硕士学位论文-基于工况模型的切削参数动态优化方法研究.pdf

? ? ? 10699 ? ? ? ? ? ? ? ? ? tp391.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 056055034 题题题题目目目目 基于工况模型的切削参数基于工况模型的切削参数基于工况模型的切削参数基于工况模型的切削参数 动态优化方法研究动态优化方法研究动态优化方法研究动态优化方法研究 作者作者作者作者 李启李启李启李启璘璘璘璘 学科学科学科学科、专业专业专业专业 航空宇航制造工程航空宇航制造工程航空宇航制造工程航空宇航制造工程 指指指指 导导导导 教教教教 师师师师 张定华张定华张定华张定华 申请学位日期申请学位日期申请学位日期申请学位日期 二零零八年二零零八年二零零八年二零零八年三三三三月月月月 硕硕硕硕 士士士士 学学学学 位位位位 论论论论 文文文文 (学学学学 位位位位 研研研研 究究究究 生生生生) 题目题目题目题目 基于工况模型的基于工况模型的基于工况模型的基于工况模型的切削参数切削参数切削参数切削参数 动态优化方法动态优化方法动态优化方法动态优化方法研究研究研究研究 作者作者作者作者 李启璘李启璘李启璘李启璘 学科学科学科学科（专业专业专业专业） 航空宇航制造工程航空宇航制造工程航空宇航制造工程航空宇航制造工程 指导教师指导教师指导教师指导教师 张定华张定华张定华张定华 专业技术职务专业技术职务专业技术职务专业技术职务 教教教教 授授授授 二二二二八年八年八年八年 三三三三月月月月 dissertation for the degree of master study on dynamic optimizing method of cutting parameter based on cutting conditions model by qilin li aeronautical and astronautical manufacturing engineering supervisor: prof. dinghui zhang february, 2008 i 摘摘摘摘 要要要要 自由曲面类零件广泛应用于航空、航天、汽车、模具等行业。此类零件形 状复杂、加工质量要求高、加工困难。数控加工可使产品获得稳定的加工质量， 生产效率高，周期短，可适应产品快速更新换代的要求，所以数控加工是实现 自由曲面类零件高效高质生产最为有效的手段。在自由曲面类零件的数控加工 中，进给速度是影响加工时间、工件表面质量的主要因素，因此采用合理的方 法对加工中的进给速度进行优化对于保证加工质量，提高加工效率有着非常重 要的意义。本文针对自由曲面类零件的特点及在数控加工中切削参数的优化现 状，研究了自由曲面类零件数控加工中进给速度的优化方法。 （1）进给速度的优化是在对切削参数合理选择的基础上进行的，所以本文 分析了数控加工中的切削参数及其对加工的影响，切削参数的选择原则及常用 优化控制方法，并依据自由曲面的结构特点及其在数控加工中的影响因素，提 出了基于工况模型的进给速度的动态优化策略。 （2）自由曲面是以复杂方式自由地变化，数学模型复杂。本文对自由曲面 进行了近似，以便能用相对简单的数学模型近似描述复杂曲面的变化情况。因 此本文研究了自由曲面的近似方法并依据该方法对自由曲面进行了近似。对自 由曲面数控加工中的工况进行了定义、分类，依据各工况对加工效果的影响程 度建立了球头刀铣削加工近似曲面的典型工况模型。 （3）以典型工况模型及确定的优化匹配条件为基础，通过基于工况模型的 匹配优化算法对自由曲面类零件数控加工中进给速度进行优化。并对基于工况 模型的进给速度的优化结果进行了分析，依据加工所用机床的加减速特性及加 工过程段等工况对优化结果进行了控制?为了保证机床加工中速度过渡的平滑 性，对进给速度进行了分段优化。 （4）最后以典型自由曲面类零件的数控模拟加工为例，对优化前后的结果 进行了对比分析，结果可知，本文研究的进给速度的优化方法，克服了常规恒 定进给速度设置方法的不足，不仅可以准确的优化进给速度，提高自由曲面类 零件的加工效率，而且不需要反复试验来选择优化参数，方便应用于实际加工。 关键词关键词关键词关键词：自由曲面，切削参数，工况模型，进给速度，工况匹配 ii iii abstract free-form surface parts have been widely used in many industries such as aerospace, astronavigation, automotive, die and mould. and these parts are always complex in shape, high quality in product, and difficult to machine. numerical control (nc) machining is always the most effective means which is used to improve machining quality and efficiency of free-form surface parts