切削工艺参数（共8篇）
切削工艺参数 篇1
0 引言
滚齿加工具有效率高、适应性好等技术特点,是目前齿轮加工行业应用最为广泛的加工技术之一,约占整个齿轮加工量的45%。传统的湿式滚齿加工通常需要使用冷却液来冷却刀具和工件,切削速度一般不高,且易造成环境污染。高速干式滚齿加工是在高速干式切削基础上发展起来的一种先进的齿轮加工方法,它是指在不使用冷却液和润滑油剂的情况下,采用较高的切削速度进行滚齿加工的方法。相对于湿式加工方式,高速干式滚齿加工能够提高生产效率、降低加工能耗、简化工艺流程、提高加工精度和表面完整性、延长刀具寿命、保护环境及工人身体健康等[1,2]。
我国在高速干式滚齿方面研究起步较晚。黄强等[3]从机床、刀具和工艺3个方面对高速干式滚齿加工的关键技术及其解决方案进行了分析和综述,认为干态高速滚齿的顺利进行需要在切削理论上进行全面突破,在刀具、机床和工艺技术上进行综合改进。周鹏举等[4,5]推导了高速干式滚齿的切削温度场及平均切削温度计算公式,并探讨高速干式滚齿的切削机理。郭茜[6]建立了高速干式滚齿的切削力模。刘海江等[7]以最高生产率为目标函数,建立了多种因素限制的滚刀结构参数及切削用量优化的数学模型,并进行干式滚刀刀具结构的优化设计。尹洋等[8]论述了零传动干式滚齿机关键部件设计原则,提出了干式滚刀选用原则。
当前,国内外针对高速干式滚齿的研究主要聚焦在高速切削加工机理、高速机床设计、高速刀具设计及优化等方面,对高速干式滚齿加工过程优化控制方面研究较少。
本研究首先对高速干式滚齿切削过程中的切削力和温度场进行了理论建模,并利用ANSYS对滚刀单个刀齿的切削温度场进行有限元仿真分析,以获得滚刀前刀面的切削温度分布情况,并以最高切削温度为研究目标函数,研究进给量、滚刀转速对滚齿加工过程的影响。最后,在滚齿机上展开高速干式切削实验验证。
1 高速干式滚齿切削热力建模
1.1 高速干式滚齿切削力建模
本研究对滚刀单一刀刃做受力分析。根据齿轮范成法原理,可得滚齿过程切削形态如图1所示。
滚刀水平旋转过α角度,红色为待切除齿坯材料。此时,滚刀顶刃及两侧刃分别对工件产生切削作用,切削层截面如图2所示。
由于范成法滚齿过程为一个齿廓的渐进成形,因此滚齿过程切削层随滚刀刀齿的不同而变动,图2中的截面面积S1、S2、S3仅为相应刀齿的一个瞬态面积。
在滚齿切削过程每个滚刀刃齿的3个切削刃一般都同时有切削运动,3个切削刃分别为一个主切削刃和两个侧切削刃,因此在分析滚齿切削力过程中将切屑截面分成3部分的面积以分别计算相应的切削力,每个切削刃的切削情况可根据传统切削力模型计算。如图2所示,3个切削刃分别对应各自的切削面积S1、S2、S3,因为切削过程的材料参数相同,在不考虑切屑惯性力Fm的前提下,可得出3个切削刃的切削力的大小,3个切削刃在滚齿过程中产生的切削力主要区别在于各自切削面积的不同。刀齿各切削刃的切削力表达式为:
其中,FS i=τSi,i=1,2,3。那么切削力合力为:
式中:τ—屈服剪切应力,φ—剪切角,β0—摩擦角,γ0—刀具前角。
1.2 高速干式滚齿切削温度场建模
滚刀在滚齿切削过程中需要克服齿坯件金属塑性变形和弹性变形所需要的变形功,同时也要克服切屑与刀具前刀面摩擦、后刀面与工件摩擦做需要的摩擦功,切削过程所消耗的切削功都将转化为切削热。这些热量在传递给切屑、刀具、工件后,使得切屑、刀具、工件的温度上升,形成相应的温度场。
1.2.1 热源强度计算
首先计算前刀面产生的热量中传入切屑与传入刀具的部分。设其中传入切屑的比例为R2,可由以下式计算:
那么前刀面传递给切屑的发热量为:
式中:Ff—前刀面摩擦力,vc—切屑流速,v—切削速度,—与热源面积长宽比有关的面积因子,aw—切屑宽度,λt—t时刻刀具材料的导热系数,θs—剪切面对切屑的平均升温,θ0—刀具初始温度,c2—刀具材料比热容,ρ2—刀具材料密度,lf—前刀面与切屑的接触长度,ξ—切削变形系数。
前刀面摩擦力,切屑流速以及切削变形系数计算公式为:
剪切面对切屑的平均升温θs为:
式中:ac—切屑厚度,c1—切屑材料比热容,ρ1—切屑材料密度,R1—剪切面产生热量传入切屑的比例计算公式为:
1.2.2 断续切削温度场
在滚齿持续稳定切削工作情况下,滚齿过程剪切面与前刀面对工件、切屑、滚刀进行不间断的加热作用,并达到一个平衡状态,各部分的温度将保持在一个相对稳定的水平。本研究利用剪切面与前刀面作为热源面,对切屑与前刀面的贴合部位进行温度场的计算,得到滚刀上的温度分布情况。
