數(shù)控車床加工切削速度優(yōu)化設計分析

羅發(fā)進

摘 要： 數(shù)控車床加工切削速度優(yōu)化設計主要包含優(yōu)化準則（優(yōu)化目標）和約束條件的設計和研究。優(yōu)化準則即金屬切削加工時刀具進給速度、設備轉速、切削刀具耐用度等等優(yōu)化參數(shù)相關構成函數(shù)。約束條件主要包括不同車床的理論極限數(shù)值，生產過程，所有參數(shù)不能夠超過規(guī)定的極限值。通過對切削速度的優(yōu)化設計，有利于提高生產效率，降低生產成本。

關鍵詞： 數(shù)控車床；高速切削；刀具；優(yōu)化設計

1 . 切削速度優(yōu)化準則

切削速度可以看做一個變量，運用數(shù)學模型來對相關函數(shù)指標進行優(yōu)化，尋求最佳變量間的關系，即達到一定優(yōu)化的目的。文中通過建立起刀具耐用度（T）、生產成本（ CV）、加工時間（TV）、能源消耗 （RV）等指標參數(shù)的數(shù)學模型，進行變量分析。在實際生產過程中，主要參考制造業(yè)能源消耗、環(huán)境污染等指標的硬性指標，一般對加工的質量進行必要的控制，從而獲取最佳經濟效益。

1.1 刀具耐用度

高速切削的速度與超硬材料的刀具、加工過程的進給速度、車床主軸結構、CNC控制系統(tǒng)、涂層工藝、高效驅動單元、剛性結構良好的機床密切相關。以刀具的材料、加工工藝、高切削速度和工件的材料作為核心的高速切削，配合使用較小的切削深度和大進給速度，有利于獲取最大的經濟效益。高速切削工具的熱穩(wěn)定性、刀具的材料、刀具結構、幾何參數(shù)、加工工藝等與刀具耐用度有著復雜的關系，這些因素決定生產效率的提高和生產成本的控制，通過建立起一定的函數(shù)關系進行分析，很有必要[1]。其函數(shù)關系式可表示為：

（2-1）

上式中，

T表示刀具耐用度；

CV耐用度系數(shù)；

KV表示修正系數(shù)；

m，xV，yV影響T的系數(shù)因子；

f表示進給量。

1.2加工時間函數(shù)

加工時間函數(shù)關系式可表述為：

（2-2）

上式中，

TV表示加工時間；

tl表示工序輔助加工時間；

te表示一次換刀時間；

L表示切削長度總量；

d表示切削工件直徑；

z表示單面加工余量；

ap表示背吃刀量，其他參數(shù)與式（2-1））相同。

1.3 能源消耗函數(shù)

加工制造的能源消耗與電動機功率有著密切關系，主要有電機空轉功率、電機工作時的切削功率等。其具體函數(shù)關系式為：

（2-3）

式（2-3）中，

Rv表示能源消耗參數(shù)；

PU表示電動機空載運行的功率；

Pe表示車床切削時的切削功率；

a表示功率平衡系數(shù)；其取值區(qū)間為（1.15，1.25）；

Fe表示主切削力；

Ce表示切削條件、加工件材質等先關參數(shù)；

KFe表示切削力的修正系數(shù)；其他參數(shù)表示一些加工過程的經驗系數(shù)。

1.4 生產成本函數(shù)

與加工制造企業(yè)生產成本相關聯(lián)的因素較多，綜合考慮管理費、折舊費、生產費用、刀具費用等參數(shù)，其函數(shù)關系可表示為：

（2-4）

式（2-4）中，C表示刀具相關費用總和（磨刀費、更換費、折舊費等）；M表示一定時間內的企業(yè)總費用（廠房，設備折舊費、綜合管理費、職工勞動報酬、材料費等）。

2 .切削速度優(yōu)化約束條件

速度優(yōu)化約束條件主要有主軸進給速度、主軸切削進給力、切削功率、切削質量。工藝流程等因素。

加工質量約束條件主要考慮工件表面粗糙度，其存在的關系是工件加工的粗糙度小于或等于最大工件允許的表面粗糙度。切削力約束條件為小于車床主軸做大進給力。車床切削速度需滿足約束條件為：