because of its efficient, short cycle and letting products can obtain stable quality and quickly adapt requirements for update in manufacture. the feed-rate chiefly influence machining time and surface quality, so it have vital meaning for maintaining high quality of parts and improving the efficiency by using appropriate method to optimize the feed-rate in nc machining of free-form surface parts. with consideration of characteristic of free-form surfaces and present state of optimizing for cutting parameters, the optimizing method for feed-rate of free-form surface parts in nc machining is studied in this article. （1）the optimizing of feed-rate is based on the reasonable selection of cutting parameters, so the thesis analyses the cutting parameter and its influence, selection principle and commonly optimizing method of cutting parameter. an optimizing strategy of feed-rate for free-form surface parts in nc machining is presented according to the characteristic of free-form surface and influencing factors in nc machining. （2）the free-form surface is freely changed in sophisticated manner and complex in mathematical model. in order to describe the changing of complex surface by using a relatively simple mathematical model, the free-form surface is approximateded in this paper. the prox method of free-form surface is studied and the surface is approximateded according to this method. the operating mode of nc machining is defined and classed. the typical model of cutting conditions for ball-end milling is established according to the influence degree of operating mode to manufacturing effect. (3) the feed-rate of free-form surface in nc machining is optimized by using matched optimizing algorithm based on the typical cutting condition model and determined conditions of matching for optimization. the optimized result is analysed and the result is controlled according to the cutting conditions such as the character iv of acceleration and deceleration of machine tool and manufacturing proce- dure. in order to assurance the smoothness of machine tools speed the feed-rate is optimized by sectionalizing. finally the result of optimized fore and after is contrasted by using the typical part of