切削参数（精选7篇）
切削参数 篇1
0引言
在自动化加工中, 切削参数及切削力是影响加工质量的重要因素, 对切削力及切削参数的分析是合理选择刀具、切削功率及夹具的前提。为了更好更方便地对切削数据进行分析, 各国相继建立了金属切削数据库。切削数据库的建立不仅方便了编程人员对切削参数的储存、查询及调用, 而且为实现网络共享及在线切削监控打下了坚实的基础。长期以来, 切削数据库中数据的可视化技术也是一个重要的研究方向, 通过对切削力及切削参数图形的认识, 编程及分析人员可以直观地对各种加工情况进行比较分析, 这对提高生产率有积极的推动作用。本文提出了一种利用MATLAB和C++软件实现Access中切削数据可视化的方法。
1系统总体结构
众所周知, MATLAB具有强大的图像处理及显示功能, 而C++语言与MATLAB相比则具有代码执行效率高、可移植性强、易于隐藏算法等优点, 综合考虑这两个软件的优缺点之后, 决定采用MATLAB作为切削参数的可视化工具, 而C++作为系统开发的平台, 负责执行编辑系统执行程序、调用数据库数据和MATLAB引擎的任务。实现MATLAB与C++混合编程的方法有8种:使用MATLAB引擎、使用ActiveX控件、使用MAT文件共享数据、使用C-MEX技术、使用MATLAB COM Builder、使用Mideva工具、使用MATLAB Add-in以及使用MATLAB编译器。本系统之所以选择使用MATLAB引擎的编程方式是因为此编程方式采用的是C/S模式, 相当于在后台启动了一个MATLAB进程, 这样便可以使用MATLAB中的所有图形处理及显示程序, 和其他编程方式相比可以实现更多图形显示及处理功能, 这无疑是最适合本系统的方法。在选择C++访问数据库的技术方面, Visual C++提供了5种相关技术:ODBC、MFC ODBC、DAO、OLE DB和ADO。其中, MFC由于封装了ODBC API, 编写程序时非常简便, 因此选择MFC作为开发数据库技术。系统总体结构如图1所示。
2数据可视化的实现
本文的试验数据为CA6140B车床的车削加工数据, 采集和储存系统及过程这里不做介绍, 采集的数据为切削速度及切削力两部分。可视化的实现过程分为以下3步:①在利用C++程序创建工程之前需对数据源进行注册, 并设置MATLAB引擎以实现在C++中对数据库和MATLAB引擎的调用;②利用C++建立工程项目、编辑对话框以及关联变量;③编写程序实现数据可视化。
2.1 注册数据源及设置MATLAB引擎
注册数据源是在利用C++创建工程项目之前进行的, 采集的数据包括了切削速度及切削力两部分, 由数据储存系统将数据自动储存到“cut.accdb”数据库中。对数据源进行注册的方法是:选择控制面板进入管理工具, 选择数据源命令, 进入数据管理器, 单击“添加”按钮, 选择“Microsoft Access Driver (*.mdb, *.accdb) ”选项, 并在选择数据源名时在相应储存路径下选择“cut”, 单击完成按钮即完成对数据源的注册。对MATALB引擎的设置是在创建项目时进行的, 要在VC++中调用MATLAB引擎, 必须包含头文件engine.h并引入MATLAB中对应的库文件libmx.lib、libmat.lib、libeng.lib。具体步骤如下:首先启动VC++, 在菜单/工程选项中打开“选项”页, 进入“目录”页面, 找到Include files, 并添加MATLAB相应的安装路径下的externinclude;然后选择Library files, 添加路径为MATLAB安装路径下的externlibwin32microsoftmsvc60和externlibwin32;最后通过菜单工程/设置, 打开属性设置页面, 在Link处添加文件名libmx.lib、libmat.lib、libeng.lib, 即完成对MATLAB引擎的设置。
2.2 创建工程编写可视化程序
在创建工程项目时选择选项卡中的“MFC AppWinzard[exe]”选项, 项目名称为“visualization”, 其他保持默认值, 然后一直单击“Next”直到完成对项目的创建。在创建完成后切换“WorkSpace”到“ResourceView”选项卡编辑对话框, 根据实际情况设计合适的对话框, 并在设置好对话框之后对每个成员设置变量关联, 以保证对话框的输入和输出。选中“View|ClassWizard”中的“成员变量”, 选择“添加变量”之后在“添加成员变量”对话框中依次输入变量名及变量值并选择变量类型, 保存之后展开“CDemo01Dlg”类, 对件数内容进行修改, 其主要代码如下:
#include"stdafx.h"
#include
#include
#include"engine.h" 包含MATLAB引擎头文件
… …
voidCDemo01Dlg∷Onok ()
{UpdateData (TURE) ; 更新关联
try{ m-pdatabase=new CDatabase; 定义CDatabase类型指针
m-pdatabase->Open (-T ("cut") , FALSE, FALSE, -T ("ODBC;DSN=cut") , FALSE) ;建立数据连接
m-pset=new CRecordset () ;
m-pset->m-pDatabase=m-pdatabase;}
catch (CDBException* e)
{e->ReportError () ; 判断数据库连接
if (!m-pdatabase->IsOpen () ) return FALSE;
if (!m-pset) return FALSE;
try{BeginWaitCursor () ;
if (m-pset->IsOpen () ) m-pset->Close () ;连接成功则指针指向close () 类函数
m-pset->Open (CRecordset::dynaset, strSQL) ; 返回数据库记录集, 并动态更新数据
… …
for (int n=0;n
{m-pset->GetODBCFieldInfo (n, fieldinfo) ;
while (!m-pset->IsEOF () ) {
