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通过试验确定最佳切削参数
6 m+ n% O, k+ c6 ?在同样满足零件加工品质的前提下，数控机床提高加工效率关键在于如何使金属切除率达到最大。本文主要讨论了在铝合金材料的加工中，针对特定的数控机床、刀具和装夹系统如何来确定金属切除率最大的切削参数的问题。
, x, V: q! }2 _! w 一、引言
4 E# Y; ?' ?' j3 [ Y' P _2 F9 L 提高数控机床使用效率是目前大家普遍关心的问题，具有关资料介绍，国外数控机床在两班制工作下开动率达到60%～70%，国内往往只能达到20%～30%。造成数控机床使用率低的原因归纳起来就是管理和技术两方面的问题，刀具和切削参数选择是数控加工的主要技术问题之一。例如18000转的机床，用10mm高速钢刀具加工铝合金，刀具允许的最高切削速度为300mm/min，机床转速为8750r/min，而相同规格的合金刀，刀具允许的最高切削速度可达600mm/min甚至更高，机床转速可以达到17510r/min，显而易见，这种机床采用高速刚刀具是不合适的。如果机床设备、加工刀具和加工对象已经明确后，研究如何正确选择切削参数对提高加工效率、降低加工成本具有实际意义。+ x! D' K9 b/ ]8 ^* t
什么是正确的切削参数，笔者认为应该是针对特定的机床、特定的刀具和刀夹、特定的加工材料在满足零件加工品质的前提下，使材料的切除率达到最大的一组切削参数。这组参数如何确定，有人提出了通过计算机优化设计选择最佳铣削参数的方法，目前也已经有文献报道可以利用现代切削过程仿真和优化技术，在少量试验的基础上借助合理的数学模型、工程分析和仿真等先进手段，快速获取理想的切削参数数据。而对我们来说，刀具的种类是有限的，几把常用的刀具基本上能完成90%的加工量，在这种情况下，通过切削试验方法来获取这些刀具的正确切削参数是比较现实的手段。; T. _- H" D" G) d& Z3 J
二、试验目的和方法
% d+ I$ ?7 s3 \9 N/ B3 l 1.试验目的
: O! U4 }( q/ P$ C* W% T+ J 在特定机床、刀夹、刀具和刀具长度组合条件下，选定合适的每齿切削量和轴向切深，通过采用一系列不同切削速度及径向切深，观察加工过程的情况，从声音和加工表面的质量来判断，发生加工振颤的情况，从而找出相同的零件加工品质下(平稳的切削，未发生振颤)，材料的切除率达到最大的铣削参数。6 g, r r- f5 g7 z2 t3 G( h
2.试验条件/ r) |& h K5 q
数控机床：MIKRON UCP710五轴加工中心，主轴最大转速18000r/min，功率15kW，最大进给速度20m/min；
' e: X* @3 F$ X" F2 k( J' n; w; ~ 刀具：FETTE LW225硬质合金立铣刀，直径10mm，长度66mm，2齿，30螺旋角，刀具供应商推荐的提供的极限参数：加工低硅含量铝合金时，最大切削速度Vc800mm/min，最大进给Fz为0.115mm/齿，最大轴向切深ap15mm，相应径向切深5mm，该刀具是我们最常用的刀具之一；7 m0 }# X9 s) X5 W3 l3 R! R/ [% H
夹具：HSK刀柄，Φ42mm；
- P6 ]5 V4 S3 M! Z 加工材料：LF5铝合金，该材料是我们最常用的加工材料；! a% y4 Y: Z: A
冷却液：Blasocut2000乳化液
* \9 K; L! b" B4 D 3.试验方法
' `: P7 u7 E$ d' y6 `( k 准备外形尺寸80mm×100mm×150mm的工件，把工件装入虎钳，长80mm边高出虎钳40mm，刀具装入HSK刀夹后，露出长度35mm，在工件上加工成高8mm宽1mm的8级台阶，见图1。