free-form surface in nc machining as example. the results prove that the optimizing method of feed-rate in this article against the shortage in choosing feed rate. the method not only can optimize the feed rate correctly and promote the efficiency of free-form surface parts, but also doesnt need to experiment frequently to get the optimization parameters, and used in actual manufacture conveniencely. keywords: free-form surface, cutting parameter, cutting condition model, feed-rate, matching of operating mode i 目目目目 录录录录 摘摘摘摘 要要要要i abstract.iii 目目目目 录录录录i 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 .1 1.1 研究背景 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.3 存在问题分析及本研究方法的提出 .4 1.4 论文研究内容和章节安排 .5 1.5 本章小结 .6 第二章第二章第二章第二章 切削参数及其优化切削参数及其优化切削参数及其优化切削参数及其优化.7 2.1 数控加工切削参数及其对加工的影响 .错误错误错误错误！未定义书签未定义书签未定义书签未定义书签。 2.1.1 数控加工基本原理.7 2.1.2 数控加工中的切削参数.8 2.1.3 切削参数对加工的影响.10 2.2 切削参数的选择原则及方法 .11 2.2.1 切削参数的选择原则.11 2.2.2 切削参数的选择方法.11 2.2.3 自由曲面加工中切削参数的选用.14 2.3 切削参数的优化 .15 2.3.1 切削参数的常用优化方法.15 2.3.2 自由曲面加工中切削参数的优化.15 2.3.3 基于工况模型的进给速度优化.16 2.4 本章小结 .16 第三章第三章第三章第三章 曲面近似及工况建模曲面近似及工况建模曲面近似及工况建模曲面近似及工况建模.17 3.1 曲线曲面相关理论 .17 3.1.1 曲线部分相关内容.17 3.1.2 曲面部分相关内容.19 3.1.3 曲面在点邻域内的近似结构.21 3.2 自由曲线曲面的近似 .22 3.2.1 平面曲线的近似.22 3.2.2 自由曲面的近似.23 ii 3.3 工况定义与分析 .24 3.3.1 数控加工中工况的定义.24 3.3.2 工况因素的影响分析.25 3.4 工况建模及进给测定 .31 3.4.1 工况模型的建立.31 3.4.2 工况模型最优进给速度的测定.36 3.5 本章小结 .38 第四章第四章第四章第四章 基于工况模型的进给速度匹配优化的实现基于工况模型的进给速度匹配优化的实现基于工况模型的进给速度匹配优化的实现基于工况模型的进给速度匹配优化的实现.39 4.1 二维平面轮廓加工的进给速度优化控制 .39 4.1.1 二维平面轮廓加工进给速度优化方法.39 4.1.2 匹配优化条件确定.39 4.1.3 匹配优化算法实现.40 4.2 三维自由曲面加工进给速度的匹配优化实现 .47 4.2.1 三维自由曲面加工进给速度优化方法.47 4.2.2 匹配优化条件的确定.48 4.2.3 匹配优化算法实现及优化结果分析.49 4.3 本章小结 .62 第五章第五章第五章第五章 进给速度进给速度进给速度进给速度优化算例分析优化算例分析优化算例分析优化算例分析.63 5.1 优化算例模型及进给速度优化分析 .63 5.1.1 优化模型.63 5.1.2 进给速度优化分析.63 5.2 模拟加工验证 .69 5.2.1 轨迹规划.69 5.2.2 模拟加工.69 5.2.3 模拟加工结果对比.69 5.3 本章小结 .70 第六章第六章第六章第六章 总结与展望总结与展望总结与展望总结与展望 .71 6.1 全文总结 .71 6.2 工作展望 .71 参考文献参考文献参考文献参考文献 .73 硕士期间发表论文情况硕士期间发表论文情况硕士期间发表论文情况硕士期间发表论文情况 .77 致谢致谢致谢致谢78 1 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 1.1 研究背景 自由曲面类零件广泛应用于航空、航天、汽车、模具等行业。由于这些行 业的特殊性，此类零件往往具有型面复杂、几何精度要求高、表面粗糙度小、 加工困难等特点，在此类零件中，常见的加工工艺主要有数控加工、电解加工、 精密锻造或铸造等方法，由于数控加工生产效率高，生产周期短，可适应产品 快速更新换代的要求，所以数控加工是实现自由曲面类零件高效高质生产最为 有效的手段。