for (int j=0;j
… …
Engine *ep; 定义MATLAB引擎指针
If (! (ep=engOpen (NULL) ) )
{cout<<"engine start error"<
mxArray *x=mxCreatDoubleMatrix (1, N, mxREAL) ; 定义mxArray为1行weCount列数组
memcopy (mxGetPr (x) , ss, N*sizeof (double) ) ; 复制x数组到ss数组中
engPutVariable (ep, "ss", ss) ; 将数组写入到MATLAB工作空间
… …
engEvalString (ep, "y=0:0.2:100") ; 数据采集时间间隔为0.2 s
engEvalString (ep, "plot (ss, y") ; 绘制参数变化曲线
engEvalString (ep, "y label ('speed') " 在Y轴标注speed
engEvalString (ep, "xlabel ('t') "; 在X轴标注t
engEvalString (ep, "hold on") ; 叠加绘图模式
… …
mxDestroyArray (x) ; 销毁数组
engClose (ep) ;} 关闭MATLAB引擎
2.3 实例运行结果及分析
图2为加工零件, 图3为数据可视化结果。从图3中可以直观地看到切削力及切削速度在加工过程中的变化:当由B点加工到C点时由于切削速度及切削深度同时增大导致切削力有了明显的增加;当由C点向D点加工时, 虽然切削速度没有变化, 可是由于切削深度的变化导致了切削力的增加。
3结语
通过对实例的分析可知, 切削参数的可视化可以帮助加工及编程人员直观地了解切削参数的变化范围及方向, 这不仅有利于工作人员对切削时各切削参数的变化进行直观认识, 而且可以帮助工作人员判断实际加工过程中机床的工作情况, 如机床实际工作效率等, 以便根据实际数据对机床进行调整, 最大限度地提高机床的工作效率。当然, 利用数据可视化技术亦可以对其他参数进行可视化操作, 相信其将在更多的领域得到应用。
参考文献
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切削参数 篇2
现在的大多数商用CAM软件没有考虑加工切削力和被加工表面的形状特征等物理特性。利用这些CAM软件生成的刀具轨迹在加工时会出现切削力突变的现象。切削力的变化会引起变形误差、热变形误差及振动误差。这些误差都直接影响工件成形误差的大小[1]。许多学者为了提高工件加工质量和加工效率, 针对切削参数优化进行了大量研究。翟玉山等[2]以材料去除率为约束来优化二维铣削的进给率;Wang[3]将材料去除率作为控制指标来改变数控程序中的进给率;刘长清等[4]在对加工过程进行仿真并预测切削力的基础上, 利用粒子群优化算法来优化数控程序中的进给率和主轴转速, 达到对加工过程优化和控制的目的;Lim等[5,6]提出了使用加工模拟程序帮助NC编程人员规划走刀路径和选择进给率的思想;Kim等[7]利用仿真获取刀具的有效直径, 通过改变主轴转速来达到以恒速度切削的目的。
笔者在前人研究成果的基础上, 首先建立了球头铣刀主切削力的力学模型, 然后在切削力基本恒定的约束下, 利用线性经验公式对数控加工中的NC代码进行切削进给率的优化, 以达到减小甚至消除加工中切削力突变的目的, 从而减小或者消除切削力突变给机床带来的损坏, 减缓刀具的磨损, 防止刀具折断、扎伤工件, 提高加工件的质量。仿真结果表明, 采用优化以后的NC代码能显著缩短加工时间, 提高加工效率。
1 球头铣刀力学模型
文献[8,9,10]建立了多个切削力力学模型。为简化问题, 本文采用文献[10]中的主切削力模型, 该模型比较简单, 计算所得主切削力的准确程度依赖于单位切削力的经验值, 可以满足本文研究的要求。主切削力作用在铣刀外圆的切线上, 它消耗了机床动力的大部分功率[11]。
1.1 球头铣刀主切削力模型
主切削力模型如图1所示。当apo≤R时, 如图1a所示, 切削力公式为[10]
式中, F为铣削主切削力;aeo为铣削行距;fz为铣刀每齿进给量;Z为铣刀齿数;apo为铣削深度;R为铣刀球面半径;p1、p2分别为不同切削层的单位切削力;h为球头铣刀铣削行距间的铣削残留面积高度。
当apo>R时, 如图1b所示, 切削力公式为[10]
式中, p3为 (apo-R, 0) 切削层之间的单位切削力。
单位切削力p4与切削层厚度的关系为
p4=p5/huav (3)
其中, huav为切削层公称厚度;u为指数, 表示hav对切削层单位面积切削力的影响程度。当切削层公称厚度和公称宽度各为1mm时, p5为切削层单位切削力[10]。
(1) 当R-apo≤z≤0时, hav=aeofz/[Rarccos (1-aeo/R) ], 将hav代入式 (3) 得单位切削力p4:
p4=p3=p5[Rarccos (1-aeo/R) / (aeofz) ]u (4)
(2) 当R-h≤z≤R时, hav=2fz/π, 将hav代入式 (3) 得单位切削力p4:
p4=p1=p5[π/ (2fz) ]u (5)
(3) 当0<z<R-h时, 切削层厚度hav随z的变化而变化。
但由于指数u很小, 因此hav随z变化不大, 则以球头铣刀参与切削的切削层厚度hav的平均值havp来计算单位切削力, p4=p5/huavp。
当apo≤R时, havp=∫
p4=p2=p5/huavp=p5/[∫R-hR-apohav/ (apo-h) dz]u (6)
当apo>R时, havp=∫
p4=p2=p5/huavp=p5/[∫
1.2 刀轴不垂直于被加工曲面时切削力的计算
在用球头铣刀进行铣削的时候, 如果刀轴不垂直于被加工曲面, 如图2所示, 则参与切削的切削刃起点不是刀尖的顶点, 需要对1.1节中的铣削力F进行修正, 设F′=F-ΔF。F′为修正后的主切削力, ΔF为从球头铣刀刀尖开始到参与切削的切削刃起点这一段的切削力。
当hh≤h时
ΔF1=∫
当hh>h时
所以修正以后的切削力公式如下:
当apo≤R且hh≤h时
当apo≤R且hh>h时
当apo>R且hh≤h时
