劉 智

（齊齊哈爾工程學院，齊齊哈爾 161000）

銑削是利用可旋轉(zhuǎn)的銑刀（具有一個或多個刀齒的旋轉(zhuǎn)刀具）在毛坯上走刀，將金屬工件切出所需形狀或特征的加工工藝，是零件平面加工主要方法。以此法切削金屬工件，通常是將毛坯固定，由刀具做主動旋轉(zhuǎn)運動，其加工零件的精準度會對機械設備的性能造成直接影響[1]。以往，銑削主要用于零件外形特征的簡單加工，隨著數(shù)控技術的發(fā)展，數(shù)控車銑在機械加工領域得到廣泛應用。數(shù)控車銑是一種基于傳統(tǒng)銑床加工工藝、利用電子數(shù)字化技術進行控制的自動化設備，實現(xiàn)了對零件復雜外形和特征的加工[2]。數(shù)控車銑屬于精密設備，對切削加工的精度要求高，目前我國已經(jīng)制定了數(shù)控車銑的精度標準，但影響數(shù)控車銑切削加工質(zhì)量的因素眾多，進一步優(yōu)化加工工藝參數(shù)，以提高數(shù)控車銑切削加工精度、加工效率與經(jīng)濟效益十分必要，因此對此進行分析探討具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 數(shù)控車銑概述

1.1 數(shù)控車銑基本組成

數(shù)控車銑主要由I/O裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、測量反饋裝置、輔助控制機構(gòu)以及機床主體6個部分組成。

（1）I/O裝置。I/O裝置是管理和控制計算機的輸入/輸出設備，是數(shù)控車銑操作系統(tǒng)，主要用于數(shù)控加工或運動控制程序、加工與控制數(shù)據(jù)、機床參數(shù)等數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

（2）數(shù)控裝置。數(shù)控裝置的作用是借助內(nèi)部邏輯電路或控制軟件對I/O裝置輸出/輸入的數(shù)據(jù)進行編譯、運算、處理和輸出，從而控制車銑各部件進行規(guī)定動作。

（3）伺服驅(qū)動裝置。伺服驅(qū)動裝置由伺服放大器、執(zhí)行機構(gòu)等部件組成，用于控制伺服電機。數(shù)控車銑一般采用交流伺服電動機，其所用伺服放大器必須與驅(qū)動電機相配套。

（4）測量反饋裝置。測量反饋裝置的作用是通過現(xiàn)代化測量元件檢測執(zhí)行元件和工作臺的實際速度和移位并反饋，用以補償進給速度或運動誤差，提高精度。

（5）輔助控制機構(gòu)。輔助控制機構(gòu)主要用于接收數(shù)控車銑輔助指令信號，包括數(shù)控裝置輸出的主軸轉(zhuǎn)速、刀具選擇交換指令、工件與機床部件的松開或夾緊等。

（6）機床主體。機床主體為數(shù)控車銑機械結(jié)構(gòu)件，包括床身、傳動系統(tǒng)、工作臺、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置以及防護系統(tǒng)等。

1.2 數(shù)控車銑的工作原理

數(shù)控車銑的加工利用了微分方程基本理論，數(shù)控裝置根據(jù)加工程序要求的刀具軌跡，將軌跡按機床對應的坐標軸，以最小移動量為單位進行微分，計算出各坐標需要移動的脈沖數(shù)；通過數(shù)控裝置的插補軟件，將要求的軌跡用以最小移動量為單位的等效折線進行擬合，找出最接近理論軌跡的擬合折線，數(shù)控裝置據(jù)此給相應坐標軸連續(xù)不斷地分配進給脈沖，通過伺服驅(qū)動器使機床坐標軸按分配的脈沖運動[3]。在數(shù)控車銑加工中，數(shù)控機床聯(lián)動軸數(shù)與加工輪廓的性能密切相關，聯(lián)動軸數(shù)量越多，加工輪廓性能越強，是衡量數(shù)控車銑性能的重要技術指標。

