数控车铣切削加工工艺参数优化分析

刘 智

（齐齐哈尔工程学院，齐齐哈尔 161000）

铣削是利用可旋转的铣刀（具有一个或多个刀齿的旋转刀具）在毛坯上走刀，将金属工件切出所需形状或特征的加工工艺，是零件平面加工主要方法。以此法切削金属工件，通常是将毛坯固定，由刀具做主动旋转运动，其加工零件的精准度会对机械设备的性能造成直接影响[1]。以往，铣削主要用于零件外形特征的简单加工，随着数控技术的发展，数控车铣在机械加工领域得到广泛应用。数控车铣是一种基于传统铣床加工工艺、利用电子数字化技术进行控制的自动化设备，实现了对零件复杂外形和特征的加工[2]。数控车铣属于精密设备，对切削加工的精度要求高，目前我国已经制定了数控车铣的精度标准，但影响数控车铣切削加工质量的因素众多，进一步优化加工工艺参数，以提高数控车铣切削加工精度、加工效率与经济效益十分必要，因此对此进行分析探讨具有十分重要的现实意义。

1 数控车铣概述

1.1 数控车铣基本组成

数控车铣主要由I/O装置、数控装置、伺服驱动装置、测量反馈装置、辅助控制机构以及机床主体6个部分组成。

（1）I/O装置。I/O装置是管理和控制计算机的输入/输出设备，是数控车铣操作系统，主要用于数控加工或运动控制程序、加工与控制数据、机床参数等数据的输入和输出。

（2）数控装置。数控装置的作用是借助内部逻辑电路或控制软件对I/O装置输出/输入的数据进行编译、运算、处理和输出，从而控制车铣各部件进行规定动作。

（3）伺服驱动装置。伺服驱动装置由伺服放大器、执行机构等部件组成，用于控制伺服电机。数控车铣一般采用交流伺服电动机，其所用伺服放大器必须与驱动电机相配套。

（4）测量反馈装置。测量反馈装置的作用是通过现代化测量元件检测执行元件和工作台的实际速度和移位并反馈，用以补偿进给速度或运动误差，提高精度。

（5）辅助控制机构。辅助控制机构主要用于接收数控车铣辅助指令信号，包括数控装置输出的主轴转速、刀具选择交换指令、工件与机床部件的松开或夹紧等。

（6）机床主体。机床主体为数控车铣机械结构件，包括床身、传动系统、工作台、润滑系统、冷却装置以及防护系统等。

1.2 数控车铣的工作原理

数控车铣的加工利用了微分方程基本理论，数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，将轨迹按机床对应的坐标轴，以最小移动量为单位进行微分，计算出各坐标需要移动的脉冲数；通过数控装置的插补软件，将要求的轨迹用以最小移动量为单位的等效折线进行拟合，找出最接近理论轨迹的拟合折线，数控装置据此给相应坐标轴连续不断地分配进给脉冲，通过伺服驱动器使机床坐标轴按分配的脉冲运动[3]。在数控车铣加工中，数控机床联动轴数与加工轮廓的性能密切相关，联动轴数量越多，加工轮廓性能越强，是衡量数控车铣性能的重要技术指标。

2 影响数控车铣切削加工精度的因素

2.1 编程数据处理

数控车铣是由电子计算机控制的自动化加工设备，设备切削加工相关操作均由I/O装置进行智能控制，编程数据处理是影响切削加工工艺参数最直接的因素，进而影响零件切削加工的精度。计算机编程尺寸公差换算是数控车铣切削加工工艺参数数据处理最关键的编程结点，通常要求根据待加工工件的具体形状和特征以及工件与机械其他部件的装配关系进行综合分析和计算，计算要求精准，一旦出现较大误差，会直接降低工件规格的准确度，甚至造成工件报废[4]。我国数控车铣控制系统尚未统一，不同厂家和型号的数控车铣的控制系统存在差异，有些可实现全自动计算，有些则需要结合人工计算。由于曲面加工的特殊性，无论哪种方法都不可避免地存在误差，因此采取有效措施优化数控车铣切削加工工艺参数以控制工件精度达标十分必要。

2.2 刀具的性能和参数

数控车铣加工制造零部件主要依靠铣刀旋转不断切削，刀具的性能和参数也是影响工件加工精度的重要参数。一方面，数控车铣铣刀的切削形式与具体切削过程均由预先编写的数字化程序进行控制，但刀具在切削过程中，轴线会产生偏差，需要及时调整和控制，以避免偏差越来越大超出控制标准；另一方面，数控车铣的刀具在使用过程中会不可避免地出现磨损，由此所致的误差将会直接反映在加工工件的尺寸上。因此，为了确保数控车铣切削加工精准度，定期更换刀具十分必要。

