数控铣削用量优化研究与探讨

钱爱萍

（浙江汽车职业技术学院机电工程系，浙江 临海 317000）

1 前言

近年来，随着科学技术的迅速发展，机械产品的形状和结构不断改进，精度要求不断提高，因此对加工机械产品零件部件的生产设备机床也提出高性能、高精度的要求。数控加工技术是20世纪40年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的，自从1952年第一台数控机床问世到现在，数控技术的发展非常迅速。

数控加工具有如下特点：

1.1 加工复杂形状能力

数控加工运动的可控性使其能完成普通加工方法难以完成的复杂型面加工。

1.2 高质量

数控加工是用数字程序控制实现自动加工，排除了人为误差因素，且加工误差还可以由数控系统通过软件技术进行补偿校正，因此可以提高零件加工精度和产品质量。

1.3 高效率

与采用普通机床加工相比，采用数控加工一般可以提高生产率2-3倍。有时零件一次装夹后能完成几乎所有部位的加工，不仅可消除多次装夹引起的定位误差，且可大大减少加工辅助操作，使加工效率进一步提高。

1.4 高柔性

只需改变零件程序即可适应不同品种的零件加工，且几乎不需要制造专用工装夹具，因此加工柔性好，适应多品种、中小批量的现代生产需要。

切削加工是金属加工中最基本的手段，切削加工的工作量占机械制造工作量的30%-40%，约70%的零部件采用切削加工来进行。据估计，在21世纪切削加工仍将占机械加工量的90%以上，因此，提高切削加工的效率和质量仍是机械制造业的重要课题。数控机床种类很多，按切削加工功能不同可以分为数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。而数控铣床用途非常广泛，不仅可以加工各种平面、沟槽、螺旋槽、成型表面和孔，而且还能加工各种平面曲线和空间曲线等复杂型面，适合各种模具、凸轮、板类及箱体类零件的加工。

2 数控铣削切削用量选用的复杂性

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。切削用量包括切削速度、背吃刀量或侧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。数控铣削切削用量包括：

2.1 背吃刀量(端铣)或侧吃刀量(圆周铣)

背吃刀量ap为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，ap为切削层深度；而圆周铣削时，ap为被加工表面的宽度。

侧吃刀量ae为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，ae为被加工表面宽度；而圆周铣削时，ae为切削层深度。

在保证加工表面质量加工质量的前提下，背吃刀量(ap)应据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。

2.2 进给速度

进给速度vf是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位为mm/min。它与铣刀转速n、铣刀齿数Z及每齿进给量fz(单位为mm/z)的关系为:vf=fzZn

进给速度F是数控机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度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。每齿进给量fz的选取主要取决于工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料的强度和硬度越高，fz越小；反之则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度要求越高，fz就越小。工件刚性差或刀具强度低时，应取小值。

2.3 切削速度

铣削的切削速度计算公式为：

铣削的切削速度与刀具的耐用度T、每齿进给量fz、背吃刀量ap、侧吃刀量ae以及铣刀齿数Z成反比，与铣刀直径d成正比。其中原因是 fz、ap、ae、Z 增大时，使同时工作齿数增多，刀刃负荷和切削热增加，加快刀具磨损，因此刀具耐用度限制了切削速度的提高。

在生产加工中，合理选用切削用量的确定相当复杂，因为数控铣削用量受到很多因素的影响，包括：

工艺条件。如刀具材料、刀具几何尺寸、工件材料、工件几何尺寸、工件表面状况、夹具刚度、机床性能、切削液使用情况，甚至于操作人员的技术水平。

工艺要求。如毛坯的表面粗糙度、形状精度、加工硬化、表面应力。

管理要求。如工序编排、生产节拍、统一换刀等出于管理上的便利而提出的要求。

经济性要求。如生产效率最高、利润最高，加工成本最低等。

切削用量确定的复杂性，还在于工艺条件、工艺要求对切削用量的影响关系很多时候尚无法定量表示，而只能定性分析；另外，这些影响因素之间还存在制约关系。

3 生产实践中确定数控铣削切削用量的方法

切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度的前提下，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度并充分发挥机床的性能，最大限度地提高生产率，降低生产成本。

传统的确定切削用量的方法：

3.1 手工查阅切削用量手册

在计算机技术广泛应用之前，对于切削用量的选择和优化，在生产中除了凭经验外，一直主要是靠查阅切削用量手册和其它一些相关资料来选择切削用量。查手册的方法简单易行，在多数情况下也基本能满足工厂的需要，因而应用相当广泛。

从通常查手册确定切削用量的方法来看，主要有以下几个问题：

第一，加工工艺人员或机床操作者通过查阅手册来确定切削用量，会花费大量时间。

第二，要有效利用手册，对机床使用者的素质仍然提出了一定的要求。由于毛坯材料、刀具、切削方式的多种多样，对每一组切削用量都做实验来加以验证是不现实的，所以现有的切削用量手册无不是仅仅实验验证并列出每种毛坯材料、刀具特定的几组切削用量。这样多数情况下，技术人员只得将这些数据按某种方式插值或附加一定的公式计算，来获取加工中需要的切削用量，这样又要花费很多时间。