当apo>R且hh>h时
2 切削力优化公式
文献[12]给出了关于切削进给率和期望切削力之间的一个线性关系式:
i=1, 2, 3, …, C
式中, C为刀位轨迹中刀位点的序号;f1为给定的进给率, f2=2f1 (为了获得线性关系) ;F1, i为第i个刀位点进给率为f1时的切削力;F2, i为第i个刀位点进给率为f2时的切削力;flim, i为经过优化得到的第i个刀位点的进给率;Flim为设定的期望切削力。
该关系式可以使得切削力保持在期望切削力附近。
3 数控加工刀轴控制方式
Erdim等[12]分析了球头铣刀的进给运动, 见图3。从图3中可以看出, 球头铣刀在进行下行斜面铣削加工、上行斜面铣削加工以及平面铣削加工时, 切削厚度是不同的, 因此, 切削力也是不同的。在自由曲面的铣削加工中, 下行斜面铣削加工、上行斜面铣削加工和平面铣削加工状态会交替出现, 从而造成切削力的不断变化, 恶化了切削条件。
在加工自由曲面的过程中, 如果条件允许, 应使刀轴矢量始终垂直于被加工曲面, 刀轴矢量与进给速度矢量夹角为90°。这样, 切削厚度波动范围缩小, 减小了铣削过程中切削力的突变, 使得切削平稳。但是需要注意的是, 当刀轴垂直于工件表面时, 球头铣刀刀尖的线速度为零, 与加工件处于摩擦状态, 这样会增加刀具在切削过程中的发热, 影响加工质量, 所以在优化参数时应考虑将刀轴适当倾斜一个角度, 以改善发热的不良状态。
随着刀具轴线相对于刀具铣削方向倾斜的角度β的增大, 切削力变化的趋势是减小的;但是当倾角β达到15°之后, 随着倾角的增大, 切削力的减小趋势不再明显[13]。
4 切削力基本恒定约束下切削进给率的优化仿真
4.1 加工曲面的选取
选取加工曲面时需要考虑如下问题:①考虑机床刀轴转速的变化, 曲面的曲率变化率不能太大;②曲面的波峰波谷不可以太接近, 以免造成干涉。
本文选取的材料为镁合金, 其参数为p5=25MPa, u=0.19[14]。选取的加工曲面的截面曲线为椭圆, 长半轴长为100mm, 短半轴长为5mm。截选了宽为160mm的上半部分来进行加工仿真。为便于研究, 所选取的整个曲面的曲率较小。
设定的切削参数如下:进给率f=3mm/s, 铣削行距aeo=3mm。选用半径为5mm的球头铣刀, 铣刀齿数Z=3, 选用五轴数控机床, 采用的刀轴控制方式为Pattern Surface。
4.2 仿真结果
设定优化后切削力的期望值为400N, 根据球头铣刀主切削力模型和Master CAM生成的NC代码计算切削力F1, i, 然后将进给率f加倍, 其他切削参数保持不变, 根据式 (1) 和式 (2) 计算切削力F2, i, 并根据式 (15) 来计算优化后的进给率flim, i, 最后将计算出的进给率插入到原来的NC代码中进行优化。优化前后的切削力变化曲线如图4所示。切削力的比较见表1。
从表1中的数据可以看出, 优化前, 当进给率为f时切削力的变化幅值为230.231N, 当进给率为2f时, 切削力的变化幅值为403.644N, 而优化后的切削力的变化幅值仅为6.936N, 是优化前进给率为3mm/s时变化幅值的3%, 是进给率为6mm/s时的变化幅值的1.7%。
图5所示为优化前后的进给率变化曲线, 优化前的进给率恒定, 为3mm/s, 比较进给率可知, 优化后加工效率明显提高。
从图4中可以看出, 在恒定的进给率下, 随着刀具的移动, 切削力先减小、后增大, 造成切削力波动。利用式 (15) 对进给率进行优化后, 在优化前主切削力较小的地方采用较大的进给率, 从而保证了切削力基本维持恒定, 如图4中优化后曲线所示。
本文就该优化方法与普通三轴自由曲面加工和三轴Highfeed优化加工方式的效率作了比较。切削加工参数如下:p5=275MPa, u=0.19, 进给率f=3mm/s, 铣削行距aeo=3mm, 采用半径R=5mm的球头铣刀, 铣刀齿数Z=3。三种方式的加工时间见表2, 加工时的切削力如图6所示。
从图6a可以看出, 在切削力基本恒定的约束下, 对NC代码进行进给率优化后, 切削力基本维持不变, 从图6b中可以看出使用Master CAM的Highfeed模块对程序进行优化, 优化后的切削力变化较大, 且在加工中出现2个波峰。
高速切削加工的加工时间比普通三轴加工方式缩短了84%, 但是切削力有较大波动;而本文提出的优化加工方式, 不仅在加工时间方面比普通三轴加工方式缩短了42%, 而且切削力在加工过程中基本保持不变。与普通的三轴加工方式相比, 本文建立的优化加工方式在时间与切削力方面都有很大的优势。
切削力基本恒定约束下自由曲面优化加工考虑了切削加工中实际的物理过程, 可以减小机床因为力的波动而产生的振动以及超负荷, 可以延长刀具的寿命且避免刀具折损, 优于Highfeed加工方式。
5 结束语
针对铣削加工中常用的球头铣刀, 建立了球头铣刀的主切削力模型, 该模型考虑了切削厚度对单位切削力的影响, 并对当参与切削的切削刃的起始点不是球头铣刀球头顶点时切削力的计算进行了修正, 探讨了在切削力基本恒定约束下切削进给率的优化。在切削力基本恒定约束下, 切削进给率的优化减小了加工中切削力的波动, 减小了加工中的设备损坏率和刀具的磨损, 延长了它们的使用寿命, 节约了成本, 同时优化以后显著缩短了加工时间, 提高了生产效率。
摘要：针对球头铣刀的铣削特点, 建立了铣削的力学模型。利用经验公式, 在保持切削力基本恒定的约束下, 对加工自由曲面的NC代码进行了进给率的优化, 从而减小切削力的波动, 提高数控加工件的质量和加工效率, 延长刀具的使用寿命并避免刀具折损等现象。建立了在切削力基本恒定的约束下的加工优化原型系统, 并用实例进行了验证。
切削参数 篇3
太阳轮轴是变速恒频双馈式风电机组的风电齿轮箱中的关键零件之一,该齿轮箱具有重量轻、体积小、传动比大、传动效率高、运动平稳、工作可靠、使用寿命高、抗冲击和抗振动能力较强等特点,该零件不仅对齿轮精度要求高,对花键精度要求也高。