2 影響數(shù)控車銑切削加工精度的因素

2.1 編程數(shù)據(jù)處理

數(shù)控車銑是由電子計算機控制的自動化加工設備，設備切削加工相關操作均由I/O裝置進行智能控制，編程數(shù)據(jù)處理是影響切削加工工藝參數(shù)最直接的因素，進而影響零件切削加工的精度。計算機編程尺寸公差換算是數(shù)控車銑切削加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)處理最關鍵的編程結(jié)點，通常要求根據(jù)待加工工件的具體形狀和特征以及工件與機械其他部件的裝配關系進行綜合分析和計算，計算要求精準，一旦出現(xiàn)較大誤差，會直接降低工件規(guī)格的準確度，甚至造成工件報廢[4]。我國數(shù)控車銑控制系統(tǒng)尚未統(tǒng)一，不同廠家和型號的數(shù)控車銑的控制系統(tǒng)存在差異，有些可實現(xiàn)全自動計算，有些則需要結(jié)合人工計算。由于曲面加工的特殊性，無論哪種方法都不可避免地存在誤差，因此采取有效措施優(yōu)化數(shù)控車銑切削加工工藝參數(shù)以控制工件精度達標十分必要。

2.2 刀具的性能和參數(shù)

數(shù)控車銑加工制造零部件主要依靠銑刀旋轉(zhuǎn)不斷切削，刀具的性能和參數(shù)也是影響工件加工精度的重要參數(shù)。一方面，數(shù)控車銑銑刀的切削形式與具體切削過程均由預先編寫的數(shù)字化程序進行控制，但刀具在切削過程中，軸線會產(chǎn)生偏差，需要及時調(diào)整和控制，以避免偏差越來越大超出控制標準；另一方面，數(shù)控車銑的刀具在使用過程中會不可避免地出現(xiàn)磨損，由此所致的誤差將會直接反映在加工工件的尺寸上。因此，為了確保數(shù)控車銑切削加工精準度，定期更換刀具十分必要。

2.3 切削路線的影響

首先，數(shù)控車銑切削加工時，刀具前進或后退方式不同或是采用不同的切削力與進給速度，會使刀具出現(xiàn)不同程度和方向上的彈性變形，是影響工件輪廓的重要因素。其次，工作臺、主軸等主要運動部件實際運動軌跡與理想運動軌跡不相符時，也會導致數(shù)控車銑出現(xiàn)運動誤差，包括數(shù)控機床幾何誤差、數(shù)控機床控制誤差等。最后，數(shù)控車銑在切削過程，機床內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱，如切削熱、摩擦熱等，加之數(shù)控車銑場地周圍外部熱源影響，會導致機床溫度分布發(fā)生改變，使設備出現(xiàn)附加熱變形，導致機床形狀出現(xiàn)有別于標準穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的變化，進而改變機床各組件的相對位置，導致加工過程中出現(xiàn)非顯性特征的熱誤差[5]。

由此可見，導致數(shù)控車銑切削加工精度的因素眾多，其中編程數(shù)據(jù)處理不精確、參數(shù)選擇錯誤對工件精度的影響最大，可能因此產(chǎn)生大批量超差報廢零件，浪費資源的同時也會明顯增加工件的生產(chǎn)成本。特別是對于具有復雜曲面的工件，切削條件是動態(tài)變化的，對數(shù)控車銑切削加工的精度要求很高，經(jīng)驗性選擇保守的切削參數(shù)，往往生產(chǎn)效率不高，切削精度也欠理想?，F(xiàn)以復雜曲面工件加工為例，就如何優(yōu)化數(shù)控車銑切削加工工藝進行研究。

3 數(shù)控車銑切削加工工藝參數(shù)優(yōu)化——以復雜曲面工件為例

3.1 車銑切削參數(shù)存在的問題

數(shù)控車銑切削加工參數(shù)是決定設備運行狀態(tài)的重要因素，參數(shù)選擇不當，不僅會影響工件加工精度，也會對設備管理、生產(chǎn)效率等造成不利影響，具體見表1。