由于在干切削过程中无冷却液作用,切削过程中切屑、刀具与周围空气的热交换系数小,因此将刀具切屑的空气接触面定义为绝热边界,用镜像热源法将热源面延伸成无限长、有限宽的数个热源面。此时切削温度场初始热源面的模型如图3所示,其中热源位置集中于剪切面和前刀面,热源宽度为切屑宽度,定义为aw,热源面长度为剪切面长度和切屑刀具接触长度,分别定义为Ls与Lf。
剪切面的热流强度为Qs,取该热源面上一段足够窄的热源带当做线热源,其宽度为d Ls,因此线热源强度为qs=Qs·d Ls,可得到该线热源对于O点的温度影响为:
对dθs在Ls上积分,得θs的表达式为:
式中:n—热源持续周期数,n=t/T。
热源周期如图4所示。
同理,可以得到前刀面对于O、B点温度分布情况的影响状况为:
式中:Qs=FsvsR1/awLs,Qf=FfvcR2/awLf
2 热力耦合有限元分析
取滚刀各刀齿中切削面积最大的刀齿为研究对象,建立有限元模型并对其进行温度场分析。其中参数化模拟仿真与有限元模块的数据传递关系如图5所示。
本研究利用参数化分析的方法,将干式滚齿加工齿轮、滚刀及工艺相关参数为驱动变量,在得到加工该齿轮过程的具体滚削过程参数数据后,以这些数据有有限元建模与边界条件的创建条件,从而实现干式滚齿过程的有限元仿真。
滚齿过程中各刀齿的切削状态不一样,这里选取具有最大切削面积的刀齿进行滚刀的温度场仿真。模型具有恒定的热流输入,定义滚刀的导热系数、比热容和密度等材料参数,采用自由网格划分方式对模型进行网格划分,如图6(a),施加载荷以后,得到仿真结果,如图6(b~c)所示。
根据温度分布云图及热流矢量图,干式滚齿切削温度场分布特征为:
(1)最高值主要集中于滚刀刀齿顶部,对滚刀根部的影响已经减小,故在此忽略其对周边刀齿的影响;
(2)刀齿顶部温度梯度基本保持与滚刀轴线水平,即在刀齿3个切削刃中,以顶刃为主要切削刃,其对温度影响相对较大;
(3)滚刀前刀面热流量最大值发生于切屑与前刀面的分离处,此处温度梯度最大。
根据刀齿温度场分布情况,可以对单个刀齿采取单独研究的方法。按照以上有限元仿真步骤,对不同工艺参数下的模型进行有限元仿真,以分析不同工艺参数对温度场的影响。
3 高速干式滚齿切削参数工艺分析
本研究主要研究目标为在保证滚齿质量的前提下,更大的提高生产效率、缩小经济成本。而干切削由于不使用切削液,容易导致切削过程切削温度升高、刀具磨损严重等特点,其中切削温度的提高尤为明显。因此,根据滚齿温度表达式,以干式滚齿最高切削温度为衡量指标,分析滚齿工艺参数对切削形态等间接变量的影响,进而研究滚齿工艺对于干切温度的关系,实现干切温度的优化配置,从而得到干式滚齿最优化加工工艺,流程如图7所示。
3.1 高速干式滚齿切削力建模进给量对干式滚齿切削过程的影响
进给量即齿坯转动一周时滚刀在齿坯轴向的推进距离,是滚齿过程重要工艺参数。进给量的大小将直接影响切削温度推导过程的切削面积、切屑厚度等影响因素,所以在研究干式滚齿切削过程中,滚齿进给量的研究具有非常重要的意义。
不同进给量下各滚刀刀齿切削过程总切削面积的变化情况以及最大切削面积随着进给量的变化情况如图8所示。从图8中看出,各刀齿间的切削面积各不相同,不同进给量时同一刀齿的切削面积也不同;随着进给量增加,各刀齿切削面积都具有相应的增加量,变化趋势相同;不同的进给量具有最大切削面积的刀齿号也不同,最大切削面积刀齿数左移;进给量增加,切削面积增大,但模数较小时,切削面积增大趋势较缓。
不同进给量下各滚刀刀齿所切除的切屑体积的变化情况如图9所示。
滚刀每个刀齿都可以有3个刀刃进行切削,由于切削状态不一,所以切屑体积除了在总体上符合先增后递减的趋势外,在个别刀齿上存在体积的无规律变化。
滚齿过程中最大切削面积处切削厚度随进给量的变化情况如图10所示。
从两个图中切屑体积及厚度的变化情况可推导出:
(1)进给量增加,切屑体积增加,不同刀齿变化规律不同;
(2)进给量增加,发生最大切削体积的刀齿号不同,所对应的刀齿号具有左移趋势;
(3)进给量增加,切屑厚度的变化趋势符合最大切削切削面积的变化情况。
进给量给滚齿过程带来的切削面积、材料切除量的变化也将直接的带来切削热流密度、切削温度的变化。不同进给量下滚齿过程的最高切削温度随进给量的变化情况如图11所示。
从图中的变化趋势得到:
(1)切削温度随进给量增加而提高。原因为进给量增加到来的切削面积等参数的增加,切削温度的变化趋势与与切削面积、切削厚度趋势一样;
(2)当进给量增加一倍时,切削温度增加值有限,因此在考虑切削效率时,可以在切削条件的允许下尽量增大进给量。