然而由于数控设备价格昂贵，导致数控加工费用居高不下，从每 小时数百元到数千元不等，因此在保证加工质量的前提下提高数控加工效率以 降低生产成本成为当前数控加工行业的迫切要求。 提高数控加工效率、保证加工质量的有效途径是采用高效的加工策略和选 择合理的加工参数。其中高效的加工策略主要是选择合理的铣刀、精确而高效 的刀具轨迹及合理的加工余量。 迄今为止针对这方面的研究很多并且成果颇丰， 很多成熟的商业 cam 软件及研究机构均可利用合理的加工策略生成精确而高 效的刀具轨迹。然而切削参数的选择、优化与应用方面仍然不成熟，虽然许多 cam 软件也自带一些参数库，但库的内容有限并且往往是通用的参数，而数控 加工中涉及的变化因素很多， 参数的选择与应用必须结合当前的实际加工条件， 所以软件中的切削参数真正能用于实际加工的不多；另一方面，许多数控编程 人员的目标主要集中在编制高质量的数控程序上，而非切削参数的选择优化问 题上，同样数控操作人员对于切削参数的选择更是凭借经验来选择与应用；所 以目前许多零件在数控加工中切削参数的选择与应用仍然凭借手册或者加工人 员的经验，为保证加工质量，选择时常根据加工条件选择较保守的恒定值用于 整道工序的加工。 对于自由曲面类零件而言，由于曲面结构形状较特殊，在零件的加工过程 中，刀具和被加工零件间的切触状态有较大的不同，铣削过程中的切削载荷千 变万化，对应的铣削力大小也是起伏不定。如果使用较大的恒定切削参数，一 方面会使材料切除率波动并且可能超过刀具的承受极限，而导致刀具折断，机 床各运动轴的速度、加速度也可能超出允许的范围。另一方面，刀具在整个 加工过程中所承受的切削力是变化的，切削力是实际加工中影响加工稳定性的 关键因素，切削力过大导致机床颤震、引起加工误差、降低零件的加工效率和 2 表面加工质量。为了避免铣削力过大产生刀具破损或刀具变形过大引起加工误 差，恒定的切削参数通常是根据加工经验和查表法取切削载荷最大工况下的安 全值，这便使得整个数控铣削过程的绝大部分时间处于轻度载荷状态，极大地 影响了加工效率。因此切削参数的合理选择、优化与应用在保证零件的加工质 量、提高加工效率及设备的使用潜能、降低企业生产成本等方面有着非常重要 的意义。 1.2 国内外研究现状 （1）国外研究现状 切削参数的优化选择、控制与应用一直是国内外研究者们在数控加工领域 追求的目标。就如何合理选择与实际工况相适应的切削参数同行们进行了大量 的切实有效的工作，从过去的各种优化算法、智能推理到现在的基于力或材料 切除率的切削参数的动态控制，国外同行都进行了深入的研究。在切削参数的 合理与优化选择方面，m. v. ribero2等人建立的切削条件优化和刀具选择数据 库系统，能对切削加工过程中产生的大量数据进行优化处理，并按最大生产率 条件选择最优化的切削刀具和切削参数。s.v wong3等人建立的金属切削参数 选择通用模型，用模糊逻辑结合遗传算法实现对切削速度和进给速度的优化。 在利用材料切除率对切削参数的优化方面， jirawan kloypayan4等研究的适用于 不同刀具铣削加工的进给量自适应控制材料去除率方法，主要研究了加工腔体 类零件的基于材料切除率的进给量的自适应控制， 推导出以恒定切削力为条件、 刀具运动轨迹为直线、圆弧时的进给量自适应控制模型，并进行了验证与应用。 wang w p5开发了一种面向金属材料去除率优化的数控端铣实体造型系统，可 估计刀具运动的切屑负载和平均切削力，并以此为基础优化进给速度，使其在 满足加工约束条件下达到生产率最大化。美国 third wave 公司开发的 advantedge 软件基于材料的金属加工仿真加工中的力、刀具磨损以及应力、应 变和温度等，并把工件材料属性、机械动力学等集成在一个模型中，对切削过 程及参数进行优化。在用模拟方式进行进给速度的优化方面，altintas6,7开发了 一种基于几何实体结构模型的铣削过程模拟系统，用于 2 轴半工件的加工工艺 规划。通过模拟刀位点的切削力、扭矩、功率和零件尺寸误差，可以计算出多 约束条件下的最大进给速度值。seok-hyung bae8建立了数控加工过程几何仿 真模型，研究了端铣削过程材料去除率与刀具路径的关系，并通过实验建立了 铣削力与材料去除率的关系数据库，以此作为进给速度优化的依据。fussell9 开发了一个三维轮廓端铣削模拟优化系统，可在给定加工工件、刀具和加工公 3 差情况下自动调整进给速度。takata 等10提出了将切削模拟系统用于产品可加 工性评估的思想。通过对加工过程的模拟可计算出端铣加工刀具所承受的切削 力，进而可估算出刀具变形和由刀具变形引起的加工误差。weinert11进一步提 出了用加工模拟的方法估算因切削力引起的铣削轮廓偏差，并据之优化每一刀 具路径的进给速度的思想。在用基于切削力进行进给速度的优化方面，zeki， yazar12等基于切削力对进给速度进行优化。b. k. fussell，r. b. jerard 13等人 基于离散模型将铣削力学模型和仿真模型相结合来研究进给速度优化技术。类 似地，jeong hoon ko14开发了一种基于 nc 程序的离线进给速度优化系统， 这种系统考虑了切削力和切削精度对于数控加工的影响。