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国家职业资格全国统一鉴定（国家职业资格二级）数控铣工技师论文题目：数控加工中切削工艺参数的优化 编号：（ ）数控加工中切削工艺参数的优化摘要 数控加工切削参数是数控切削加工过程中的基本控制量。数控加工切削参数规优化是数控切削加工工艺过程优化的基础，它不仅决定着数控加工技术水平和效率，也决定着产品的制造质量和使用效果。以提高数控切削加工效率，降低加工成本，获得高质量的产品为目的，进行数控切削参数优化的研究，具有重要的现实意义和深远的历史意义。关键词:数控加工，加工工艺，参数优化 前言 传统的CAD/CAM系统往往需要工艺编程人员手工选择切削速度、进给速度等加工切削参数，才能自动生成数控加工程序，加工程序的质量较大地依赖于工艺编程人员的技术水平和经验。同时随着市场竞争的口趋激烈，具有复杂曲面的产品越来越多，零件复杂度也不断的增加，例如复杂曲面在加工过程中工件的几何形状不断改变，仅凭人的经验和查阅资料很难合理给出进给速度，为安全起见，工艺人员往往根据最坏的切削条件选择切削参数，并在整个工序中基本维持不变，较大的冗余造成数控机床利用率不高，限制了机床效能的充分发挥。所以切削参数的合理选择与优化，直接关系到能否合理地使用刀具与机床，对提高生产率，提高加工精度及表面质量，降低生产成本都有重要作用，是实现整个切削过程优化的关键。一、铣削加工切削参数通常所说的铣削参数是指铣削运动参数，它主要包括:切削速度、进给量或进给速度、背吃刀量、切削宽度。1铣削速度v 铣削速度指主运动速度，是刀具切削刃上的某一点相对于待加工表面在主运动方向上的线速度的瞬时速度。为方便对数控切削加工过程中机床主轴的控制和计算，数控加工通常以机床主轴转速n来描述刀具相对于工件的主运动。切削速度vc与主轴转速n有下列关系式: 由关系式可知，铣削切削速度与主轴转速成正比，因此在编制程序的过程中，根据实际加工设备条件，合理提高主轴转速，从而提高切削速度。2进给量f和进给速度 进给量f是刀具在进一给运动方向上相对于工件的位移量。进给速度nf指刀具上的基准点沿着刀具轨迹相对于工件移动时的速度，即单位时间内工件或刀具沿进给方向移动的距离。进给速度nf与进给量f满足下列关系式:数控铣削加工时与铣刀每齿进给量有下列关系式:由关系式可知，进给量与进给速度成正比，因此在编制程序时，根据机床和刀具情况，尽量选择较大的进给量，减少走刀次数。3背吃刀量背吃刀量一般是指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。由于背吃刀量和进给量的增大，都会使切削力增大。当增大进给量时，切削力不正比例增大；当背吃刀量增大时，切削力会成比例增大，因此，从切削力和切削功率的角度出发，增大进给量比增大背吃刀量有利。4铣削宽度在复杂曲面的铣削加工中，切削宽度实际上就是指切削步距。所谓走刀行距是指两相邻的刀具轨迹或刀具接触点路径之间的距离，它的大小直接影响曲面加工精度和效率。但是我们在确定切削宽度时还要考虑刀具强度和耐用度。切削参数是调整机床运动的依据，它反映了刀具与工件相互作用的条件与相对关系，是影响工件生产率和加工质量的重要因素。二、优化切削参数 准确地建立制约条件函数是一个复杂的问题，它涉及到对切削过程机理的认识程度以及实际加工条件的合理简化与表达。这方面的认识正在不断的深化过程中。例如对切屑的形成状态、振动的产生与抑制，与切削参数之间的函数关系的精确描述还没有完全建立。2.1切削进给力，切削进给力不能超过机床进给机构许可的最大进给力，即2.2机床输出功率，材料切削所消耗的功率不能超过机床的最大输出功率:2.3进给速度，切削进给速度要满足机床进给速度的约束:2.4主轴转速，切削主轴转速要满足机床主轴转速的约束:2.5表面粗糙度，零件加工要达到其表面粗糙度的要求2.6目标函数优化目标的确定应该以本次加工获得最大经济效益为原则。