进给量变化给切削面积、厚度,切屑体积等带来的变化情况,可以用于推测滚齿过程最危险刀齿标号的位置以及用于推算进给量对于滚齿切削温度的变化情况。根据以上的进给量对于滚齿过程相关切削变量的影响情况,可以为相关的滚齿工艺设计提供参考依据。
3.2 滚刀转速对干式滚齿切削过程影响
在滚齿过程中,在以滚刀转速为单一变量时,滚刀与齿坯间的相互转动位置与转动过程轨迹将恒定不变,所以滚刀转速将不对切削面积、厚度、各刀齿切削状态以及切屑体积等相关参数产生影响。同时根据切削力学的分析过程,在不考虑切屑惯性力的情况下,切削力也将不随滚刀转速的改变而变动。具体的影响情况如图12所示。
不同模数情况下滚刀转速对最大切削温度的影响如图13所示。
不同进给量下滚刀转速对最大切削温度的影响如图14所示。
根据温度的变化趋势可见,在低转速阶段,转速对温度的变化影响较大;高转速时,温度变化逐渐减缓。结合图11进给量对温度的影响,在同等情况下,进给量对温度的改变量较小,因此在提高滚齿效率时应优先考虑进给量的增加。
4 高速干式滚齿切削试验
滚刀结构的复杂性给滚齿过程切削力、刀具切削温度等的测量带来了极大的难度。滚齿瞬时功率是机床工作状态的反应,同时根据金属切削理论及能量守恒定理,滚齿瞬时功率也能够对干切削过程滚刀受力情况以及滚刀刀齿温度变化趋势进行直观的反应。因此本文进行干式滚齿过程瞬时切削功率的测量实验,利用滚刀瞬时功率的测量结果,将瞬时功率与滚齿过程切削状态相结合,分析滚齿切削状态的最佳描述方案;根据瞬时功率的变化趋势分析干式滚齿过程机床工作状态,提出以瞬时功率为衡量指标的机床高效控制方案。
实验采用YBN3132型半自动滚齿机,滚刀采用高速钢齿轮滚刀,参数为:模数1mm、直径50mm、圆周刀齿数14。实验数据采集使用电压、电流传感器实现主机床电机转动功率的测量,测量数据使用USB连接的便携式数据采集设备NI 9215。
实验设备如图15所示。
根据实验条件,选用适当的实验材料,以机床转速、切削进给量为实验控制变量,具体的实验参数变量如表1所示。
利用正交实验设计方法,设计实验数据方案如表2所示。
根据YBN3132型半自动滚齿机的电气原理图,本研究在主电机供电线路上测定实验需要的电压与电流参数。根据主电机线路上测定的电流电压值,本研究利用Labview对数据输入端进行功率数据处理,记录相关的切削过程功率参数。
在滚齿切削过程中,功率是各滚齿工艺参数到切削热、切削温度关系传递过程的中间量。功率的提高则将促使切削过程产生更多的切削热、同时也将促使切削温度升高。因此通过分析干式滚齿的功率情况来对参数化工艺分析进行验证。不同转速下的切削功率关系如图16所示。
由图16可知,刚开始随着滚刀转速的提高,切削功率先是快速增长然后趋于稳定,再随着转速的提高切削功率会降低,说明机床切削温度随着转速的增长最终趋于稳定。
滚削同样齿轮工件的总消耗功变化情况如图17所示。由图可知说明随着转速的提高滚齿机总消耗功率在降低。实验结果表明,转速的提高将促使切削功率增加,但是总功耗上反而高转速有利于节约能耗。
5 结束语
本研究结合高速干式滚齿加工的特点,首先对加工过程中的断续切削力和切削温度场进行了理论建模,得到切削力和温度场的计算公式。然后进行滚齿切削滚刀单个刀齿的切削温度场有限元仿真分析,从而获得滚刀前刀面的切削温度分布情况,为滚齿切削仿真研究提供基础,丰富了滚齿干式切削的研究手段。接着以最高切削温度为目标,对同等情况下进给量、滚刀转速对滚齿加工过程的影响进行研究,可帮助生产者对所需工艺进行调整。最后,在滚齿机上展开干式滚齿切削实验,得出干式滚齿切削更适合高速切削的结论。
摘要：为了方便优化高速干式切削工艺,对高速干式滚齿机切削进行热力耦合和工艺参数影响分析。首先结合高速干式滚齿加工的技术特点,对干式滚齿中切削力和切削温度场进行了理论建模。在此基础上,对滚刀单个刀齿的切削温度场进行有限元仿真分析,以获得滚刀前刀面的切削温度分布情况,实现仿真研究滚齿切削的可能性。然后以最高切削温度为研究目标,分析进给量、滚刀转速等工艺参数对滚齿加工过程的影响。最后在滚齿机上展开了干式滚齿切削实验。结果表明:随着滚刀转速的提升机床切削温度快速升高后慢慢降低并趋于稳定,且高转速有利于节约能耗;研究结果可对切削工艺的优化策略提供指导,为滚齿机的设计制造提供理论基础。
关键词：高速干式滚齿,热力耦合,有限元仿真,工艺参数
参考文献
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[8]尹洋,张根保,曹东锋,张新玉.零传动干式滚齿机关键部件结构设计与研究[J].机床与液压,2008,36(4):229-231.