表1 數(shù)控車銑切削加工參數(shù)不當?shù)奈：?/p>

3.2 數(shù)控車銑切削加工參數(shù)優(yōu)化方法

案例工件為圓形置物盒，所用毛坯材料為3Cr2W8V， 規(guī)格為70 mm×70 mm×30 mm，使用OptiMil-XL優(yōu)銑控制器。優(yōu)化切削加工工藝參數(shù)需要借助數(shù)學規(guī)劃理論，選擇設計變量、目標函數(shù)與約束函數(shù)，通過構(gòu)建數(shù)學模型優(yōu)化設計數(shù)控車銑切削加工參數(shù)。以數(shù)控車銑加工復雜曲面工件時，加工參數(shù)無法根據(jù)加工需要實時調(diào)整、加工過程中數(shù)控車銑的切削條件變化較大是導致精度降低的重要原因。但是，在整個加工路徑中的一些特定路徑內(nèi)，數(shù)控車銑的切削條件范圍變化并不十分明顯，可以在特定路徑內(nèi)用某一刀位點切削替代其他切點位，選定典型切削路線，設計刀具行走距離、切削步矩、背吃刀量等切削參數(shù)。

以數(shù)控車銑加工零件，在保證質(zhì)量的前提下最大限度提高生產(chǎn)效率是生產(chǎn)加工最主要目的，因此優(yōu)化切削工藝參數(shù)要以獲得最大經(jīng)濟效益為原則?；诖?，結(jié)合本次復雜曲面工件的實際加工要求，確定了最高生產(chǎn)效率優(yōu)化目標函數(shù)（1）和最低成本目標優(yōu)化函數(shù)（2）。

式（1）中：t為工件加工時間；t0為加工輔助時間；tc為換到單次換到時間；Z為銑刀齒數(shù)；fzi為銑刀各齒進給量；vfi為進給速度；li為刀具行進距離；d0為刀具直徑；其他變量為常值系數(shù)。式（2）中：C為工件加工成本；M為特定工序下單位時間內(nèi)工件加工產(chǎn)生的費用率；tm為切削時間；tc為換刀時間；t0為工件加工輔助時間；T為刀具耐用度。

數(shù)控車銑切削加工最大利潤目標優(yōu)化函數(shù)用平均利用率Pr表示，則Pr的值為單間產(chǎn)品利潤減去工件加工成本的差值與工件加工時間之比。利用線性加權組合法，基于t、C、Pr這3個目標函數(shù)在工件加工中的重要程度，確定加權因子wi，在乘以目標函數(shù)fi(x)即可得到目標函數(shù)：

另外，優(yōu)化數(shù)控車銑切削加工工藝參數(shù)，需要根據(jù)實際加工條件和工件具體生產(chǎn)要求，提煉約束條件，明確約束量：（1）設備機床的約束條件包括最大切削力和速度，進給速度范圍；（2）刀具的約束條件包括最大切削力、進給量和最大切削速度；（3）工件質(zhì)量要求的約束條件包括切削力、切削速度與最大進給量；（4）夾具的約束條件包括最大切削力。

基于此，優(yōu)化數(shù)控車銑切削加工參數(shù)數(shù)學模型，確定數(shù)控加工約束條件：最大功率（Pmax）為8 kW；最大切削力（Fmax）為1 100 N；主軸最大轉(zhuǎn)速（nmax）為4 500 r·min-1；最大（vfmax）、最小（vfmin）進給速度分別為1 900 mm·min-1和1 mm·min-1。參數(shù)優(yōu)化前后數(shù)控車銑加工樣本工件結(jié)果見表2。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，對數(shù)控車銑切削加工參數(shù)進行優(yōu)化后，樣本工件加工時間縮短了100 s以上，曲面粗糙度明顯改善，加工精度有所提升，加工成本也明顯降低，生產(chǎn)加工效益 更高。

表2 樣本工件切削參數(shù)優(yōu)化前后結(jié)果比較

4 結(jié)論

影響數(shù)控車銑切削加工質(zhì)量與加工效率的因素眾多，包括編程數(shù)據(jù)處理、刀具的性能與參數(shù)、切削路線等，其中數(shù)控車銑切削加工參數(shù)是決定設備運行狀態(tài)的重要因素，參數(shù)選擇不當，對工件加工精度、設備管理、生產(chǎn)效率等均會造成不利影響?；跀?shù)控車銑加工特點，根據(jù)工件實際生產(chǎn)需要，合理設定數(shù)控車銑切削加工參數(shù)，基于實際案例對比分析，可以有效縮短工件加工時間，提高生產(chǎn)效率，降低工件表面粗糙度，提高加工精度質(zhì)量，同時降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效益。