只是提高那些耐用度低,刃磨困难,造价高的所谓“限制性”工序刀具的切削用量。组合机床通常要求切削优良的选择使刀具耐用度不低于一个工作班,最少不低于4小时。
(4)在确定镗孔切削速度时,除考虑保证加工精度、表面粗糙度、镗刀耐用度外,当镗孔主轴需要周向定位(镗杆送进、退出工件时,镗刀刀尖需处于规定方位)时,各镗轴转速应相等或成倍数。
(5)切削用量选择应有利于主轴箱设计。若能做到相邻主轴转速接近相等,则可使主轴箱传动链简单;某些刀具带导向加工,若不便冷却润滑,则应降低切削速度。
(6)选择切削用量时,还必须考虑所选动力滑台的性能。尤其是当采用液压滑台时,所选择的每分钟进给量应比一般动力滑台可实现的最小进给量大50%。否则,会由于温度和其他原因导致进给量不稳定,影响加工精度,甚至造成机床不能正常工作。
2.3 深孔镗床切削用量选择
必须从实际出发,根据加工精度、工件材料工作条件、技术要求等进行分析,按照经济地满足加工要求的原则,合理地选择切削用量。一般常用表查法,参照生产现场同类工艺,通过工艺试验确定切削用量。根据生产经验,在组合机床上进行孔加工的切削用量,推荐按表1选取。
如果设计工件材料HT200和刀具材料:硬质合金,查上面分别选择合理的v(m/min)、S0(mm/r)
又dπn=1000v,然后根据校核,分别得到合适的v和S0。
所以
式中:n———刀具转速(r/min)
v———刀具切削速度(m/min)
再由 SM=S0n(2)
式中:S0———刀具每转进给量(mm/r)
SM———动力滑台每分钟进给量(mm/min)
由式(2)分别算出粗镗大、小孔、精镗大、小孔时动力滑台的每分钟进给量。
粗镗小孔时
选择v=50m/min
取n=340(r/min)
反推出v=49.88m/min
因为本机床要求加工精度较高,所以选取S0时应适当降低点
同理可以得出如表2的数据:
深孔镗床主轴箱上所有刀具的每转进给量相同,且等于动力滑台的每分钟进给量。这个每分钟进给量(mm/min)应是适应于所有刀具的一个合理的值。
参考文献
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切削用量优化 篇5
1 切削用量的选择
1.1 切削用量的选择原则
切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量和加工成本均有显著影响。数控加工中选择切削用量时, 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:
1.1.1 粗加工时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切削速度。
1.1.2 精加工时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。
1.2 切削用量的选择方法
1.2.1 背吃刀量的选择
根据加工余量确定。粗加工 (Ra=10~80μm) 时, 一次进给量应尽可能切除全部余量。在中等功率机床上, 背吃刀量可达8~10mm。半精加工 (Ra=1.25~10μm) 时, 背吃刀量取为0.5~2mm。精加工 (Ra=0.32~1.25μm) 时, 背吃刀量取为0.2~0.4mm。
在工艺系统刚性不足或毛坯余量很大, 或余量不均匀时, 粗加工要分几次进给, 并且应当把第一、二次进给的背吃刀量尽量取得大一些。
1.2.2 进给量、每齿进给量和进给速度的选择
进给量和每齿进给量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。实际编程与操作加工时, 需要根据公式转换成进给速度。
粗加工时, 由于对工件表面质量没有太高的要求, 这时主要考虑机床进给机构的强度和刚性及刀杆的强度和刚性等限制因素, 可根据加工材料、刀杆尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量来选择进给量。
在半精加工和精加工时, 则按表面粗糙度要求, 根据工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度来选择进给量。如粗铣时可取20~25mm/min, 精车时可取0.10~0.20mm/r。
最大进给量受机床刚度和进给系统的性能限制。在选择进给量时, 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。
此外, 还应充分考虑切削的自然断屑问题, 通过选择刀具几何形状和对切削用量的调整, 使排屑处于最顺畅状态, 严格避免长屑缠绕刀具而引起故障。
根据已选定的背吃刀量、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。