切削工艺参数 篇2
高速切削不同材料时，其所用的切削工具、工艺方法以及切削参数均有很大不同，而且和在普通切削速度加工时的情况也有很大不同，掌握正确的高速切削工艺方法，是高速切削应用技术中的一个重要环节，
高速切削铝合金技术
铝材料零件的高速加工，在20世纪80年代就已经在工业中广泛应用，经过适当冷处理的铝合金材料，强度可高达540Mpa,它的相对密度很轻，是飞机和各种航天器零部件的主要材料，也是机器和仪表零部件的常用金属。近年来铝合金在汽车和其它动力机械中的应用也逐渐增多。加工轻合金的优势主要在：切削力和切削功率小，大约比切削钢件小70%；切削短、不卷曲，因而在高速加工中易于实现大量切屑的排屑自动化，刀具磨损小，用硬质合金、多晶金刚石等刀具在很高的转速下切削铝合金材料，可以达到很高的刀具寿命；加工表面质量高，仅采用少量的切削液、在近乎干切的情况下不用再经过任何加工或手工研磨，零件即可得到很高的表面质量；可采用很高的切削速度进行加工，切削速度可高达1000-0/min，高速加工95%以上切削热被切屑迅速带走，工件可保持室温状态，热变形小，保证了加工的高精度。如瑞士米克朗的高速铣HSM400在北京国际机床展上加工的一个薄壁铝件，厚度为0。1mm，高度为25mm，进刀速度高达20000/min，而且保证了良好的尺寸精度和几何精度。
高速铣削钢技术
近年来,高速加工开始用于钢的精加工,特别是加工形状复杂的零件,高速切削可以大大提高生产率,高速铣削钢和铝合金有所不同，主要问题是刀具的磨损，优化切削参数的目的不仅仅为了提高金属切除率，而且更注重于降低切削力，提高工件表面质量、尺寸精度和形状精度以及减少刀具磨损。
钢材的高速铣削技术
高速铣削钢材时，刀具要用更锋利切削刃和较大的后角，这样可以减少切削时的刀具磨损提高刀具的使用寿命，刀具参数也应当随着进给速度的变化而变化。当进给速度增加时，刀具的后角要减小；进给速度对刀具的前角的影响相对比较小。按照常规的切削规律，刀具的正前角能够减小切削力，并减小月牙洼磨损。但在高速下，正前角并不比零度前角更多地降低切削力，负前角虽然能使刀具片有更高的切削稳定性，但是增大了刀具切削力和月牙洼磨损。在高速铣削时，轴向进给量对刀具磨损的影响比较小，而径向进给量的影响则较大。刀具寿命随切削面的增加而降低。轴向进给切削和径向进给切削二者之间是相互关联的。在以径向进给进行时,常常会因为高速产生的高温超过刀具材料的红硬性而造成刀具失效。在径向进给比较慢时，刀具的非接触区时间比接触区时间长，短时间的发热可以由比较长时间地冷却来弥补。因此，从整体上来看，径向进给速度应稍慢一些，建议进给量只值等于刀具直径的5%-10%。
高速切削难加工材料技术
一般来讲，合金材料包括特殊合金钢、钛、镍合金，
这些材料由于强度大、硬度高、耐冲击，大多用于航空、航天制造和动力部门，但加工中这些材料容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重，属于难加工材料。
在加工这些材料的过程中，导致刀片失效的典型形式刀具后面磨损，最大的磨损区是刀尖部位，另外是刀具和工件之间的通道处，由于切削条件差，磨损的痕迹会在这些地方产生，因而形成严重的刀口毛刺，刀刃的磨损改变了刀具的几何参数，增大了切削力，尤其是切削高强度合金的情况时，容易使刀片碎裂。实验证明逆铣要比顺铣的效果好，加大刀具前角明显减小切削力，刀具前角γ的变化范围是在8°~28°之间。在上述前角范围内，加工钛合金、特殊合金和镍基高温合金材料时刀具寿命都能提高，当刀具前角为负时，刀具的切削稳定性提高，但刀具寿命降低。切削过程和刀具寿命也受刀具后角α的影响增加刀具后角可提高刀具寿命，但当后角20°时，刀具寿命开始下降。
高速切削硬质材料技术
淬硬钢材料包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧锟钢及高速钢等，是典型的耐磨结构材料，广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求高的零件。淬硬钢材料的特点是经淬火或低温去应力后具有比较高的硬度（55~68HRC），很难用传统的切削方法加工，通常采用磨削进行精加工，但磨削效率低下，成本高。高速硬切削为淬硬钢材料加工提供了更好的解决途径。提高了效率、少了污染、减少设备投资，适应柔性生产。淬硬钢材料的伸长率小、塑性低、易于形成高光洁度表面，有利于以切代磨。但其硬度高，切削性能差。从切削过程可以看出加工淬硬钢材料切削力增大、切削热增加，为了获得必要的加工精度和表面光洁度及刀具寿命，必须精心选择切削刀具和几何参数，优化切削工艺参数。比如选用材料CBN、PCBN、性能好的陶瓷、超细晶粒硬质合金及涂层硬质合金刀具。尽量选择较大圆鼻刀具、刀具的前角为负的较好。（α≤-5°）