3.2 经验估计法

根据实际经验确定加工余量。一般情况，为防止因余量过小而产生废品，经验估计的数值总是偏大。

3.3 分析计算法

根据上述的加工余量计算公式和一定的试验资料，对影响加工余量的各项因素进行分析，并计算确定加工余量。

目前生产中切削用量的选择是根据选用的具体厂家生产的不同材料、不同型号、应用于不同生产条件的刀片或刀具所推荐的具体切削用量值经实践来确定，这样选择切削用量才能发挥刀具的最佳性能，零件的质量最好，刀具耐用度最佳，也最节省刀具费用。

4 数控铣削切削用量优化的意义

随着信息化社会的到来，制造业已从单纯依靠提高设备的自动化程度和加工精度占有市场，转向以信息为基础，从产品整个生命周期的大系统的角度来适应市场，满足社会各方面需求，增强企业的竞争能力。加工设备要适应这种发展的变化，在不断提高自动化水平的同时，注意整体、人和信息的因素，以信息为纽带、人为中心，具有相对独立性的智能化的加工设备，是未来发展的方向。

在制定数控铣削工艺过程时，工艺人员往往不仅要考虑怎样加工，而且更重要的是如何合理加工。所谓合理加工，就是要充分考虑需要什么加工设备、配置什么工、夹、量辅具，确定最优车间过程及工序过程，降低材料定额，减少工时，保证加工精度，保证生产进度，平衡生产能力等诸多因素。

在保证零件加工质量的前提下、如何提高劳动生产率降低零件的加工成本以提高其经济效益。在机床设备、切削刀具和加工对象等初步明确后，研究如何确定切削最佳参数具有现实意义。这是由于影响切削参数的因素多，各个因素交叉制约，因而难于在凭借已有的加工经验或者机械加工切削手册的基础上制定出合理的切削参数。目前计算机的迅速发展和广泛应用，以及专家系统优化设计理论的成熟，使切削用量的智能选择已经成为可能。因刀具和切削用量低效率地选择而制约数控机床切削能力的正常发挥就是目前大都工厂数控加工中主要存在的问题之一。

科学的机械加工切削数据是降低成本、提高质量和管理水平的重要依据。世界主要工业发达国家对此都十分重视，纷纷建立了切削数据库，并取得了巨大的技术经济效益。如1964年美国金属切削研究联合公司成立了可切削性数据中心，建立了计算机管理的切削加工数据库，可以说潜力很大，特别是在现代制造系统中，原来的大批量生产模式已被中小批量、多品种生产模式所取代。原来加工多个产品也只要确定一次切削用量；但现在每加工一个产品，都可能需要确定不同的切削用量。这样，切削用量优化的意义就变得愈发重要。而且，与普通铣床相比，数控铣床切削用量的优化具有特别的意义：

普通铣床的切削用量一般是有级调整，只能取得有限的不连续的一些值，数控铣床切削用量可以无级调整，可以近似为连续变量，这既是一个利用切削用量优化结果的有利条件，又加剧了进行切削用量优化的迫切性；

数控铣床切削用量一般在加工前编制的程序中确定，虽然也可以根据现场加工情况由操作者临时调整，但这样一来就增加了人的劳动强度；另外，随着现代制造业中无人化程度越来越高，很多时候一个人要管理很多台设备，不能在某台设备上花费过多时间，因此希望程序中能够直接给出合理的切削用量；

为了使数控铣床主轴获得高的转速与较大的调速范围，愈来愈多要求简化主轴箱，甚至希望主轴直接驱动。这样，数控铣床主轴能够承受的转矩就大大降低了，其切削用量与普通铣床应该有所不同。而现有的切削用量手册对两者一般是不加区分的，因此有必要对切削数据手册推荐的切削用量做调整。

如果数控铣床是柔性制造系统中的成员，那么可能经常需要根据现场情况的变化改变生产节拍，这样就会涉及切削用量的合理变更。

5 结束语

随着现代加工业自动化程度的提高，以及柔性制造系统中经常改变生产节拍的需要，合理切削用量的确定及随着客观条件的变化而变更已成为一个日益迫切的要求。本文在数控铣床切削用量的传统确定方法和优化方面作了比较，在加工零件时，刀具每一次走刀之间、甚至在每一次走刀的过程中，切深、切宽都是不断变化的，因此合理的切削用量在不断变化中。如果整个数控代码中的切削用量都设定为一个固定值，出于安全考虑，该值只能是与该次加工中切深、切宽最大的走刀相对应的切削用量；而在切深、切宽较小的走刀过程中，仍然使用这个固定的切削用量就浪费了时间，如果CAM软件中能够比较方便地分别设置每次走刀时的切削用量（甚至更进一步，CAM软件能够自动算出每一段刀轨的切深和切宽，并自动给每一段刀轨设置不同的优化后的切削用量），那么不需要增加任何投资，就可以大大提高加工效率。

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