切削速度确定后, 计算出机床主轴转速n (r/min) , 并填入程序单中, 对有级变速的机床, 须按机床说明书选择与所计算转速n接近的转速。
在选择切削速度时, 还应考虑以下几点:
a.应尽量避开积屑瘤产生的区域;
b.断续切削时, 为减小冲击和热应力, 要适当降低切削速度;
c.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;
d.加工大件、细长件和薄壁工件时, 应选用较低切削速度;
e.加工带外皮的工件时, 应适当降低切削速度。
2 切削液及其选择
在金属切削过程中, 合理选择切削液, 可改善工件与刀具之间的摩擦状况, 降低切削力和切削温度, 减轻刀具磨损, 减小工件的热变形, 从而可以提高加工效率和加工质量。
2.1 切削液的作用
2.1.1 冷却作用
切削液可降低切削区温度。切削液的流动性越好, 比热容、热导率和汽化热等参数越高, 则其冷却性能越好。
2.1.2 润滑作用
切削液能在刀具的前、后刀面与工件之间形成一层润滑薄膜, 可减少或避免刀具与工件或切屑间的直接接触, 减轻摩擦和粘接程度, 减轻刀具磨损, 提高工件的表面加工质量。
2.1.3 清洗作用
使用切削液可以将切削过程中产生的大量切屑、金属碎片和粉末, 从刀具、工件上冲洗掉, 从而避免切削粘附刀具、堵塞排屑和划伤已加工表面。这一作用对于磨削、螺纹加工和深孔加工等工序尤为重要。为此, 要求切削液有良好的流动性, 并且在使用时有足够大的压力和流量。
2.1.4 防锈作用
为了减轻工件、刀具和机床受周围介质 (如空气、水分等) 的腐蚀, 要求切削液具有一定的防锈作用。防锈作用的好坏, 取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的品种和比例。
2.2 切削液的种类
常用的切削液分为三类:水溶液、乳化液和切削油。
2.2.1 水溶液
水溶液是以水为主要成分的切削液。水的导热性能好, 冷却效果好。但单纯的水容易使金属生锈, 润滑性能差。因此, 常在水溶液中加入一定量的添加剂, 如防锈添加剂、表面活性物质和油性添加剂等, 使其既具有良好的防锈性能, 又具有一定的润滑性能。在配制水溶液时, 要特别注意水质情况, 如果是硬水, 必须进行软化处理。
2.2.2 乳化液
乳化液是将乳化油用95~98%的水稀释而成, 呈乳白色或半透明的液体。乳化液具有良好的冷却作用, 但润滑、防锈性能差。常加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂, 配制成极压乳化液或防锈乳化液。
2.2.3 切削油
切削油的主要成分是矿物油, 少数采用动植物油或复合油。纯矿物油不能在摩擦界面形成坚固的润滑膜, 润滑效果较差。实际使用中, 常加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂, 以提高其润滑和防锈。
2.3 切削液的选用
2.3.1 粗加工时切削液的选用
粗加工时, 加工余量大, 切削用量大, 产生大量的切削热。采用高速钢刀具切削时, 使用切削液的主要目的是降低切削温度, 减少刀具磨损。硬质合金刀具耐热性好, 一般不用切削液, 必要时可采用低浓度乳化液或水溶液。但必须连续、充分地浇注, 以免处于高温状态的硬质合金刀片产生巨大的内应力而出现裂纹。
2.3.2 精加工时切削液的选用
精加工时, 要求表面粗糙度值较小, 一般选用润滑性能较好的切削液。例如, 高浓度的乳化液或含极压添加剂的切削油。
2.4 根据工件材料的性质选用切削液
切削塑性材料时需用切削液。切削铸铁、黄铜等脆性材料时, 一般不用切削液, 以免崩碎切屑粘附在机床的运动部件上。加工高强度钢、高温合金等难加工材料时, 由于切削加工处于极压润滑摩擦状态, 故应选用含极压添加剂的切削液。切削有色金属和铜、铝合金时, 为了得到较高的表面质量和精度, 可采用10~20%的乳化液、煤油或矿物油的混合物。但不能用含硫的切削液, 因硫对有色金属有腐蚀作用。切削镁合金时, 不能用水溶液, 以免燃烧。
结束语
在金属切削加工中, 切削用量和切削液选择的是否合理, 关系到零件的加工质量和加工效率, 同时也关系到零件的制造成本, 是实际生产工作中不可忽视的内容, 也是我们今后进一步研究的课题。
参考文献
[1]王丽洁.数控加工工艺与装备[M].北京:清华大学出版社, 2006.
浅谈数控车削中切削用量的选择 篇6
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.
切削用量优化 篇7
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。