在一定的设计和使用条件情况下,齿轮及渐开线花键的寿命是由原材料和工艺过程决定的。同时,其表面粗糙度及精度对工作性能和使用寿命也有着重要影响,本文以霍夫勒滚齿机滚切加工渐开线花键中遇到的质量问题为切入点,以提高花键螺旋线总偏差的精度和齿面粗糙度为目标,从提高生产效率,降低生产成本的角度出发,研究了用霍夫勒设备加工花键的最佳切削参数,重点对切削速度、进给量、滚切方式对花键精度的影响进行了研究。对这一风电齿轮箱中的典型零件的工艺过程进行分析,对花键加工的切削参数进行优化论证,对其它风电齿轮的零件切削参数的优化有一定的指导和借鉴作用。
1太阳轮轴花键加工工艺概述
1.1太阳轮轴零件特点和工艺过程
太阳轮轴(如图1所示)是一级行星+两级平行轴结构的齿轮箱中最主要的齿轮零件之一。对齿轮来讲,为提高齿轮传动承载能力、传动的平稳性、可靠性和强度,减少噪声和振动,一般需齿廓修形和齿向修形。对渐开线花键来讲,则既可滚切成形,也可磨削成形。
太阳轮轴的工艺过程为:材料检验→下料→锻造毛坯→正火→齿坯加工→齿形加工→齿端倒角→渗碳淬火→超声波探伤→安装基准面的精加工(深孔钻、车、钻、铣、钳、磨外圆)→滚花键→齿形精加工(磨齿)→烧伤检测→磁粉探伤。
1.2太阳轮轴花键介绍
1)花键定义和分类。两零件上借助内、外圆柱表面上等距分布且齿数相同的键齿相互联结、传递转矩或运动的同轴零件,称为花键。按花键齿的形状可分为角形花键和渐开线花键。角形花键又可分为矩形花键和三角形花键;按配合可分为内花键和外花键。其中,在内圆柱表面上的花键称为内花键,在外圆柱表面上的花键称为外花键。
2)太阳轮轴花键。渐开线花键有3种齿形角(30°,37.5°,45°)和2种齿根(平齿根和圆齿根),太阳轮轴采用的是具有渐开线齿形的平齿根外花键,其主要技术要求见表1。由于齿廓为渐开线,受载时轮齿上有径向分力,能起到自动定心作用,使各齿承载均匀、强度高、寿命长。其加工可采用直接滚切到位,加工效率高,同时成本低;也可采用先用磨前滚刀粗加工,再磨削加工的方式进行,这种加工方式精度高,成本也高。
2太阳轮轴花键切削参数优化
2.1滚切花键加工情况
太阳轮轴的渐开线花键加工采用德国进口的霍夫勒设备进行滚齿加工,该设备具有高速、高效、高精度等特点,拥有高的刀具主轴转速和高的工作台转速,直线运动轴的定位精度小于0.008 mm,重复定位精度小于0.005mm。采用滚齿加工具有生产效率高、精度高等特点,适合于齿形的粗、精加工。
太阳轮轴外花键原采用的切削参数为:逆滚,切削速度25 m/min(滚刀转速n0=1000V/da0=80 r/min),轴向进给量第一刀1 mm/r,第二刀0.8 mm/r,切削深度第一刀5.5mm,第二刀0.8 mm,输入工件参数(模数、齿数、压力角、螺旋角、螺旋方向、齿宽、齿顶圆直径、装夹高度等)和刀具参数(模数、直径、头数、斜率方向、压力角、安装位置、刀具宽度、可用宽度等)后,设备自动生成程序加工。
按以上参数加工的花键,如果不附加修正,滚齿后存在一定锥度,程序附加修正(0.01~0.02 mm的插补)后,大小头能控制在0.02 mm以内,但有轻微啃刀现象,螺旋线总偏差(齿向)线性不好,存在波浪齿面、连续大台阶面、小平面凸出台阶等情况(如图2~图4所示),相邻波峰-波谷的振幅最大10μm,最小2~3μm,随机出现高度4~10μm的阶梯齿面(在机床不使用插补程序的情况,花键相邻波峰-波谷的振幅2~3μm,但大小头严重,公法线超出公差范围)。
2.2存在的问题
对螺旋线总偏差处于公差下限(0.014~0.017)的花键(其余超差的花键后续采用磨齿加工)经加载试验,100%额定载荷2 h,花键有损伤,表层脱落形成白色马氏体薄层(表面因摩擦热二次淬火形成),经分析,排除了材料(化学成分、力学性能、金相分析合格)、齿廓总偏差(齿形)精度、热处理硬度、零件同轴度等原因影响,最后集中反映到花键齿面振纹对花键的损伤有显著影响。
经分析,必须提高螺旋线总偏差精度及表面质量,使用插补程序加工外花键时,要求相邻波峰-波谷的振幅在3μm内,出现齿面台阶时,高度不超过6μm,且不允许出现小平面凸出台阶或连续的台阶面。
2.3螺旋线总偏差不好原因分析
滚齿过程比较复杂,引起螺旋线总偏差大的原因也较多。总的来讲,是由机床、刀具、齿坯的制造和装夹等方面的误差造成,具体可能的原因如表2所示。
按照表2,对可能引起螺旋线总偏差大的设备、刀具、夹具、工件的原因进行了逐项排查,检查情况为合格或打表都在0.01 mm以内,但螺旋线总偏差还是不能稳定并处于公差要求的下限,于是,怀疑切削因素和滚削方式造成的螺旋线总偏差及粗糙度不好。
2.4切削参数优化
切削速度与进给量的选用,应当以保证工件质量、提高生产率、延长滚刀寿命为前提,再根据机床、工件、刀具系统的刚度、工件的模数、齿数、材料及精度要求等来综合考虑。按照“滚齿加工中粗加工时可以采用较低的切削速度,较大的进给量;精度高、模数小、材料较硬的齿轮可以用高的切削速度,小的进给量”思路,同时,考虑到顺滚的齿面粗糙度比逆滚小,对滚切方式进行了变化后进行探索和试验(见表3)。
从表3可以看出,滚削方法变化对花键精度有一定影响,顺滚不仅能降低表面粗糙度,而且螺旋线总偏差精度更趋于稳定;切削速度的提高可以大大节约加工时间,提高生产效率。第三种切削参数加工时间最短,但刀具磨损较大;从加工花键的精度来看,要比第一种切削参数效果好,但比第二种切削参数的效果略低一些。
因此,从延长刀具的寿命出发,建议采用第二种切削参数加工(加工螺旋线总偏差测量结果如图5所示)。
3结论
花键螺旋线总偏差精度和齿面粗糙度是影响花键太阳轮轴可靠性的一个重要因素,太阳轮长轴的加工,采用合理的切削参数切削,既可延长刀具寿命,又能降低齿面粗糙度,提高螺旋线总偏差精度,减少齿面粗糙度对齿面微点蚀的产生,延长花键寿命,增强抗疲劳能力有十分明显的影响。
经后续加载试验,采用第二种切削参数加工的花键能够满足产品的使用要求,减少了花键的磨削加工工序,大大地提高了效率,节约了生产成本。
参考文献
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切削参数 篇4
关键词：铣削,背吃刀量,进给速度,切削速度
0 引言
在数控铣床加工中, 切削参数的选择是广大从业人员感到棘手的问题之一, 特别是对于初学者而言, 更是觉得无从下手。而选择正确的切削参数, 对数控铣削加工有着非常重要的意义。我们知道, 在数控铣床上加工工件时, 即使是同一加工过程, 但选用不同的切削参数, 会得到不同的切削效果, 如果切削参数选择得合理, 就能保证工件的加工质量, 延长刀具的使用寿命, 最大限度地发挥机床潜力, 充分发挥刀具的切削性能, 同时获得高生产率和低加工成本。