生产实践中常用的切削优化过程优化目标函数有许多种，下面给出了许多不同的加工优化目标。2.6.1最高生产率(单件平均最短生产时间)目标优化函数单件平均生产时间t的计算2.6.2最低成本（单件最低平均加工成本）目标优化函数2.6.3最大利润率目标优化函数三、数控优化实例加工图1：正面实体图图2：反面实体图1工艺分析零件结构由曲面、圆弧和孔等特征组成的三维零件（如图1、2），零件正反面都需要加工，尺寸为148x78mm，总高度为38mm，周边倒角为R13，正面有R380的凸台曲面以及台阶，反面有凹槽，凹槽腔内中心有扇形凸台，其余零件边界倒圆角过度，零件的曲面和斜面较多，复合数控加工的特点，而数控加工需要考虑加工成本和加工时间，因此需要合理的加工工艺、优化加工路线和合理使用刀具才能提高加工精度、提高加工效率和缩短加工时间。2数控装备及装夹 机械设备采用数控立式机床, 系统为西门子数控系统。该零件的坯料为150X80X40mm的45#钢件, 可采用平口虎钳直接找正夹紧即可。3加工顺序及工艺方法 机械加工顺序遵循基准先行原则、先面后孔原则、先主后次原则和先粗后精原则。由于数控加工的换刀时间需要大量的时间，因此在工序划分中采用刀具集中分序法，可以减少换刀次数、缩短空行程时间减少多次装夹时的定位误差。同时要实现高效的数控加工编写加工程序时多采用二维的加工方法，因为二维的加工速度远远高于三维的加工，同时要根据零件的表面质量和零件加工精度给定合理的切削参数、减少走刀路线空刀次数、减少编程的运算量提高加工效率。根据以上零件结构、尺寸及技术要求分析可知，划分为粗、精加工阶段，同时由于零件正面外形有圆弧和倒角，加工之后反面装夹，应力集中在四个圆弧角，会对其表面光洁和形状产生影响，不能用虎钳直接装夹，因此本零件需要先加工反面，反面外轮廓是矩形，应力均匀分布，同时方便二次装夹和定位，节约加工时间。加工方式及顺序如下：3.1反面加工（1）面铣采用16立铣刀对零件反面进行面铣0.1mm（2）曲面粗加工挖槽采用16立铣刀对零件反面采用曲面挖槽粗加工，加工余量为0.3mm（3）粗加工外形铣削采用16立铣刀对零件反面外轮廓粗加工，余量为0.3mm（4）曲面半精加工挖槽采用6立铣刀对零件底部凹槽半精加工，余量为0.25mm（5）精加工外形铣削采用6立铣刀对零件反面外轮廓精加工至尺寸（6）半精加工外形铣削采用6立铣刀对零件2X12孔半精加工，余量为0.25mm（7）半精加工外形铣削采用6立铣刀对零件2X10孔半精加工，余量为0.25mm（8）精加工外形铣削采用6立铣刀对零件2X12孔半精加工至尺寸（9）精加工外形铣削采用6立铣刀对零件2X10孔半精加工至尺寸（10）精加工一般挖槽采用6立铣刀对零件凹槽面精加工至尺寸（11）精加工外形铣削采用6立铣刀对零件凹槽内壁精加工至尺寸（12）精加工外形铣削采用6立铣刀对零件凹槽内腔中心凸台外轮廓精加工至尺寸（12）精加工一般挖槽采用6立铣刀对零件凹槽内腔中心凸台端面至尺寸3.2正面加工（采用百分表对零件进行校正）（1）曲面粗加工挖槽采用12立铣刀对零件正面采用曲面挖槽粗加工，加工余量为03mm（2）精加工挖槽采用12立铣刀精加工零件台阶端面的余量至尺寸（3）精加工挖槽采用12立铣刀精加工零件阶梯端面的余量至尺寸（4）曲面精加工流线采用R3球头铣刀精加工零件凸台圆角至尺寸（5）曲面精加工平行铣削采用R3球头铣刀精加工零件凸台曲面至尺寸4刀具的选择和切削用量的确定4.1数控加工刀具的选择 数控加工的主要特点是高效，故在划分工艺时以刀具集中进行划分，在一个零件加工中尽可能用一把刀加工多的零件部位来减少换刀时间提高生产效率。