2.3 切削路线的影响

首先，数控车铣切削加工时，刀具前进或后退方式不同或是采用不同的切削力与进给速度，会使刀具出现不同程度和方向上的弹性变形，是影响工件轮廓的重要因素。其次，工作台、主轴等主要运动部件实际运动轨迹与理想运动轨迹不相符时，也会导致数控车铣出现运动误差，包括数控机床几何误差、数控机床控制误差等。最后，数控车铣在切削过程，机床内部会产生大量的热，如切削热、摩擦热等，加之数控车铣场地周围外部热源影响，会导致机床温度分布发生改变，使设备出现附加热变形，导致机床形状出现有别于标准稳态状态的变化，进而改变机床各组件的相对位置，导致加工过程中出现非显性特征的热误差[5]。

由此可见，导致数控车铣切削加工精度的因素众多，其中编程数据处理不精确、参数选择错误对工件精度的影响最大，可能因此产生大批量超差报废零件，浪费资源的同时也会明显增加工件的生产成本。特别是对于具有复杂曲面的工件，切削条件是动态变化的，对数控车铣切削加工的精度要求很高，经验性选择保守的切削参数，往往生产效率不高，切削精度也欠理想。现以复杂曲面工件加工为例，就如何优化数控车铣切削加工工艺进行研究。

3 数控车铣切削加工工艺参数优化——以复杂曲面工件为例

3.1 车铣切削参数存在的问题

数控车铣切削加工参数是决定设备运行状态的重要因素，参数选择不当，不仅会影响工件加工精度，也会对设备管理、生产效率等造成不利影响，具体见表1。

表1 数控车铣切削加工参数不当的危害

3.2 数控车铣切削加工参数优化方法

案例工件为圆形置物盒，所用毛坯材料为3Cr2W8V， 规格为70 mm×70 mm×30 mm，使用OptiMil-XL优铣控制器。优化切削加工工艺参数需要借助数学规划理论，选择设计变量、目标函数与约束函数，通过构建数学模型优化设计数控车铣切削加工参数。以数控车铣加工复杂曲面工件时，加工参数无法根据加工需要实时调整、加工过程中数控车铣的切削条件变化较大是导致精度降低的重要原因。但是，在整个加工路径中的一些特定路径内，数控车铣的切削条件范围变化并不十分明显，可以在特定路径内用某一刀位点切削替代其他切点位，选定典型切削路线，设计刀具行走距离、切削步矩、背吃刀量等切削参数。

以数控车铣加工零件，在保证质量的前提下最大限度提高生产效率是生产加工最主要目的，因此优化切削工艺参数要以获得最大经济效益为原则。基于此，结合本次复杂曲面工件的实际加工要求，确定了最高生产效率优化目标函数（1）和最低成本目标优化函数（2）。

式（1）中：t为工件加工时间；t0为加工辅助时间；tc为换到单次换到时间；Z为铣刀齿数；fzi为铣刀各齿进给量；vfi为进给速度；li为刀具行进距离；d0为刀具直径；其他变量为常值系数。式（2）中：C为工件加工成本；M为特定工序下单位时间内工件加工产生的费用率；tm为切削时间；tc为换刀时间；t0为工件加工辅助时间；T为刀具耐用度。

数控车铣切削加工最大利润目标优化函数用平均利用率Pr表示，则Pr的值为单间产品利润减去工件加工成本的差值与工件加工时间之比。利用线性加权组合法，基于t、C、Pr这3个目标函数在工件加工中的重要程度，确定加权因子wi，在乘以目标函数fi(x)即可得到目标函数：

另外，优化数控车铣切削加工工艺参数，需要根据实际加工条件和工件具体生产要求，提炼约束条件，明确约束量：（1）设备机床的约束条件包括最大切削力和速度，进给速度范围；（2）刀具的约束条件包括最大切削力、进给量和最大切削速度；（3）工件质量要求的约束条件包括切削力、切削速度与最大进给量；（4）夹具的约束条件包括最大切削力。

基于此，优化数控车铣切削加工参数数学模型，确定数控加工约束条件：最大功率（Pmax）为8 kW；最大切削力（Fmax）为1 100 N；主轴最大转速（nmax）为4 500 r·min-1；最大（vfmax）、最小（vfmin）进给速度分别为1 900 mm·min-1和1 mm·min-1。参数优化前后数控车铣加工样本工件结果见表2。根据表2数据，对数控车铣切削加工参数进行优化后，样本工件加工时间缩短了100 s以上，曲面粗糙度明显改善，加工精度有所提升，加工成本也明显降低，生产加工效益 更高。

表2 样本工件切削参数优化前后结果比较

4 结论

影响数控车铣切削加工质量与加工效率的因素众多，包括编程数据处理、刀具的性能与参数、切削路线等，其中数控车铣切削加工参数是决定设备运行状态的重要因素，参数选择不当，对工件加工精度、设备管理、生产效率等均会造成不利影响。基于数控车铣加工特点，根据工件实际生产需要，合理设定数控车铣切削加工参数，基于实际案例对比分析，可以有效缩短工件加工时间，提高生产效率，降低工件表面粗糙度，提高加工精度质量，同时降低生产成本，提高生产效益。