高速切削对刀的要求
切削工艺参数 篇3
激光加热切削技术是在切削过程中以激光束为热源, 对工件进行局部加热, 使其硬度和强度下降, 同时利用刀具将软化材料去除, 达到提高零件加工精度和表面质量的新的切削技术2。在加工过程中, 通过合理的选择进给量、机床转速、切削深度和激光功率等工艺参数的选择, 可以获得较高的加工精度和表面质量。
一、切削深度对加工表面质量的影响
图1是在扫描电子显微镜下得到的采用不同切削深度 (其它参数:P=240W, n=260r/min, f=0.1mm/r, rb=0.75mm, θ=70°) 切削试件加工表面的照片, 其中图1 (a) 为切削深度为0.3mm时得到的表面, 没有裂纹;图1 (b) 为切削深度为0.6mm时得到的表面, 上面有细小裂纹。在切削过程中, 采用相同的激光功率辐照试件, 材料软化程度相同, 但由于切削深度不同, 因此, 切削力不同, 前者小, 而后者大, 同时, 由此导致切削应力和温度应力梯度显然不同, 因此裂纹状况不一样。和受切削并且有些区域甚至发生了变形 (图8.3 (b) 中间区域存在隆起物, 应为材料剥落不完全所致) 。在同样软化程度下, 加工过程中采用较小的切削深度, 会有效降低切削加工中的切削力, 有利于加工表面质量的提高。
图2是在扫描电子显微镜下得到的采用不同进给量 (其它参数:P=240W, ap=0.5mmn=260r/min, rb=0.75mm, θ=70°) 切削试件加工表面的照片是在扫描电子显微镜下得到的加工表面照片, 图中的白色物质为附着在工件材料上的杂质。图中可以看出, 采用较小的进给量能够获得无裂纹的加工表面, 加工质量较好;而对于较大的进给量, 加工表面微裂纹比较明显, 并且能看到即将崩掉的材料碎片。试验中放置聚焦透镜的支架固定在加工车床的刀架, 所以加工过程中激光光束与刀具一起以进给运动的速度沿工件轴向水平移动。因此, 进给量的多少将直接影响切削区域材料的预热时间长短。同时由于材料沿纵进给方向软化宽度尺寸小于光束移动方向, 采用较大的进给量, 会导致刀具在进给方向上切削速度增加, 使切削区域中的材料没有得到充分软化就被切除, 造成切削力的增加和刀具的振动, 温度梯度越大, 热应力大, 越易导致裂纹, 影响加工表面质量。
二、机床转速对加工表面质量的影响
图3 (a) 和 (b) 分别对应转速为260 r/min和475r/min (其它参数:P=240W, ap=0.3mm, f=0.1mm/r, rb=0.75mm, θ=70°) 的加工表面扫描电子显微镜照片。可以清楚地看到, 对应于较高转速切削的 (b) 图中, 表面上有一条较宽的裂纹;而较低转速切削时的 (a) 图中, 试件表面比较平整, 无裂纹。这主要是因采用较低的工件转速进行加工时, 工件表面受激光辐照的时间增加, 切削区域待去除的材料得到充分软化, 切削力小, 有效地改善了已加工表面的质量。相反, 高速时, 材料软化程度低, 加工过程切削力大, 易产生应力裂纹。
三、激光功率对加工表面质量的影响
图4是在扫描电子显微镜下得到的不同激光功率 (其它参数:ap=0.5mm, n=260r/min, f=0.14mm/r, rb=0.75mm, θ=70°) 加热辅助切削后试件表面的照片。可以看出, 采用较高的激光功率, 由于待切削材料软化范围大, 因此, 在同样的切削深度下, 很容易采用刀具去除, 切削力小, 在切屑底层和加工表面所处区域, 应力梯度相对较小, 因此, 没有出现微裂纹。但随着激光功率降低, 由于材料软化不充分, 此时, 切削力大, 切屑底层和加工表面所处区域, 应力梯度相对增加大, 导致试件已加工表面出现细小裂纹。可以适当考虑采用较小的切削深度, 减小切削力, 且避开应力梯度变化较大的区域来消除裂纹, 提高加工表面质量。
四、刀尖与光斑之间的距离对加工表面质量的影响