1 切削参数的选择原则
切削参数包括三个方面的内容:切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap。切削参数的变化对加工质量、切削力、切削功率、刀具磨损和加工成本均有较大影响。数控铣削加工选择切削参数的目的, 就是在保证铣削加工质量和铣削刀具耐用度的前提下, 尽可能地发挥机床性能和刀具切削性能, 得到高的切削效率, 低的加工成本。
1.1 粗铣
粗铣的目的是为了尽快去掉大部分加工余量, 选择铣削参数时, 可以按下述方法进行:首先确定背吃刀量, 取尽可能大的值;然后要根据机床的功率和加工系统的刚性, 确定尽可能大的进给量;最后根据铣削刀具的耐用度确定合适的切削速度。
1.2 精铣
精铣的目的是为了获得较好的表面质量和相应的尺寸精度, 选择铣削参数时, 可以按下述方法进行:首先确定背吃刀量, 精加工的背吃刀量等于粗加工后的余量;然后选取适当的进给量, 以保证图纸所标注的表面粗糙度要求;最后在保证铣削刀具耐用度及机床功率限制的前提下, 尽可能选取较高的切削速度。
2 切削参数的选择方法
2.1 背吃刀量的选择
如图1所示, 刀具切入工件后的吃刀量包括背吃刀量ap和侧吃刀量aw两个方面。
1) 背吃刀量ap。在机床、工件和刀具刚度满足的情况下, 背吃刀量可以等于加工余量, 即尽量做到一次进给铣去全部的加工余量, 这是提高生产率的一个有效措施。只有当表面粗糙度要求Ra值小于6.3μm时, 为了保证零件的表面粗糙度和加工精度, 才需要考虑预留一定的余量进行精加工。
2) 侧吃刀量aw。侧吃刀量也称为切削宽度, 在编程软件中称为步距, 一般切削宽度与刀具直径D成正比。在粗加工中, 步距取得大些有利于提高加工效率。使用平底刀进行切削时, 一般取aw= (0.6~0.9) D;而使用圆鼻刀进行加工时, 刀具实际直径应扣除刀尖的圆角部分, 即d=D-2r (d为刀具实际直径, r为刀尖圆角半径) , 而aw可以取到 (0.8~0.9) d;在使用球头刀进行精加工时, 步距的确定应首先考虑所能达到的精度和表面粗糙度。三精取床件
3) 背吃刀量ap和侧吃刀量aw与表面质量的要求。a.在工件表面粗糙度值Ra12.5~Ra25时, 如果周铣的加工余量小于5 mm, 面铣的加工余量小于6 mm时, 粗铣一次进给就可以达到要求。但在余量较大、工艺系统刚性较差或机床动力不足时, 可分两次进给完成;b.在工件表面粗糙度值Ra3.2~Ra12.5时, 可分粗铣和半精铣两步进行。粗铣时选择背吃刀量或侧吃刀量尽量做到一次进给铣去全部的加工余量, 工艺系统刚性较差或机床动力不足时, 可分两次进给完成。粗铣后留0.5~1 mm余量, 在半精铣时切除;c.在工件表面粗糙度值Ra0.8~Ra3.2时, 可分粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5~2 mm;精铣时, 周铣的侧吃刀量取0.3~0.5 mm, 面铣刀背吃刀量取0.5~1 mm。
2.2 每齿进给量fz的选择
粗铣时, 限制进给量提高的主要因素是切削力, 进给量主要是根据铣床进给机构的强度、刀杆的刚度、刀齿的强度及铣床、夹具、工件的工艺系统刚度来确定。在强度和刚度许可的条件下, 进给量可以尽量选取得大一些。精加工时, 限制进给量提高的主要因素是表面粗糙度。为了减少工艺系统的振动, 减小已加工表面的残留面积高度, 一般选取较小的进给量。每齿进给量的选择方法如下:
1) 一般情况下, 粗铣取大值, 精铣取小值;
2) 对刚性较差的工件, 或所用的铣刀强度较低时, 铣刀每齿进给量应适当减小;
3) 在铣削加工不锈钢等冷硬倾向较大的材料时, 应适当增大铣刀每齿进给量, 以免切削刃在冷硬层上切削, 导致加速切削刃的磨损;
4) 精铣时, 如果铣刀安装后的径向圆跳动量及轴向圆跳动量加大, 则铣刀每齿进给量应相应地减小;
5) 用带修光刃的硬质合金铣刀进行精铣时, 只要工艺系统的刚性好, 铣刀每齿进给量可适当增大, 但修光刃必须平直, 并与进给方向保持较高的平行度, 这就是所谓的大进给量强力铣削。大进给量强力铣削可以充分发挥铣床和铣刀的加工潜力, 提高铣削加工效率。
确定铣刀每齿进给量fz后, 进给速度F=fzzn。式中:z为铣刀的齿数;n为转速, r/min。
2.3 切削速度vc的选择
在铣削加工时, 切削速度vc也称为单齿切削量, 单位为m/min。提高切削速度是提高生产效率的一个有效措施, 但切削速度与刀具寿命的关系比较密切。随着切削速度的增大, 刀具寿命急剧下降, 故切削速度的大小主要取决于刀具寿命。同时, 切削速度确定还要根据工件材料的硬度作相应的调整。
确定了切削速度vc后, 主轴转速n=1 000vc/ (πD) , 式中, D为刀具直径, mm。
在选择切削速度时, 还应考虑以下几点:a.要尽量避开容易产生积屑瘤的速度范围;b.断续切削时, 会产生较大的冲击力和热应力, 此时要适当降低切削速度;c.切削速度的取值应避开系统自激振动的临界速度;d.加工较大的大件、细长轴和薄壁工件时, 为了避免产生较大的热变形, 应选用较低的切削速度;e.加工有氧化层的工件时, 应适当降低切削速度。
2.4 机床功率的校核
切削功率pe可用下式计算:pe=Fc×vc×10-3/60。式中, Fc为主切削力, N。
机床有效功率pe′按下式计算:pe′=pe×η。式中, η为机床传动效率。
如果pe
如果pe>pe′, 则选择的切削参数不能在指定的机床上使用, 这时可调换功率较大的机床, 或根据所限定的机床功率降低切削参数 (主要是降低切削速度) 。这时虽然机床功率得到充分利用, 但刀具的性能却未能充分发挥。
3 结语
按照以上介绍的方法所选择的铣削加工参数, 一般都能满足生产的需要, 收到较好的效果。但数控加工的多样性、复杂性以及各种各样的数控刀具, 决定了铣削加工参数不是一成不变的。在实际加工过程中, 要根据具体情况对相关参数进行修调, 以获得最好的切削效果。
参考文献
[1]张超英, 罗学科.数控机床加工艺、编程及操作实训[M].北京:高等教育出版社, 2006.