针对本零件的加工，为了提高零件的加工效率，利用直径较大的刀具对零件进行开粗、同时采用钨钢立铣刀进行较小的背吃刀量，高进给量进行快速切削来提高加工效率也减少零件加工时切削力过大引起的变形，刀具卡片如表4.1刀具卡片序号刀具号刀具规格名称数量加工表面1T0116钨钢立铣刀1下端面凹槽粗加工、下端面外轮廓粗加工2T026钨钢立铣刀1下端面凹槽精加工、下端面外轮廓精加工3T0312钨钢立铣刀1倒角、外轮廓的粗、端面精加工4T04R3钨钢球头铣刀1面铣、上凸台的轮廓精加工表4.14.2切削用量的确定 数控加工正确选择切削用量对保证产品的质量，提高效率，降低加工成本具有重要作用。切削用量的选择主要根据工件材料、加工精度和表面粗糙度的要求进行，同时还要兼顾刀具的耐用度、工艺系统的刚度和机床功率等条件。基本原则是在工艺系统允许时，应选择一个尽可能大的ap，其次选择一个较大的f、最后在刀具耐用度和机床允许条件下选择合理的vf。 在本零件加工中，根据零件的表面粗糙度、加工精度和所选用的刀具确定出合理的切削用量，零件粗加工时根据刀具类型和加工工艺确定ap0.，粗铣后留.mm加工余量进行精加工，对于反面的薄壁腔体加工时留.mm的加工余量进行半精、精加工。由于利用钨钢铣刀加工钢件，根据刀具加工性能，选用.mm的背吃刀量，因为背吃刀量较小可以提高零件加工进给速度进行快速切削，本零件加工进给速度以2500mm /min为基准，实际加工时通过切削效果调节面板上进给分倍率来调节。根据零件的加工工艺选定刀具的切削参数大致如下，实际切削时根据机床的切削状况不断进行修正，数控加工工序卡如表4.2数控加工工序卡反面加工工序号工步内容刀具名称刀具规格主轴转速r/m in进给速度mm /m in背吃刀量mm1零件面铣立铣刀1620006000.12零件下端面挖槽粗加工立铣刀161800140013零件外轮廓粗加工立铣刀161800140014零件底部凹槽半精加工立铣刀634006000.55零件外轮精粗加工立铣刀6400050016半精加工2X12孔立铣刀6360050017半精加工2X10孔立铣刀6360050018精加工2X12孔立铣刀640004000.259精加工2X10孔立铣刀640004000.2510精加工凹槽面立铣刀634006000.311精工凹槽内壁立铣刀640004000.312精工凹槽内腔中心凸台外轮廓立铣刀640004000.313精工凹槽内腔凸台端面立铣刀638005000.3正面加工1零件整体曲面挖槽粗加工立铣刀1210006000.82精加工零件台阶端面立铣刀1226006000.33精加工零件阶梯端面立铣刀12260015000.34精加工凸台圆角球头铣刀R338005000.35精加工零件凸台曲面球头铣刀R338006000.3表4.2在约束条件中用到的极限条件，如表4.3：表4.3由切削量手册可以得到刀具耐用度和切削力系数，如表4.4：表4.4在加工参数优化计算过程中，所需要加工参数，如表4.5：表4.54.3优化结果由于随着目标函数的不同，得到的优化结果也不同。下面分别以最大生产率、最低生产成本以及兼顾生产率和生产成本为目标函数，得到它们的优化结果。（1）优化的切削参数，如表4.6工序号工序内容优化前参数最大生产率的参数最低成本的参数Wt=0.7 Wc=0.3情况下的参数主轴转速r/m in进给速度mm /m in主轴转速r/m in进给速度mm /min主轴转速r/m in进给速度mm /m in主轴转速r/m in进给速度mm /m