数控铣削切削参数选择与优化*

张红梅 张静科 彭文 李志鹏 赵勇

(1.兰州工业学院,甘肃兰州 730050;2.兰州石化公司,甘肃兰州 730060)

随着科学技术的不断发展,零件加工质量的不断提升,对机械产品的加工精度、表面质量以及加工效率提出了更加苛刻的要求。如何正确选择切削用量,提升切削效率和零件的表面精度,是一直以来研究人员较为关注的问题。

1 数控铣削切削用量

包括铣削速度、进给量和背吃刀量三个要素,如图1所示。

(1)铣削速度vc。

在进行切削加工时,铣刀最大直径处切削刃的瞬时变化速度,单位为m/s或m/min。

式中,D0—铣刀直径,mm;

n0—铣刀转速,r/min。

(2)进给量。

铣削进给有三种形式[1]:

1)每齿进给量fz

铣刀每转过一个齿时,铣刀在进给运动方向上相对于工件的位移量,单位是mm/z。

2)每转进给量fr

刀具每转过一转时,铣刀在进给运动方向上相对于工件的位移量,单位是mm/r。

3)进给速度vf

铣刀每转1min,工件与铣刀沿进给方向的相对位移量,单位是mm/min

(3)背吃刀量ap。

每次刀具切削工件的深度,即与铣刀轴线平行测量的切削层尺寸,单位为mm。

图1 铣削用量要素Fig.1 Milling consumption factors

图2 进给速度确定Fig.2 Determining the feed rate

表1 切削用量影响因素及选择原则Tab.1 Influencing factors and selection principles of cutting parameters

(4)侧吃刀量ae。

与铣刀轴线垂直测量的切削层尺寸,单位为mm。

2 切削用量的选择

切削加工中,确定切削用量参数时要根据机床说明书的规定和要求,以及刀具的寿命去选择和计算,当然也要结合实践经验去确定。正确选择切削用量,也就是vc、f、ap最优组合,如表1所示。

3 切削参数优化模型

零件铣削时,影响生产效率的主要因素为切削速度、进给量、背吃刀量(轴向背吃刀量)和切削宽度(径向背吃刀量)。操作人员可根据生产实际情况,通过选择合适的背吃刀量和切削宽度进行切削,故视为已知量。则优化模型变量为v和fz,设为x1和x2。

(1)以最大生产率为目标的目标函数。批量生产时完成一道铣削加工的工时为:

图3 鼠标零件模型Fig.3 Mouse part model

其中,tm-工序切削时间;tc-工序间换刀时间;th-刀具磨损平均一道工序的换刀时间;td-除换刀时间以外的其他辅助时间;D-刀具直径;L-切削长度;z-刀具齿数;tm-刀具磨损的换刀时间;ae-切削宽度;ap-背吃刀量为刀具寿命系数。

按照最大生产率目标,其目标函数为:

(2)约束条件。

1)切削速度应该满足机床主轴转速约束:

图4 仿真加工过程Fig.4 Simulation processing process

表2 切削用量优化Tab.2 Cutting parameters optimization

nmin为机床加工最低转速,nmax机床加工最高转速。

2)进给量要满足每齿进给理约束,即:

vfmin为最小进给速度,vfmax为最大切削进给速度。

3)零件加工要达到其表面精糙度要标,即:

表3 优化结果Tab.3 Optimization results

Rmax为最大表面粗糙度,r为刀具刀尖半径。

4 优化实例

以图3所示典型曲面零件鼠标为例,应用CAD/CAM软件对其进行加工仿真并进行机床加工,如图4所示。该零件毛坯尺寸为,材料为硬铝,在VMC850数控机床进行加工,其切削用量进行分别可以选择如表2所示。

根据切削参数优化模型,分别对各工艺参数进行优化,其优化结果如表3所示。

通过优化前后数据比较,鼠标加工四道工序总加工时间缩短12.437min,加工成本减少6元,表面粗糙度提高至0.16,加工质量和效率整体上得到了提高。

5 结语

在数控铣削合理选择切削参数基础上,对数控铣削的切削用量进行了优化。建立铣削参数优化数学模型,利用CAM软件给出优化实例并优化加工程序,给出最优解,提高了加工效率。