对于给定的 nc 程 序，该系统能有效的预测数控加工过程中的切削力变化情况，根据切削载荷的 变化调整进给速度以达到较好的表面精度和较高的加工效率。 t baily15 等基于 切屑厚度建立进给率优化模型来减少加工时间。在对自由曲面类零件进给速度 的优化上，有基于表面粗糙度的优化方法，如 dae kyun baek等利用粗糙度 模型对曲面加工中的进给速度进行优化控制。 但主要以基于切削力的方法为主， 如 yang 和 sim !“ #$分析了球头铣刀加工自由曲面的特点， 建立了球头刀切削力 模型和曲面误差模型，用于精加工 nc 刀位数据文件的模拟，可为每一刀具路 径决定一个“合理的进给速度” ，既保证了加工精度，又提高了加工效率。chu c n %$等以试验方法得出进给率与刀具切削特征的关系，来优化进给速度。 b.u.guzel ( $ 基于刀具轨迹的动力学分析，探讨了由于机床运动坐标加速度过大导致的过切 或欠切现象的发生，并根据机床的动力学特性通过对进给速度的优化解决了这 一问题。华中科技大学彭芳瑜等人 () $针对大型叶片的五坐标粗加工给出了基于 恒定材料切除率的进给速度优化算法，其材料切除率的计算采用单位时间内加 工余量与加工横截面宽度以及进给速度的乘积进行近似计算。通过控制切削力 大小进行进给速度的优化选取是目前的研究热点，但在复杂曲面的多坐标加工 中切削力计算复杂。大连理工大学蔡玉俊 (* $等人的“一一一一种基于切削力模型的模 具型腔粗加工进给率优化策略” ，提出了通过正交切削试验建立切削力曲面模 型，用于模具型腔粗加工进给率优选的策略基于切削力曲面模型，采用多项 式拟合的方法构建刀具在许可切削力下的侧向切深和进给率的方程，根据建立 的方程计算每个刀位点处的进给率。通过典型模具型腔的粗加工试验验证，证 明该进给率优化策略不仅可以缩短加工时同，而且加工载荷均匀变化。北京航 空航天大学, 彭海涛 (: $等的“基于铣削力仿真模型的进给率优化方法” ，提出将 铣削力仿真模型应用于进给率优化的算法，由设定的峰值力确定出金属去除率 目标值，根据每段刀具轨迹的实际切削体积计算出相应的进给率数值。大连理 工大学王涛 ( !$提出了球头铣刀加工复杂曲面的表面形貌微观几何仿真算法，建 立了考虑剪切力和犁切力双重效应的球头铣刀铣削力预测模型。通过正交切削 实验回归出其中的犁切力系数和剪切力系数，将几何仿真得到的几何参数输入 铣削力预测模型，预测出球头铣刀的瞬时铣削力。以球头铣刀瞬时铣削力模型 预测的铣削力为依据，针对不同刀位点处的切削载荷，求出相应的进给速度， 对模具型腔数控加工进给速度进行了优化研究。 1.3 存在问题分析及本研究方法的提出 由以上研究现状可以看出，数控加工中对切削参数的优化尤其是自由曲面 类零件数控加工中进给速度的优化方法可归纳为以下几种： 基于表面粗糙度的优化方法；基于铣削过程几何仿真模型的恒定材料去除 +,-./0120345 678 9 4 5 率法；基于铣削力预测模型的瞬时铣削力法。这些方法在特定条件下都取得了 一定的成果，但各自都有一定的局限性，分析如下 （1） 基于表面粗糙度的优化方法主要以加工中保证零件的加工质量为主要 目标，而不是以提高加工效率为最终目标，所以加工效率较低。 （2） 基于铣削过程几何仿真模型的恒定材料去除率法一般在二维零件的加 工中使用较多，在三维复杂曲面中建立几何仿真模型方法复杂，计算量大，效 率低。且在使用球头刀加工复杂曲面零件时，同样体积的切削载荷作用在刀具 不同部位所产生的铣削力相差是很大的， 采用恒定材料去除率优化算法不准确。 （3） 在加工复杂的自由曲面类零件时多采用基于铣削力预测模型的优化方 法，但铣削力预测模型在铣削几何仿真之后，必须通过大量铣削实验建立切削 力与材料去除率的关系数据库，根据数据库资料对进给速度进行优化。但是由 于切削力模型与刀具、加工策略、刀具和工件的材料等有非常密切的联系，一 旦上述因素中有一种发生变化，就必须再次进行大量实验，建立新的数据库。 因此虽然基于铣削力预测模型的瞬时铣削力法理论上比恒定材料去除率的方法 更为精确，但是要应用于实际生产中还有比较大的困难。 鉴于以上分析本文提出了基于工况模型的进给速度动态优化方法，即依据 自由曲面在数控加工中实际工况的变化对进给速度进行优化控制，以使加工中 的进给速度能根据实际加工工况的变化进行动态调整。与以往优化方法相比， 本文的优化方法有以下特点：以控制加工中的切削力、保证加工质量、提高加 工效率等为目的，以工况模型为基础，以实验测定的最佳进给速度为条件，进 行基于工况匹配的进给速度的动态优化，工况模型虽反映了较多内容，但模型 并不复杂；匹配优化算法简单，计算量小。因此本文的优化方法对保证自由曲 面类零件的加工质量，提高加工效率，发挥数控机床的效率及潜力，促进自由 曲面类零件数控加工技术的发展具有重要的意义。 1.4 论文研究内容和章节安排 本论文主要以自由曲面类零件加工中进给速度的优化控制为研究目标， 分析 自由曲面类零件数控加工中的各种影响因素（工况），并对其进行分类总结，建 立典型工况的工况模型，对典型工况进行分析与实验加工，得到典型工况加工中 最佳的进给速度，用基于工况模型的匹配优化算法，实现对自由曲面类零件数控 加工中进给速度的动态优化控制。