图5是在扫描电子显微镜下得到的采用不同刀尖与激光光斑之间的距离时 (其它参数:P=300W, ap=0.5mm, n=260r/min, f=0.2mm/r, rb=0.75mm) 切削试件表面的照片, 其中图 (a) 、图 (b) 分别是刀尖与光斑之间的周距离l为3.93mm (入射角为75º) 、6.54mm (入射角为65º) 时得到的表面照片。照片中工件表面上大片白色物质为附着在工件表面的杂质。可以看出, 随着刀尖与光斑之间距离l的增加, 加工表面上的裂纹也越来越明显, 并且逐渐加宽。由此得出, 加工过程中减小刀尖与激光光斑之间的距离, 将有助于加工表面上微裂纹减少3, 改善已加工表面的质量。其原因是随着刀尖与光斑之间距离l的增加, 导致激光入射角度减少, 因此, 材料吸收率降低, 同时, 已加热软化的材料与刀尖距离大, 没有及时迅速的去除, 部分材料会冷却, 当其接近刀具时硬度增加, 导致切削力增大, 应力加大, 因而易产生裂纹。而若周向距离低于5.23mm时, 由于光斑与刀具距离缩短, 刀具吸收热量升温, 硬度降低, 磨损加快, 导致切削力增加, 同时工件吸收热量也相对减少, 因此也会导致微裂纹。
五、结论
在激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷中, 合适的加工参数范围为:激光功率200~325W, 激光光斑半径0.75~1.25mm, 切削深度0.2~0.6mm、进给量为0.10~0.16mm/r、工件转速147~475r/min、刀尖中心与激光光斑中心之间的周向距离3.93~6.54mm, 通过采用这些加工参数的合理组合, 可以获得具有较高加工精度和表面质量的试件表面。
参考文献
[1]周玉:《陶瓷材料学》.第2版.北京:科学出版社.2004, 1-5[1]周玉:《陶瓷材料学》.第2版.北京:科学出版社.2004, 1-5
[2]李力钧:《现代激光加工及其装备》.第1版.北京:北京理工大学出版社, 1993, 1-40[2]李力钧:《现代激光加工及其装备》.第1版.北京:北京理工大学出版社, 1993, 1-40
切削工艺参数 篇4
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。
基于正交试验的切削参数优化研究 篇5
伴随着数控加工技术的高速发展,数控加工工艺也正变的越来越复杂,工艺参数也越来越多。同时数控机床性能也更加强大。在生产中凭经验或参考切削用量手册来选择切削用量,加工参数值往往出于安全性考虑过于保守,既不能充分发挥现代高性能机床的优势,也达不到切削用量的最优选择。另一方面,针对某些加工变量,比如切削方式、冷却方式,传统方式根本无法预测其对具体加工过程的影响规律,无法保证加工生产效率、精度。
提高加工工件质量、提高机床使用效率、降低生产成本、提高生产效率是企业提高竞争力的重要途径。而切削参数优化是保证以上要求的关键技术。目前,国内外利用各种现代优化算法,例如,蚁群算法、人工神经网络、粒子群算法[1]等,对切削参数进行优化。还有学者运用计算机仿真技术构建智能优化切削用量动态加工仿真系统[2,3],在计算机上模拟优化切削用量切削加工,也达到了优化切削参数的目的。
但各种智能优化算法计算量大、理论深度较高,不便于在实际加工中进行推广。本文基于正交试验进行切削参数优化研究,计算量小,同时在一定程度上能够满足优化的精度要求,易在实际加工中进行广泛推广,真正保证理论与实际的相结合,提高企业的加工生产效率。
1 列因素水平表
1.1 选因素
综合考虑国内外切削参数优化相关研究以及本课题研究所需,本文选择进给速度、切削模式、冷却方式三个影响因素,考察其对钢件加工表面质量[4]的影响。原因有以下四个方面:1)考察所有研究切削三要素对加工工件表面粗糙度的文献,可以得出结论:切削深度越大,表面质量越差;切削速度越大,表面质量越好。2)本文不再考虑以上两个因素的影响,只针对进给速度进行考察。进给速度越小,钢材质在切削加工时容易产生“黏刀”现象,表面质量越差;进给速度过大,对机床的动态特性要求便较高,也不利于表面质量的提高。故不同特性的机床,进给速度的最佳值亦有所区别。3)SOLIDCAM中平面加工最常用的三种模式(如图1所示):单一路径、剖面和外型,经过实际加工发现,其对表面质量的影响较大且研究甚少,本文予以研究。4)对于不同的刀具、毛坯材料,气冷与水冷对加工表面质量的影响是不同的,本文予以研究。
1.2 定水平
因素的水平需考虑机床实际情况而定,本文对每个因素选取三个水平进行研究。其中,冷却方式选为水冷时分为雾状式与流状式。具体水平值如表1所示。
2 选择正交表