in反面加工1零件面铣20006002380714281761925006902零件下端面挖槽粗加工180014002143166725351443225016093零件外轮廓粗加工180014002143166725351443225016094零件底部凹槽半精加工34006004047714478861942506905零件外轮精粗加工40005004761595563451550005756半精加工2X12孔36005004286595507051545005757半精加工2X10孔36005004286595507051545005758精加工2X12孔40004004761476563441250004609精加工2X10孔400040047614765634412500046010精加工凹槽面340060040477144788619425069011精工凹槽内壁400040047614765634412500046012精工凹槽内腔中心凸台外轮廓400040047614765634412500046013精工凹槽内腔凸台端面3800500452459553525154750575正面加工1零件整体曲面挖槽粗加工10006001190714140861912506902精加工零件台阶端面26006003095714366261932506903精加工零件阶梯端面26005003095595366251532505754精加工凸台圆角38005004524595535251547505755精加工零件凸台曲面3800600452471453526194750690表4.65具体加工刀路和效果反面加工图5-1（1）由于毛坯表面不平整，先面铣，如图5-1（2）由于毛坯余量较大，分别对毛坯外轮廓和凹槽进行挖槽粗加工，如图5-2图5-2（3）对零件外围轮廓加工，为了防止进退刀点在零件表面留下刀痕,进退刀点选在直线和圆弧的交点处。（同时外形轮廓加工采用少切削量，高进给量实现高效加工方式），如图5-3图5-3（4）由于凹槽有表面粗糙度3.2的要求，需要经过半精加工，如图5-4图5-4（6）加工孔零件上的所有孔，如图5-5图5-5（9）精工加工，成品如图5-6图5-6正面加工（1）对毛坯进行初加工，清楚毛坯正面大部分的余量，如图5-7图5-7（4）采用球头铣刀，对零件凸台圆角进行曲面流线精加工，由于是采用跟随外形轮廓其加工效率远远比曲面挖槽的效率高，如图5-13图5-8（5）采用球头铣刀，对零件凸台曲面进行曲面平行精加工，采用跟随外形加工，曲面加工效率高同时达到粗糙度的要求，如图5-9图5-96优化分析加工时间，如表6.1工序号工序内容采用优化前的参数的加工时间（s）采用最大生产的参数的加工时间（s）采用最低生产成本的参数的加工时间（s）采用Wt=0.7，Wc=0.3的切削参数的加工时间（s）反面加工1零件面铣959294932零件下端面挖槽粗加工4864664774743零件外轮廓粗加工3173073153104零件底部凹槽半精加工4864714834745零件外轮精粗加工1801741791756半精加工2X12孔716870697半精加工2X10孔1201161191178精加工2X12孔1413.613.913.79精加工2X10孔1615.515.915.5910精加工凹槽面18618018518111精工凹槽内壁55535453.612精工凹槽内腔中心凸台外轮廓4240.741.740.913精工凹槽内腔凸台端面686667.666.3正面加工1零件整体曲面挖槽粗加工16711621166116292精加工零件台阶端面1531481521493精加工零件阶梯端面89868886.74精加工凸台圆角7747517697545精加工零件凸台曲面1251121312431219总计60065815.85960.55854.49图6.1由表6.1可知：采用以最大生产率为目标而得到的切削参数进行零件加工，所用的切削时间最短，为5815.8秒，其次为以Wt=0.7，Wc=0.3为目标的切削参数，为5854.49秒，最后是以最低成本