切削参数 篇5
在机械零件的加工中, 切削效率、精度和刀具寿命是主要的研究问题。高切削效率可以降低制造成本;高精度可以提高质量, 延长刀具寿命, 因此许多研究都集中在加工参数的优化上, 从而显著地提高加工效率和保证零件质量。通常吃刀量和主轴转速是根据工件材料及刀具材料而确定的, 而进给速度是根据工作经验而确定的;这种进给速度往往是慢速的, 其原因是:如果进给速度过高, 表面质量就会降低, 刀具磨损严重, 甚至折断。保守的进给速度并非是根据切削力的变化而变化, 因此进给速度应调整成具有自适应的特点[1]。
本文提出一种通用智能数控铣床进给速度的确定方法。首先切削力模型被简化, 且引出一个加工参数的实验数据群。然后, 通过径向和轴向背吃刀量以及进给速度的3个典型加工参数, 建立一种模糊逻辑切削力预测系统。再根据零件的几何特征, 计算接触角度, 从而判定切削力以确定最佳的进给速度。最后, 通过切削实例, 证明此方法的优点。又将此方法与传统方法比较, 得到结果且进行了模拟仿真。
2 相关工作
切削力预测和优化确定进给速度的研究已进行了很长时间。韩国学者S.H.Bae[3]提出的办法是利用一个简单的规划切削力方法来调整进给速度, 从而达到优化加工的目的[5]。这种做法首先计算刀具接触角来衡量切削力的大小, 建立了刀具接触角和径向切削深度两个方面的关系。然后建立一个简化的切削力模型来测试功率。最后, 通过自动进给速度的调整来寻找适当的进给率。这种做法与传统加工方法相比较, 能得到较为稳定的确定进给速度模型和较准确的切削力模型。不过, 由于没有考虑到轴向切削深度, 此方法不适用于轴向切削深度变化的情况。另一方面, 由于此方法是通过Bezier曲面构造了切削力的数学模型, Bezier曲面容易容易造成模型波动, 所以该模型不能很好并正确地反映切削力的大小。
美国学者D.W.Cho等[4]人提出了利用零件表面质量评定而确定优化进给率的表面精度和粗糙度模型[6]。这种方法分析了在铣削加工中由于进给速度变化对零件表面粗糙度和尺寸精度的影响, 并对进给速度进行优化。提出了在保证零件表面精度和粗糙度情况下的最大材料切除率法, 利用数学理论二分法进行进给速度优化。但是, 由于二分法只能对线性系统有效, 对于非线性系统, 二分法很难优化进给速度。
虽然这两种方法可以优化进给速度, 但它们很难用于通用的加工中。本文提出的方法是一种实用性和通用性较强的新颖的优化方法, 是一种根据轴向切削深度确定最佳进给率的方法[4]。
3 数控铣削的加工实验数据库
由于工件材料、刀具材料和尺寸不同, 切削力、切削深度和进给速度之间的关系是非常复杂的, 因此, 用一般方程来描述这种关系是不可能的。本文利用以前的实验数据建立加工实验数据库, 以表示进给速度、切削力等参数的关系。建立这个数据库, 首先设置一个适当的轴向切削深度值。然后, 在不同的径向切削深度和不同的进给速度的条件下测量切削力。当一组数据得到后, 改变轴向切削深度, 重复相同的步骤, 得到更多的数据, 最后建立加工参数数据库。在工件和刀具材料确定 (高速钢刀具, 工件材料为A3钢) 的情况下加工参数数据库见表1。
N
4 切削力模糊逻辑建模
根据模糊数学原理建立切削力的模型。
4.1 隶属函数
径向、轴向切削深度、进给速度以及切削力的隶属函数见图1~图4。
4.2 模糊规则
模糊规则见表2。
4.3去模糊化切削力
利用中心平均法去模糊是常用的模糊逻辑系统。它计算简单, 直观可信。切削力和模糊变量的关系如图5所示。
5 应用实例
实际加工例子的零件如图6所示。平面铣刀的直径为10mm, 轴向切削深度为5mm。零件宽度、长度和高度分别为125mm、130mm和20mm。
经过实际加工测量, 相对于通常经验丰富的数控加工操作人员给出加工此零件的固定进给速度为135mm/min, 加工时间是2916s。而使用这种方法确定的进给率 (见表3) , 总加工时间却只有2374s。因此, 相对传统加工方法而言, 提高效率的18.6%。
6 结论
本文中, 给出进给速度确定的方法是利用模糊推理系统理论, 且可以应用于任何二维数控加工中。在考虑轴向和径向切削深度以及进给速度给定的情况下, 建立切削力数学模型, 通过此模型优化进给速度。因此, 提高了切削效率。通过实验证明, 这种方法也可用于高速切削中。
摘要：提出一种典型数控铣加工中切削参数的优化方法。利用测量啮合角来表示切削力的大小, 通过大量实验数据建立表示切削力的数学模型。利用模糊逻辑理论拟合切削参数数据集, 使拟合后的切削参数数据集能够在实际加工中具有通用性。根据工件的几何特征来计算啮合角, 从而判定切削力以确定各加工区域的进给速度。
关键词：切削参数,数控铣削,模糊逻辑,工艺规划,参数优化
参考文献
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[3]BAE S H, KO K, KIM B H, et al.Automatic Feedrate Adjustment for Pocket Machining[J].Computer-Aided Design, 2003, 35:495-500.