正交表格是数学家预先编制好的一系列表格,它是进行正交试验的基本工具。正交表格的常用记号格式为LN( qs) , 其中 : L为正交表的代号,N为正交表的行数(即:需要做的试验次数),S为正交表的列数(最多能安排的因素个数,包含误差),q为因素的水平数。常用的正交表有二水平正交表L8(27)、L12(211)、L16(215),三水平正交表L9(34)、L18(37)、L27(313),四水平正交表L16(45)、L32(49)、L64(421)。
选正交表的原则是正交表的总自由度要大于等于要考察的因素的自由度,因素的自由度记为fA、fB、fC。
故本文中的正交试验应至少安排2×3+1=7次试验,即N≥7。在正交试验中为保证试验的精确度,在安排正交表列数的时候应至少单独留有1列空列,作为实验误差以衡量试验的可靠性,即S≥4,根据以上论述,正交表选择为L9(34)最为合适。
3 试验表头设计及试验方案编制
表头设计,顾名思义,就是把试验因素安排到正交表的各列中去的过程。表头设计对于不考察交互作用的正交试验较为简单,各因素可随机安排在各列中。
对于试验方案,当正交表确定以后,方案便随之确定。考虑实际情况所需,本研究在进行结果分析时,只进行极差分析,没有误差分析,故D列仅为保留正交表的完整性,不再具有上文所提到的误差列意义。正交表最终设计如表2所示。
4 实际加工
本文研究特针对具有表面质量要求较高的平面特征,文章针对减速器上下箱体结合表面进行试验。
图2 减速器结合平面加工
基于表1与表2,根据表3进行试验并测量表面粗糙度。
5 试验结果分析
极差分析计算工作量小,通俗易懂,使用非常广泛,能够非常方便的确定出试验因素的优水平和最优水平组合、确定出因素对试验指标影响的主次因素[5]。
因素A、B、C、D第j(j=1,2,3)水平对应的试验指标之和分别记为KAj、KBj、KCj、KDj,试验指标的平均值分别记为。故可得:
因素A、B、C的极差分别记为RA、RB、RC。
故可得:
综上,可得如表4所示结果。
由于考察指标为表面粗糙度,试验指标之和越小越好,K A1<K A2<K A3, A 1为A因素的优水平 ;K B2<K B1<KB3, B 2为B因素的优 水平 ;K C1<K C3<K C2,C1为C因素的优水平。
针对本次试验所用机床的特性、试验刀具等相关实验条件,三个因素的优水平组合A1 B2 C1为本试验的最优水平组合,即加工钢材质表面时粗糙度最小时的最优工艺条件为:进给速度选为1500,切削模式为剖面式,冷却方式选为气冷。
根据极差的大小可以判断各因素对试验指标的影响主次,RC <RB <R A,因素对试验指标影响的主→次顺序为ABC,即在本实验中进给速度影响最大,其次是切削模式,冷却方式最小。
6 验证试验
基于正交试验的切削参数优化理论要求必须对优化后的组合参数进行验证试验,以保证优化后的组合参数能够保证加工精度要求。本文优化后的组合参数为:进给速度:1500;切削模式:剖面式;冷却方式:气冷。
在CAM软件中设置“切削模式”为“剖面式”,“进给速度”设置为“1500”,“冷却方式”设置为“气冷”M07。其他设置保持不变,针对结合面再次生成程序,重新加工。最后,测得表面粗糙度的平均值为0.525,满足优化后所需表面质量[6]。
7 结论
文章对三个因素:进给速度、切削模式和冷却方式进行正交试验设计,结果表明切削速度取较小值时,表面质量较好,速度较大时,表面质量较差。由此我们可以推断出机床的动态特性较差,机床在高速运动时会出现较大的震动,柔性不好,造成工件与刀具之间的相对抖颤,影响了表面质量。且针对钢材质,其不同于铝材质,在速度较低时“黏刀”现象不明显。
冷却方式选为气冷时具有较好的表面质量,考虑本文研究所用刀具材质以及工件材质,在切削时,刀具与工件的接触区产生极高的温度,利用液体冷却会对刀具形成冷热冲击,影响刀具切削性质,会造成表面质量的下降[7]。
本文的优化目标为表面粗糙度,其优化理论过程可以进行推广。在某种场合,我们或许更加注重生产效率的提高、生产成本的降低。此时,我们可以针对不同场合研究不同的优化目标。切削参数亦可针对我们感兴趣的变量进行优化研究,考察其对目标值的影响规律。
故本研究不仅为进给速度、切削模式、冷却方式对表面质量的影响规律提供了很好的参考,其研究思路更能为相关的研究工作提供借鉴。
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切削工艺参数 篇6
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.