章节内容安排如下： 第一章 绪论 主要对论文的研究背景及切削参数优化方面的国内外研究现状做了介绍， +,-./0120345 678 9 4 6 分析了现有优化方法的局限性及不足，提出了基于工况模型的自由曲面类零件 数控加工中进给速度的优化方法，并对各章节的内容作了安排。 第二章 切削参数及其影响分析 切削参数在切削加工中起着非常重要的作用，影响着整个加工过程及加工 结果。本章主要就数控加工中的切削参数及其影响，切削参数的选择原则及切 削参数的优化控制、自由曲面类零件数控加工中切削参数优化等方面作了详细 介绍。 第三章 曲面近似及工况建模 自由曲面类零件数控加工中切削参数的优化问题一直是业内研究者关注的 热点，虽然迄今已有不少的优化方法出现，在应用方面也取得了一定的成果，但 也由于数控加工中切削条件的多变性，使得各种优化方法很难通用化，只能针对 特定加工环境。因此本章主要介绍了自由曲面的相关理论知识，阐述了自由曲面 的近似方法，对自由曲面类零件数控加工中的工况进行了定义及分类，分析了不 同工况对加工的影响，在此基础上建立了球头刀端铣加工的工况模型。 第四章 基于工况模型的进给速度动态优化的实现 主要介绍了基于工况模型的进给速度优化控制方法，并在确定优化匹配条 件的基础上对优化算法加以实现。 分析了基于工况模型的进给速度的优化结果， 根据加工所用机床加减速特性对优化结果进行控制，依据切削过程对加工中的 切入段、第一刀切削的进给速度进行优化控制，在此基础上对进给速度进行了 分段优化，以保证床能以平滑的速度过渡，提高机床的使用寿命及零件的加工 精度。 第五章 优化算例分析 以典型的自由曲面类零件航空发动机叶片的数控模拟加工为例， 对零件加工 中进给速度的使用情况进行了分析与比较， 以恒定的进给速度与基于工况匹配的 优化的进给速度分别对零件进行模拟加工，计算加工时间，对比分析结果可知， 本文的优化方法在自由曲面类零件的数控加工中可使加工效率大大提高。 1.5 本章小结 本章阐述了论文的研究背景，分析了目前自由曲面类零件数控加工领域切 削参数的选择与优化情况。结合自由曲面类零件数控加工中进给速度的优化研 究现状，提出了基于工况模型的进给速度动态优化方法。最后对论文的研究内 容和章节安排作了简单阐述。 +,-./0120345 6?abcd 7 第二章第二章第二章第二章 切削参数及其优化切削参数及其优化切削参数及其优化切削参数及其优化 数控加工是实现零件高效高质生产最为有效的手段，数控程序是数控加工 的前提，数控加工切削参数的合理选择、优化与应用是提高数控加工水平的关 键。而数控加工由于自动化程度很高，加工过程中一些切削参数不能够随意改 变，而这些参数对加工过程及加工结果有着重大的影响，所以在对零件进行加 工前必须根据加工条件对加工中所使用的切削参数进行合理选择，并根据目标 要求对关键参数进行优化控制与应用，以使零件的加工能够在最佳的切削状态 下进行，本章就数控加工中涉及的切削参数及其影响、选择、优化等方面的内 容进行详细介绍，为数控加工中切削参数的选择与优化提供一定的理论依据。 2.1 数控加工切削参数及其对加工的影响 2.1.1 数控加工基本原理 机床上的刀具和工件间的相对运动，称为表面成形运动，简称成形运动或切 削运动。 数控加工是指数控机床按照数控程序所确定的轨迹(称为数控刀轨)进行 表面成形运动，从而加工出产品的表面形状的过程。图2-1是平面轮廓加工和曲 面加工的切削示意图。图中1、5指刀具，2指刀位点，3、4指加工轨迹。 e fghijkl - e m gnijkl - opqr = l -st o 加工轨迹是由一系列简单的线段连接而成的折线，折线上的结点称为刀位 点，如图2-1（a）所示。刀具的中心点沿着刀轨依次经过每一个刀位点，从而切 削出工件的形状。 刀具从一个刀位点移动到下一个刀位点的运动称为数控机床的 插补运动。对于一般的数控机床，大多数只能以直线或圆弧这两种简单的运动形 式完成插补运动， 因此数控加工的刀轨是由许多直线段和圆弧段将刀位点连接而 成的折线，对于复杂的自由曲面类零件的多轴加工，通常由用直线段逼近理论曲 线的方式生成刀位轨迹。所以数控编程的主要任务就是计算出数控刀轨，并以程 序的形式输出到数控机床，其核心内容就是计算出数控刀轨上的刀位点。数控加 +,-./0120345 6?abcd 8 工过程就是在数控程序的控制及切削参数的作用下刀具对被加工零件的切削加 工。因此零件的加工品质不仅取决于数控加工程序的质量，而且受到切削参数等 因素的制约，所以下面就数控加工中所涉及的切削参数方面的内容进行介绍。 2.1.2 数控加工中的切削参数 （1）切削参数 数控加工中的切削参数涉及切削加工中所需求的各种参数信息u vwx，包括：机 床信息、刀具信息、工件信息、切削液信息、切削用量信息等内容，各内容之间 相互关联，相互约束，构成一个紧密相关的加工关系网。 根据切削过程中各参数的特点，可将它们分为非控制参数（工件材料、工件 形状、工件状态）、控制参数（机床、刀具、刀具材料、刀具几何参数、切削液、 切削用量）、过程参数（切削力、切削温度、刀具磨损、振动）和输出参数 (加 工精度、加工表面质量、刀具耐用度、切屑)等，如图2-2所示 opqp =?yz o 非控制参数体现的是被加工件的物理及几何特性， 是根据一定的使用要求选 择设计的，需要在控制参数的作用下，对过程参数进行控制，得到满足输出要求 的被加工零件。