3 w% n! S: R, V% c' B图1 确定试验的主轴转速范围：按照最大切削速度计算，刀具可以承受的最高转速为25478r/min，根据机床的性能和平时的经验，我们选择主轴转速在7000～14000r/min这个范围进行试验，对应的切削速度为220～440mm/min。
. L( ?6 v. [" T& W; B 确定切削深度和每齿进给量：在整个试验中，保持轴向切深和每齿切削量不变，我们选择ap8mm和Fz0.1mm/齿，此时径向切深最大可为ae8mm。每齿进给量不变，就意味着当主轴转速改变时，刀具的进给率将改变，这样做主要考虑到两个因素，一是每一个工步刀具可以具备相同的刀屑载荷，二是每齿进给量对表面粗糙度的影响最大，每一个工步每齿进给量保持不变后，就具备了可比性。
; L6 t0 V4 L! w 编写试验程序：在不同的高度上，进行一系列平行铣削工步。从一个工步到下一个工步提高主轴转速，共分8个工步，以1000r/min的增量，从7000r/min到14000r/min。径向切深从3mm增加到8mm，一个循环后每次增加1mm。
9 f! D' |/ G* L- D* h/ r9 R 评估切削：倾听，然后观察。从不同工步的声音可以感觉出在哪里发生颤振。然后，在切削完成后，检查工件表面质量。工件要求搭靠山，铣完一台阶过后拿出工件观察，确定加工表面是显示平稳切削、轻微颤振还是严重颤振。记录完后，把工件放回原来装夹位置继续下一次加工。
, Z! d- {- u) d1 W/ T( v3 D 三、试验结果和分析: G& i$ U- i9 L4 k$ S& t( s' I
试验结果如表1所示，绿色表示平稳切削，黄色表示有轻微颤动，红色表示有剧烈颤动。可以看到，当径向切深为3mm时，所有的工步显示稳定切削，当径向切深为4mm时，某些工步开始出现轻微振颤，当径向切深增加到足够高时，一些工步便出现严重振颤。3 ]4 K+ |. n2 S7 R6 \* J% o/ J1 G
加工中出现这种现象是普遍存在的，主要是因为每个主轴、刀夹和刀具系统都有几组频率，当刀具切削工件产生的撞击震动的频率和这些系统固有频率接近时，就会产生振颤现象，造成表面波纹，影响表面粗糙度。振颤不是机床的缺陷，它是物理缺陷，是不可避免的。振颤会引起表面波纹是毫无疑问的，因为整个试验采用的每齿进给量是一定的，如果不发生振颤，所有工步的表面粗糙度应该是基本一致的。这也是试验中为什么要保持每齿进给量一定的主要原因。# v+ O* Q. c) ^3 ]7 \) D9 R2 A
从试验结果还可以看到，当主轴转速在14000r/min时，平稳切削时的材料切除率是67200mm3/min，而当主轴转速在11000r/min时，平稳切削时的材料切除率是140800mm3/min，也就是说，尽管好像采用了较高的主轴转速，但是，此时的加工效率却并不是最高，换而言之，这种切削参数组合并不是最佳的。试验中，我们得到两个平稳切削主轴转速7000r/min和11000r/min，它们的材料切除率分别为89600mm3/min和140800mm3/min，后者要更佳。机床、刀具、刀夹组成的系统固有频率，事先往往无从知晓，如果只根据刀具寿命参数和机床参数来选择切削参数是得不到这样的结果的。 # d8 e6 Q% y: _- T8 J
四、结论
1 S) i5 ]# d, A" { 本试验在一种机床、刀柄、刀具、刀具长度、工件材料、每齿切削量和轴向进给量的组合下，找到了平稳切削的最佳转速，它的转速并没有达到最高。所以说要想提高金属切除率，一味地提高转速是不现实的，只有找到一组比较合理的参数组合才是最实际的。需要注意的是，在上述组合中任何一项条件改变，结果将改变，读者可根据自己的实际情况，去寻找合理的切削参数(具有较高的金属切除率条件下)，这将对提高加工质量，缩短加工时间有着重大的意义。【 |
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发表于 2008-12-18 21:19:55