数控加工刀具及切削参数的选用 篇7
数控机床的主轴输出功率较大, 主轴转速及范围比普通机床要高得多, 与传统加工方法相比, 对数控加工的刀具有更高的要求, 要求刀具的精度、强度、刚性和耐用度比普通机床的刀具更高, 并且在尺寸方面要求具有较好的稳定性, 同时便于安装调整。而且CAD/CAM软件的应用越来越广泛, 这些软件一般提供自动编程功能, 在软件使用过程中, 会有一些工艺规划问题要求预先设定好, 如选择合适的刀具、规划加工路径、设置切削用量等。在与数控加工有关的参数设置好之后, CAD/CAM软件就可以自动生成NC程序。在编程时, 编程人员要充分考虑不同零件数控加工的特点, 根据刀具选择和切削用量确定的基本原则, 才能合理选择数控刀具, 提高加工效率。因此, 数控刀具也必须结构合理、几何参数标准化、系列化, 零件加工时才便于根据其几何形状、材料以及夹具进行选用, 并且要考虑机床的刚性。
1 常用刀具的种类及性能
数控刀具可以按照多种分类方式。从结构方面对数控刀具分类, 可分为整体式、镶嵌式、减振式、内冷式和特殊型式等;从制造刀具所用的材料方面分类, 可分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具等, 其中, 金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性;从切削工艺方面可分为车削刀具、钻削刀具、镗削刀具、铣削刀具以及特殊型刀具等。
刀具材料应具备高硬度、高韧性、高耐磨性、高耐热性以及良好的工艺性, 即:刀具材料的硬度高于工件的硬度;刀具有足够的韧性承受切削力、振动和冲击;刀具能够有效地抵抗磨损;在高温下, 刀具材料能够保持硬度、耐磨性、强度和韧性;为便于刀具制造, 刀具材料需具有良好热加工性能和机械加工性能[1]。
2 刀具的选用
数控机床的具有高速、高效和高度自动化等特性, 为充分发挥数控机床的这些性能, 数控刀具应与之相适应, 一般包括通用刀具和通用连接刀柄两个部分, 为便于将刀具联接并装在机床动力头上, 刀柄已逐渐标准化和系列化。
1) 根据零件材料的切削性能选择刀具。如材料为45钢的零件, 可以用普通刀具加工;不锈钢、高强度钢、钛合金等材料的零件, 可以用硬质合金刀具加工, 其耐磨性较好。
2) 根据零件的加工阶段选择刀具。数控加工一般可以分为粗加工、半精加工、精加工三个阶段。每个加工阶段, 对刀具都有不同的要求:粗加工阶段主要是为了切除较多的材料, 切削用量较大, 选择的刀具必须刚性较好, 对精度的要求较低;半精加工主要为精加工作准备, 切削用量不能大, 如准备加工工艺基准, 精加工主要完成重要表面的加工, 切削用量很小, 为保证加工精度和质量, 必须选择高耐用度和高精度的刀具。
3) 根据加工区域的特点选择刀具和几何参数。为减少被加工零件的变形, 切削薄壁、超薄壁零件时, 切削力不能过大, 选择的铣刀主偏角要小, 这样能减小其径向切削力;加工铝、铜等较软材料的零件时, 选择的立铣刀的前角应稍大一些, 不要超过4齿;根据零件结构, 所选用的刀具尽可能直径大、长径比小。
4) 刀具的尺寸与工件的表面尺寸相适应。如加工平面零件的周边轮廓时, 选用立铣刀;选用硬质合金刀片铣刀铣削平面。
合理安排刀具的顺序, 可以减少辅助时间的占用, 提高效率。应遵循以下原则安排刀具的排列顺序:尽量减少刀具的数量;分开使用粗精加工的刀具;装夹换刀要在一把刀具完成其所能进行的全部加工步骤后再进行;先铣后钻;先精加工曲面, 后精加工二维轮廓;充分利用数控机床的自动换刀功能提高生产效率[2]。
3 数控加工切削用量的确定
切削用量对于加工效率、刀具磨损、加工质量和加工成本都会有显著影响。切削用量包括切削速度、背吃刀量及进给速度等, 不同的加工方法选用不同的切削用量。按照以下的原则设置切削用量:在以提高生产率为主的粗加工阶段, 首先背吃刀量尽可能选取大的, 其次尽可能大的选取进给量, 其主要受到机床动力和刚性的限制, 最后确定最佳的切削速度, 这需要以刀具耐用度为依据;在以保证加工质量为主的半精加工和精加工阶段, 同时考虑到切削效率、经济性和加工成本, 首先设置背吃刀量, 这要根据粗加工后的余量进行;其次选取的进给量要较小, 可以根据已加工表面的粗糙度要求设置;最后选取较高的切削速度, 这需要以保证刀具的耐用度为前提[3]。
从刀具的耐用度出发, 切削用量的选择顺序是:先确定背吃刀量, 其次确定进给量, 最后确定切削速度。这些参数需要以机床性能、切削用量手册为依据, 并结合经验来设置。另外, 要形成最佳切削用量, 还需要主轴转速、切削深度及进给速度三者相互适应。
1) 在机床、工件和刀具刚度允许条件下, 为减少走刀次数, 提高生产效率, 要尽可能使背吃刀量和加工余量相等;一般精加工余量为0.2~0.5 mm, 这样可以保证零件的加工精度和表面粗糙度。
2) 数控加工中, 切削宽度L的取值范围一般为 (0.6~0.9) d, L与刀具直径d成正比, 与切削深度成反比。
3) 切削速度主要取决于刀具耐用度, 与加工材料也关系紧密。
4) 主轴转速一般根据切削速度来选定。
5) 在设置进给速度时, 需要综合考虑刀具、工件材料、加工精度以及表面粗糙度要求等。为提高生产效率, 当能够保证工件质量时, 可选择较高的进给速度, 一般为100~200 mm/min;选择较低的进给速度进行刀断、深孔加工, 一般为20~50 mm/min;表面粗糙度、加工精度要求高时, 一般选取20~50 mm/min的进给速度。
在数控加工过程中, 为充分发挥数控机床的性能, 并保证零件的加工质量、提高生产效率, 应根据刀具及切削参数选用原则, 合理选择数控加工刀具结构、刀具材料、刀具几何参数和切削用量。
参考文献
[1]刘党生.金属切削原理与刀具[M].北京:北京理工大学出版社, 2009:46.
[2]吴明友.数控加工技术[M].北京:机械工业出版社, 2008:60.
切削工艺参数 篇8
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.