所以为了得到理想的输出结果，在切削过程中必须对控制参数进 行控制与调节，从而达到约束过程参数的目的。为此，必须对控制参数在数控加 工中的作用与影响进行分析，以便进行合理的选择与控制。 （2）切削用量 _a bcd bcef ghij kl mna op gh ghqr bcs ghtu a bcvw x mna yz qr yz| yz| a y f w gh vf b bc _ op yz +,-./0120345 6?abcd 9 切削用量是切削参数的一部分，习惯上总被称之为切削参数，内容主要指 加工中的切削线速度（或主轴转速），进给速度及切削深度，即通常所说的切 削用量三要素 u wx。 切削速度v 切削速度是刀刃上选定点相对于工件的主运动的速度。因为在切削加工中 刀刃上参与切削的刀具的有效直径可能不同，所以刀刃上各点的切削速度可能 是不同的。切削速度与主轴转速之间的关系为 1000 d n v = e g （2.1） 式中 d 为铣削运动时铣刀的切削部分的有效直径（mm） ，n 为主轴转速（r/min 或 r/s） 。由切削速度与主轴转速间的关系可知，机床主轴转速的选择与切削速 度密切相关，当切削速度确定以后转轴转速也就确定了。 进给量f 铣削加工的进给量f是指刀刃上选定点相对于工件的进给运动的速度，有 几种表示形式，分别为：每转进给量 r f 是指刀具转一周，工件与刀具沿进给 运动方向的相对位移量；每分进给量f（进给速度） ，是单位时间内工件与铣刀 沿进给方向的相对位移量；每齿进给量 z f指刀具每个齿在切削加工中沿进给 方向的相对位移量，单位分别为 mm/r，mm/min，mm/z。各进给量之间的关系为 rz ffnfn z= (2.2) 式中的 z 为铣刀齿数，n 为主轴转速。由公式（2.1）及公式（2.2） 切削速度、 主轴转速和进给速度之间便建立了一种关系。当主轴转速选定后，进给速度依 据加工质量要求、刀具齿数、主轴转速等便可确定。 切削深度 对于铣削加工而言，切削深度有两种类型，如图 2-3 所示,轴向切削深度 （背吃刀量） p a及径向切削深度 e a （行距或侧吃刀量） 。轴向切削深度 p a为平 行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端铣时，为切削层深度；而圆周 e fg e m g opq l - = +,-./0120345 6?abcd 10 铣削时，为被加工表面的宽度。径向切削深度 e a 为垂直于铣刀轴线测量的切削 层尺寸，单位为。端铣时，为 e a 被加工表面宽度；而圆周铣削时， e a 为切削 层深度。 2.1.3 切削参数对加工的影响 在数控加工中，影响加工过程及加工结果的控制参数主要有机床、刀具、 切削用量等几个方面。机床的精度影响到被加工件的加工精度，机床的性能指 标决定了工件的生产批量、生产类型、加工能力、加工零件尺寸、结构特征、 切削参数的选择等，所以加工前必须根据特殊要求选择合适的机床进行加工， 至于机床的性能参数则不是能随意控制调整的。因此下面将主要对加工中刀具 及切削用量等方面的影响进行分析。 （1） 刀具的影响 刀具对加工过程及结果的影响主要由刀具材料和刀具几何参数引起， 不同的 刀具材料适合于加工不同的工件材料， 对于难加工材料， 刀具材料的选择很重要， 关系到加工过程中刀具的磨损、破损、烧结、断裂等。而刀具几何参数对加工质 量和刀具耐用度均有很大的影响。刀具的前角影响切削力、切屑形状、加工表面 质量；后角的主要作用是减少后刀面与工件加工表面的摩擦，并配合前角调整切 削刃的锐利和强固程度；刀尖半径主要影响加工表面质量和切削力，以及刀具的 刚性和刀具的导热性；刀具的刃倾角影响排屑性能；刀具的主偏角影响切削分力 的大小。 （2） 切削用量的影响u x 切削用量在加工过程中主要影响到切削力、颤振、积屑瘤、鳞刺、表面质 量、加工精度、刀具寿命、切削温度等。一般而言，切削深度对切削力、表面 质量、切削温度、刀具寿命的影响较大，进给量对于表面质量、切削力等的影 响较大，而切削速度主要影响刀具寿命、切削温度等。影响趋势如图 2-4 所示 e fg e m g e g （图中 p a是切削深度、f是进给速度、v 是切削速度、h 是表面不平度高度、n 是材料硬化指数、p 是切削力、 0 t是切削温度） 。 opq l - = o 0 t p a(mm) 0 t p h. n. 0 t.p h. n f(mm/min h. n h. n. 0 t.p p 0 t p h. n. 0 t.p h. n v(m/min) +,-./0120345 6?abcd 11 在切削加工过程中合理地选择和控制切削用量，是控制加工过程中切削力、 切削温度、颤震、延长刀具寿命、提高零件表面质量、加工效率和设备的利用率 的有效手段。 2.2 切削参数的选择原则及方法 由上述切削参数对加工过程参数计结果参数的影响趋势知，切削参数的合 理选择、优化与应用与零件的加工质量、加工效率、刀具的使用寿命等关系非 常密切。