[4]KO J H, YUN W S, CHO D W.Off-Line Feed Rate Scheduling Using Virtual CNC Based on an Evaluation of Cutting Performance[J].Computer-Aided Design, 2003, 35:383-393.
[5]WANG L X.A Course in Fuzzy Systems and Control[M].Prentice Hall PTR, 1997.
[6]宋寒, 彭芳瑜, 等.基于STEP-NC车削特征的切削参数优化[J].机械工程师, 2007 (5) :121-125.
[7]刘战强, 黄传真, 等.切削数据库的研究现状与发展[J].计算机集成制造系统-CIM, 2003 (11) :937-943.
[8]武荚萍, 翟建军, 等.数控加工切削参数优化研究[J].中国机械工程, 2004 (3) :235-237.
切削参数 篇6
在现代制造中, 数控铣床应用越来越广泛, 数控铣床工艺也越来越受到重视[1]。数控加工的切削参数是影响数控加工效率和质量的关键指标, 是数控铣削加工中的最基本控制量。如何来优化切削参数和工艺, 改善数控加工质量, 提高数控加工效率和降低加工成本, 已经作为数控铣床领域较为重要的问题。数控加工中切削参数优化对提高生产效率和质量具有决定性作用, 数控铣削加工是数控机床作业中最常用的方式, 所以研究数控铣削加工的切削参数优化研究具有较高的实用性和研究价值, 对数控加工产品的加工质量具有非常重要的意义。
本文针对这个问题, 利用遗传算法, 对数控铣床中的切削参数进行优化, 建立参数优化的数学模型, 根据给定约束条件, 对目标函数进行优化, 经过验证, 本文算法具有较高的数控加工质量和较强的鲁棒性。
1 遗传算法
遗传算法是按照自然优胜劣汰的选择, 把物种中适应性最强的个体遗传下来, 该算法具有全局寻优的能力, 能够自动地在搜索空间上学习和优化, 全程无需人为干预。遗传算法采用随机操作, 具有全局的搜索能力, 特别适合搜索较为复杂和非线性问题。它是一种随机优化的算法, 通过对个体评价和染色体共同作用, 能够有效利用种群信息进行全局搜索来改善算法的优化质量。
遗传算法主要由编码、初始种群产生, 适应度函数设计评估、选择交叉、变异等来进行操作[2]。该算法初始种群的规模对算法的寻优影响较大, 初始种群规模越大则遗传算法就能够更好寻找最优解。但是初始种群的规模也不能无限大, 因为这会导致浪费太多的计算资源, 进而可能成倍地计算资源消耗导致计算机陷入死循环。
2 算法设计
数控铣削加工中最重要的决定性因素是切削用量的确定, 因为切削用量的多少不仅直接影响数控机床加工效率, 而且直接影响着加工质量。一般情况下, 切削用量的选择主要依据有:粗加工要把提高生产效率和加工成本综合起来进行考虑, 精加工要重点考虑加工质量, 其次考虑加工效率因素。切削参数主要是背吃刀量和切削宽度、切削速度、给进量。
适应度函数主要用于对个体进行评价, 是个体生存竞争的测度, 是优化过程发展的重要依据, 优化问题函数f (x) 和个体适应度函数之间存在一定映射关系, 这种映射遵循两个原则:适应度函数大于等于0, 目标函数变化方向和种群进化过程适应度函数变化方向必须一致。
本文以最高生产效率为目标优化函数, 表示为:
其中, d0为刀具直径, Z为刀具齿数, Cv、qv、xv、yv、uv、kv、m为常值系数。t0为辅助时间。
在数控铣削加工参数优化中, 约束条件为切削力约束, 具体表达式如下:
其中, Kf c为切削条件发生变化时铣削力的修正系数, CF为切削力系数, 取值由切削条件和工件材料来决定, ap为被吃刀量, ac为切削宽度, fz为每齿给进量, Z为铣刀齿数。d0为铣刀直径, v为铣刀切削速度, F m a x为数控机床所允许的最大切削力, xF、yF、uF、wF、qF分别为铣削力公式中的每个参数的指定。
该算法流程如下:首先采集实际问题样本数据, 然后编码成位串, 计算种群的适应度, 根据随机算子进行选择和遗传, 主要有选择算子、交叉算子、变异算子等, 然后对结果进行统计, 判断是否达到制止条件, 如果没达到终止条件重新返回到计算种群适应度步骤, 如果达到终止条件则进入下一步, 经过优化的一个或多个参数集得到改善或已经解决问题, 则结束本轮优化。判断是否终止的原则方法为:预先设定进化的代数, 当种群进化迭代的代数超过设定值时, 算法就自动终止;或者根据当前最好的个体最优适应度已经连续进化到代数不发生变化或者是变化非常小时终止算法。
实际验证表明, 本文设计算法能够提高16%的数控加工生产效率。本文算法不仅算法设计简单, 优化结果更加符合实际要求, 而且优化节省计算时间, 该算法具有较高的实用性和容错性。
3 结语
本文针对数控铣削加工中, 如何提高加工效率和加工质量问题展开研究, 利用遗传算法的全局寻优能力, 根据需要解决的最主要问题即提高生产效率问题, 来建立切削参数优化数学模型, 经过实际验证, 该算法具有较好的适用性。
摘要：针对如何提高数控铣削质量这个问题, 利用遗传算法来对切削参数进行优化, 经过验证该算法可以提高16%的数控加工效率, 对指导实际数控加工操作具有重要的意义。
关键词：遗传算法,数控铣削,参数优化
参考文献
[1]刘淼.数控铣削工艺参数优化的研究[J].盐城工学院学报 (自然科学版) , 2002 (1) :23-24.