（3-1）

式（3-1）中，

nmin，nmax分別表示機床主軸允許的最低和最高轉速；d表示加工工件的直徑。

切削功率的約束條件要求小于機床電動機的有效功率。即

（3-2）

式（3-2）中，

Pmax 表示機床主電動機的傳動最大有效功率，η表示電動機功率因數(shù)，也表示傳動效率，其取值區(qū)間為[0.75，0.85]。

綜合以上分析，建立切削速度數(shù)學模型：

（3-3）

對切削速度的優(yōu)化方案（X）進行n維向量的求解：

（3-4）

3. 高速切削參數(shù)的優(yōu)化

3.1刀具材料選擇

刀具的選擇需要考慮切削方式和加工工件的材質。根據切削速度的不同選擇合適材質的刀具。一般根據經驗數(shù)據，加工件為鑄鐵件時，且切削速度低于750m/min，選擇具有涂層的硬質合金刀具；切削速度為2000m/min--4500m/min之間時，選擇SI3N4刀具；高于切削速度的情況下需使用CBN刀具。加工件為鋁合金材質的，使用PCD等聚晶金鋼石材料的刀具；加工普通鋼，可選用CBN；切削高硬度鋼材料時，需選用帶有TIC涂層的PCBN、硬質合金、金屬陶瓷等材料的刀具。

3.2切削力的選擇

以加工件硬度H RC64為例，切削力參數(shù)為：切削進給速度f=0.08 mm/r，背吃刀力=0.2mm.。切削速度的提高，切削力會降低，主要是因為切削溫度的升高導致工件材料軟化，致使工件硬度降低；在一定切削速度范圍內，即切削速度小于209m/ min時，隨著切削速度的增加，第二變形區(qū)切削溫度不斷上升，致使刀屑間摩擦力的改變，造成該區(qū)域附加變形不斷減小，切屑流出阻力明顯下降。當切削速度大于209m/ min時，切削力與切削速度成正比關系，其主要原因在于切削溫度接近工件材料熔點時，切削速度的提高引起的切削溫度升高隨之變得緩慢，所以超過切削速度臨界點，切削力與切削速度同步增加。PCBN刀具的耐熱性高達1200℃，遠高于陶瓷、硬質合金的常溫硬度，在實際生產中，可以利用高溫下PCBN刀具和GC r15鋼的硬度差加大，提高切削速度，有利于增加刀具使用壽命，提高切削效率。

3.3進給速度對生產率的影響

圖1 進給速度與生產時間關系

切削工件上料、夾持、進刀、退刀、下料等屬于輔助時間，一般比較占用之間，圖1表示進給速度和時間、消耗時間間的的相互關系。

3.4進給速度的優(yōu)化

進給速度進行優(yōu)化需要對工件的大小、所選用的機床功率、工序成本、生產率等綜合考慮，進給速度的提高一般受限于機床切削功率，可以根據切削功率對應的進給速度進行優(yōu)化，增加進給的速度可以適當提高工件生產效率，實際生產過程的高速切削，機床的功率成為主要的約束因素。另外，可以通過分析加工零件的尺寸來優(yōu)化進給速度， 若工件直徑d較大，進給速度需要較小

實際生產加工中，為降低生產成本，合成本和工件加工出的效果考慮，當工件直徑大于60mm-150mm時，選用t'=18mm的粗齒刀具；當工件直徑小于60mm時，選用t'=9mm的細齒刀具。

4.結論

采用高速切削在實際加工制造生產中，具有一定的優(yōu)勢，綜合考慮切削速度與加工時間、能源消耗、刀具耐用度、生產成本、等指標參數(shù)，建立數(shù)學模型進行分析，利用優(yōu)化目標和條件函數(shù)關系，可以獲得最佳效益；另外對刀具材料選擇、切削工件尺寸等因素的分析，有利于獲得最佳切削速度，從而提升刀具使用壽命，提高生產效率，降低企業(yè)生產成本。■

參考文獻

[1] 郭春華.高速切削刀具材料及其應用[[J].中國新技術新產品，2014 （2）： 101.