因此在零件的数控加工中必须根据零件的目标要求，遵循一定的原则， 合理的切削参数，并根据加工加工条件对切削参数的进行优化，以达到对零件 的高效精密加工的要求。 2.2.1 切削参数的选择原则 切削参数的选择往往根据切削用量手册或刀具生产厂家提供的一些切削参 数数据，结合加工要求及操作技术人员的加工经验，并进行当前条件下的切削 加工，来确定合适的切削参数。选择时一般遵循以下原则： 粗加工时以提高生产率为主，同时兼顾经济性和加工成本的考虑；半精加 工和精加工时，应同时兼顾切削效率和加工成本的前提下，保证零件的加工质 量。值得注意的是，切削用量（主轴转速、切削深度及进给量）是一个有机的 整体，只有三者相互适应，达到最合理的匹配值，才能获得最佳的切削用量。 确定切削用量时应根据加工性质、加工要求，工件材料及刀具的尺寸和材 料性能等方面的具体要求，通过查阅切削手册并结合经验加以确定。确定切削 用量时除了遵循一般的原则和方法外，还应考虑以下因素的影响： （1）刀具差异的影响不同的刀具厂家生产的刀具质量差异很大，所以 切削用量需根据实际用刀具和现场经验加以修正。 （2）机床特性的影响切削性能受数控机床的功率和机床的刚性限制， 必须在机床说明书规定的范围内选择。避免因机床功率不够发生闷车现象，或 刚性不足产生大的机床振动现象，影响零件的加工质量、精度和表面粗糙度。 2.2.2 切削参数的选择方法 （1）刀具信息的选择 刀具信息包括刀具材料及刀具的几何参数等，都必须进行合理选择。 刀具材料的合理选择u x 根据被加工材料的性能、加工方法、加工的技术条件和现在采购供应的刀具 +,-./0120345 6?abcd 12 材料，进行合理选用。很多难切削材料在切削时，刀具材质的选择十分关键。所 选的刀具材料应具备这些性能：高的耐热性、较高的耐磨性、足够的强度、足够 的韧性、较好的导热性、较好的化学稳定性、良好的抗粘结性能、良好的加工工 艺性。表2-1是常用刀具材料的性能比较。 pqr = d / / 刀具几何参数的选择 根据不同的刀具材料、工件材料的性能和工艺条件，进行综合考虑，选择 合理的刀具几何参数 ，做到既发挥刀具材料的切削性能，又保证一定的刀具耐 用度，使切削顺利进行，获得合理的加工质量和效率。 几何参数的推荐选择： 工件材料的硬度、强度低，塑性好时，选取较大的前角和较大的后角。 ；精 加工刀具及切削厚度较小的刀具（如多刃刀具） ，摩擦主要发生在后刀面上，为 降低磨损，应采用较大后角；粗加工刀具要求刀刃坚固，应取较小后角； 在工 艺系统刚度条件允许条件下，应采用较小的主偏角；在不引起振动的条件下， 一般取较小的副偏角；精加工宜取刃倾角为正值，使切屑流向待加工表面，并 可使刃口锋利。 （2）切削用量的选择 切削用量的选择对加工质量、加工效率以及刀具耐用度有着直接的影响。 相同的加工条件，选用不同的切削用量，会产生不同的切削效果。 切削深度的选择 切削深度大小主要受机床、工件和刀具刚度的限制，应根据加工要求及加 工是粗加工还是精加工进行合理选择。 粗加工或者半精加工，由于切削余量大且不均匀，所以切削深度较大，并 且不均匀，为了提高加工效率，其选择原则是在工艺要求和工艺系统刚度许可 的条件下，选用尽可能大的轴向切削深度，以提高加工效率。为保证加工精度 和表面粗糙度，应留 0.2-0.5mm 的精加工余量。 对于精加工，切削深度的选择主要与加工余量和表面粗糙度有关，轴向切 削深度为半径加工所留的余量，径向切削深度依据表面粗糙选择。以下为选择 +,-./0120345 6?abcd 13 切削深度时一般的参考范围，至于特殊情况，则在零件数控程序的编制及加工 过程中根据实际情况进行调整。 进给量（进给速度）的选择 进给量或进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数，对于加工中的 进给量，根据零件的表面粗糙度、加工精度、刀具及工件材料等因素，参考切 削用量手册选取或通过选取每齿进给量 z f ，再根据公式 rz ffnfn z= （z 为铣刀齿数）计算进给量f。 每齿进给量 z f 的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面 粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高， z f 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。 当加工精度和工件表面粗糙度要求越高， z f 就越小，刀具切入进给速度应小于切削进给速度，工件刚性差或刀具强度低 时，应取较小值。 粗加工时，增大进给量，可提高生产率，但过大进给量，会使切削力剧增 而影响机床进给系统、刀具和工件的强度和刚性，此外，也会显著加大表面粗 糙度。 精加工时：精加工的进给量主要依据表面粗糙度要求选择。两者的关系如 式子（2. 3）所示u x 22 max 820 er af r rr + （2.3） 根据公式（2.3）可知 2 max 82.5/ ze frraz 式中： z f是每齿进给量； max r是表面粗糙度， e a是切削行距，r是刀具半径，z 是刀具齿数。上述确定的进给量均需经过接近机床实有的进给量的修正，才可