切削参数在数控加工中的优化分析 篇7
1 优化理论在数控加工中的应用
优化理论是在微积分诞生年代便已出现的优化方法, 但之前一直应用于航天、军事等方面, 在制造业中很少得到应用, 而随着计算机和网络的诞生, 优化方法费用大大下降, 优化效率大大提升, 促使很多包括单纯形法、罚函数法以及共轭方向法等诞生, 使得优化方法在工业领域得到了进一步推广应用。计算技术的不断发展, 使得优化理论能够不断和计算机技术相结合, 将优化理论推广到更多领域当中, 使得优化理论在现代社会中创造出更多的经济社会效益, 也得到了更多工业界的重视, 从上个世纪70年代以来, 随着信息技术的不断发展, 人工智能、计算机仿真、计算机辅助等技术不断在制造行业中得到推广, 优化理论也在制造业中得到了更大的应用发展, 尤其是在数控加工系统当中, 优化理论的应用使得数控加工系统效率得到质的提升, 数控加工质量不断得到提高, 成为制造业发展的重要助力。
2 切削参数优化分析
(1) 建立切削参数优化模型。建立优化模型是将机械设计问题从物理模型转变为数学模型, 使得能够利用数学算法对模型中的各项参数值进行计算, 具体步骤包括根据设计要求确定相应的目标函数, 确定设计约束条件, 根据条件建立相应函数, 决定相应变量和控制条件, 完成模型的建立。在建立切削参数模型时, 当将固定的机床参数、刀具和工件都确定之后, 会对切削效率产生影响的就是切削的速度、深度、宽度以及进给量这几个变量, 然后根据各个机床在生产过程中所用的刀具不同, 通过不断试切来确定相应合理的切削宽度以及切削深度, 并将这两个量定位已知量, 这样, 变量就只剩下进给量和切削速度两个。
在确定变量之后, 确定目标函数, 并以此来建议模型, 其中将最大生产率定为目标, 根据已知量和变量建立相应的函数, Min f1 (x1, x2) =πDL/1000x1x2Z+tc+πLtM/1000Cv (1/m) ×x (1/m) -1x2y/m-1aep/mZμ/mak/mp D1- (q/m) +tα。在确定出相应函数之后, 确定相应约束条件。由于机床在加工过程中受主轴转速、进给力、进给量、机床功率、切削扭矩和工件质量等限制, 因而在进行加工过程中, 应该满足以下几项约束条件:一是机床切削速度应该满足主轴转速的约束条件;二是进给量应该满足每齿进给量的约束条件;三是切削进给力应该要小于机床主轴的最大进给力;四是机床切削功率应该要小于机床的有效功率;五是零件加工应该要达到表面粗糙度的要求。
(2) 选择合适优化算法。根据已经建立的数学模型, 选择相应的优化算法, 将其编制成计算程序输入计算机当中, 这样系统能够根据计算来求得最优的参数值。在本次研究中, 选择遗传算法作为优化算法, 这种算法是基于自然选择理论以及自然遗传机制来进行寻找最优值的一种计算方法, 对于非线性函数的计算是非常适合的算法。遗传算法的具体流程包括, 首先随机产生初始种群, 在个体数目一定的情况下, 对每个个体染色体进行编码。然后计算个体适应度, 接着根据适应度再来选择再生个体, 其中高适应度的个体其选择的概率也高, 低适应度的个体其选择的概率也低。然后按照交叉概率和方法来生成新的个体, 最后新的个体所产生的新种群, 然后重复第二步的过程。
将遗传算法应用到切削参数中, 将优化参数的各个变量和在群体中适应值区域计算出来, 解码后再进行编码, 这样不断重复这个阶段就能够将最大生产率的范围不断缩小, 使算法能够很快得到相应的最优值。在变化搜索区域时, 对于适应值在零以上的个体进行解码然后再编码, 对于适应值在零以下的个体则继续保持字符串编码, 因为在变换搜索区域之后, 对字符串编码进行变异操作, 让个体能够重新复活, 这样适应值也会随着提高, 这样随着适应度的不断提高, 被选中的概率也在随之变大, 而适应度低的个体就会被淘汰, 这样不断重复这个选择过程, 就会最终将适应值最高的数值选择出来, 也就是最合适的切削参数。在得出计算结果之后, 运用相应模型对其进行分析判断, 以此为根据来制定最优设计方案。
(3) 对优化结果进行判断分析。在通过模型将优化结果计算出来之后, 还要对优化结果进行判断分析, 将以前根据经验得出的切削参数与优化结果进行比较, 分析优化结果是否真的取得了优化效果, 是否符合各项约束条件, 是否满足切削加工系统的数据要求。而经过比较可以看出, 采用优化结果能够显著提高机床的利用效率, 而且能够大大减少机床切削的时间, 提高单个工件生产效率, 这样也能够提高工件加工质量。这也说明对切削参数进行优化, 对于提高切削加工系统效率确实起着重要作用。有试验表明, 在对切削参数进行优化后, 单道工序优化能够减少0.96s切削时间, 而在半精加工工序上则能够显著减少3.6s切削时间, 每个零件加工时间能够减少112s以上。
随着计算机技术的发展, 当前数控系统的运算功能不断完善, 已经能够实现对加工实际工艺进行检测, 并根据切削条件来选择最合适的切削参数, 这样能够保证数控系统保持在最佳的加工状态中。而自控系统在切削加工中的应用, 也使得加工系统能够根据切削热度、硬度、材料以及磨损状况等来对进给量和主轴转速进行调整, 使切削加工系统能够不断获得最大材料切除率。近年来, 随着计算机集成技术的发展, 也兴起来计算机集成制造系统, 使得切削工艺更加优化, 朝着更加规范的方向发展。
4 结语
对切削参数进行优化分析对于提高数控加工效率, 促进加工质量不断提升具有重要价值, 而通过建立切削参数优化模型, 采用相关算法对其进行参数优化则是目前进行切削参数优化的常用方法, 利用此方法能够通过概率搜索的技术来对切削参数进行寻优处理, 找到最合理科学的切削参数值, 既科学合理又方便易操作, 值得在数控加工系统中进行推广。
参考文献
[1]于华, 隋杰, 焦建彬, 毛明智.基于遗传算法的模具异地制造的优化调度[J].计算机集成制造系统, 2008 (01) .
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