張紅梅 張靜科 彭文 李志鵬 趙勇

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院,甘肅蘭州 730050;2.蘭州石化公司,甘肅蘭州 730060)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,零件加工質(zhì)量的不斷提升,對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的加工精度、表面質(zhì)量以及加工效率提出了更加苛刻的要求。如何正確選擇切削用量,提升切削效率和零件的表面精度,是一直以來研究人員較為關(guān)注的問題。

1 數(shù)控銑削切削用量

包括銑削速度、進(jìn)給量和背吃刀量三個(gè)要素,如圖1所示。

(1)銑削速度vc。

在進(jìn)行切削加工時(shí),銑刀最大直徑處切削刃的瞬時(shí)變化速度,單位為m/s或m/min。

式中,D0—銑刀直徑,mm;

n0—銑刀轉(zhuǎn)速,r/min。

(2)進(jìn)給量。

銑削進(jìn)給有三種形式[1]:

1)每齒進(jìn)給量fz

銑刀每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒時(shí),銑刀在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)于工件的位移量,單位是mm/z。

2)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量fr

刀具每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)時(shí),銑刀在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)于工件的位移量,單位是mm/r。

3)進(jìn)給速度vf

銑刀每轉(zhuǎn)1min,工件與銑刀沿進(jìn)給方向的相對(duì)位移量,單位是mm/min

(3)背吃刀量ap。

每次刀具切削工件的深度,即與銑刀軸線平行測(cè)量的切削層尺寸,單位為mm。

圖1 銑削用量要素Fig.1 Milling consumption factors

圖2 進(jìn)給速度確定Fig.2 Determining the feed rate

表1 切削用量影響因素及選擇原則Tab.1 Influencing factors and selection principles of cutting parameters

(4)側(cè)吃刀量ae。

與銑刀軸線垂直測(cè)量的切削層尺寸,單位為mm。

2 切削用量的選擇

切削加工中,確定切削用量參數(shù)時(shí)要根據(jù)機(jī)床說明書的規(guī)定和要求,以及刀具的壽命去選擇和計(jì)算,當(dāng)然也要結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)去確定。正確選擇切削用量,也就是vc、f、ap最優(yōu)組合,如表1所示。

3 切削參數(shù)優(yōu)化模型

零件銑削時(shí),影響生產(chǎn)效率的主要因素為切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量(軸向背吃刀量)和切削寬度(徑向背吃刀量)。操作人員可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況,通過選擇合適的背吃刀量和切削寬度進(jìn)行切削,故視為已知量。則優(yōu)化模型變量為v和fz,設(shè)為x1和x2。

(1)以最大生產(chǎn)率為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)。批量生產(chǎn)時(shí)完成一道銑削加工的工時(shí)為:

圖3 鼠標(biāo)零件模型Fig.3 Mouse part model

其中,tm-工序切削時(shí)間;tc-工序間換刀時(shí)間;th-刀具磨損平均一道工序的換刀時(shí)間;td-除換刀時(shí)間以外的其他輔助時(shí)間;D-刀具直徑;L-切削長度;z-刀具齒數(shù);tm-刀具磨損的換刀時(shí)間;ae-切削寬度;ap-背吃刀量為刀具壽命系數(shù)。

按照最大生產(chǎn)率目標(biāo),其目標(biāo)函數(shù)為:

(2)約束條件。

1)切削速度應(yīng)該滿足機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速約束:

圖4 仿真加工過程Fig.4 Simulation processing process

表2 切削用量優(yōu)化Tab.2 Cutting parameters optimization

nmin為機(jī)床加工最低轉(zhuǎn)速,nmax機(jī)床加工最高轉(zhuǎn)速。

2)進(jìn)給量要滿足每齒進(jìn)給理約束,即:

vfmin為最小進(jìn)給速度,vfmax為最大切削進(jìn)給速度。

3)零件加工要達(dá)到其表面精糙度要標(biāo),即:

表3 優(yōu)化結(jié)果Tab.3 Optimization results

Rmax為最大表面粗糙度,r為刀具刀尖半徑。

4 優(yōu)化實(shí)例

以圖3所示典型曲面零件鼠標(biāo)為例,應(yīng)用CAD/CAM軟件對(duì)其進(jìn)行加工仿真并進(jìn)行機(jī)床加工,如圖4所示。該零件毛坯尺寸為,材料為硬鋁,在VMC850數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工,其切削用量進(jìn)行分別可以選擇如表2所示。

根據(jù)切削參數(shù)優(yōu)化模型,分別對(duì)各工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,其優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

通過優(yōu)化前后數(shù)據(jù)比較,鼠標(biāo)加工四道工序總加工時(shí)間縮短12.437min,加工成本減少6元,表面粗糙度提高至0.16,加工質(zhì)量和效率整體上得到了提高。

5 結(jié)語

在數(shù)控銑削合理選擇切削參數(shù)基礎(chǔ)上,對(duì)數(shù)控銑削的切削用量進(jìn)行了優(yōu)化。建立銑削參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,利用CAM軟件給出優(yōu)化實(shí)例并優(yōu)化加工程序,給出最優(yōu)解,提高了加工效率。