基于金屬復合材料的機械加工設備與切削參數設置

張立榮

在數控加工技術被廣泛應用到工業、機械制造行業之后，數控銑削成為了眾多復雜零件的主要加工方式，通過數據編程與數控設備相互結合的方法，來對精密化的零件材料進行加工，提高了當前機械制造業的生產加工效率。但是為了進一步適配當前市場中的需求，提高更高質量的零件材料，分析研究更高質量的數控程序也是技術人員必須要關注的課題。因此在切削的過程中，需要控制的變化因素，不僅是材料零件的工藝，還會包括到使用刀具的尺寸、走刀路徑、切削用量等因素，這些都會影響到材料加工的質量效率。尤其在針對當前一些復雜化的機械材料，會出現一些復雜的曲面零件，就需要借助到數控加工設備中的零件程序的輔助，選擇合理的切削參數，這些都是保障作業質量的重要因素。

1 分析優化切削參數的重要意義

在機械工程的發展歷史當中，機械制造業中切削數據庫占據十分重要的地位，近年來，在我國的工業體系發展進程當中，國內已經建立了基礎性的技術切削數據庫。通常情況下，最開始的切削數據的設置都是通過大量的實踐來建立的，實驗所需要的條件一般都是當前的加工中所需要的基礎條件，所以在技術設備更新之后，以往的參數就需要重新的優化設計，因此切削數據庫一旦建設生成之后，更新就較為困難，一些以前的數據庫不得不面臨數據老化無法使用，如果切削數據無法隨著技術設備的更新而更新，就會無法對材料零件的生產加工起到指導意義，也會造成很大的資源浪費。隨著市場發展，當前很多制造業工廠內部的技術設備也在不斷革新進步，如果不對相應的切削參數進行同步的優化設置，反而會影響到后續材料生產加工的效率和質量。

基于上述因素，優化機械設備選擇和切削參數的設置，都將是制造業企業必須要面對的問題，而其中的重要作用和意義在于：第一，通過合理選擇機械加工器具，優化切削參數，可以使技術人員在設備技術更新的同時，也能使用相匹配的數據程序，保證生產加工的效率和質量不會受到影響；第二，在考慮切削參數的數據編程過程中，可以對數據模型和算法進行同步的探究優化，使得編程數據與切削加工之間的關系更加明確；第三，優化數據模型和切削參數，可以有效減少機床設備的切削時間，提高生產加工效率，同時也能減少加工材料的浪費。總的來看，切削參數是隨著技術設備革新而需要不斷優化改變的資源，當前階段，國內的工業體系面臨著產業升級的階段，需要解決的切削參數優化問題也很多，很多的關鍵技術節點還需要技術人員不斷的探索優化，通過長期的研究分析，才能逐步改善數據參數的有效性。

2 設備選擇和切削參數的研究現狀

在金屬復合材料的加工過程中，切削加工成為了現階段最為可行的加工方法，很多工廠中使用切削的加工量已經占據了工作量的一半，絕大多數的材料零件都是通過切削的方式來進行生產加工的。但是，當前切削加工的質量效率依舊是需要優化解決的重要研究內容。合理的選擇切削數據和設備可以提升效率，在一些傳統的零件加工中，涉及到批量生產時，需要工藝試驗來制定切削的具體參數，而對于單件的零件產品，則需要技術人員自身的經驗和操作來試切，最終是否能得到有效成品，取決于技術人員的水平。而在這些試驗的過程中，就不可避免的出現大量的殘次品、廢品等，所以當前大量工廠都在對于如何優化使用UG、CAM等軟件進行研究。

切削參數的合理確定，會直接影響到工廠的成本消耗、生產效率、質量、利潤等，但是往往切削參數的設置會受制于很多內外界因素的影響，比如對于加工要求、材料性質、刀具選擇使用、機床的精度和性能、技術人員專業水平等，這些都會直接影響切削參數的設計制定，所以在優化設置切削參數的過程中，就需要技術人員建立數據模型來優化參數設置，主要涉及到參數設置的三個方面，即設計變量、目標函數、約束條件等，當前切削參數設置優化，較為常用的是線形規劃、坐標輪換法、圖解法等，切削參數的優化模型為圖1所示。

圖1 切削參數的優化設置原理圖

3 材料加工中設備選擇和切削參數的設置優化

3.1 依照材料的加工型面來選擇刀具

需要加工的金屬材料中，如果出現了凹型的加工表面，就應該在精加工或者是半精加工中選擇球頭刀來保證良好的加工表面，如果是粗加工就可以選擇平端立銑刀；如果加工的型面是凸形表面，就需要在粗加工的過程中使用圓鼻立銑刀，因為圓角銑刀的幾何條件往往是比平端立銑刀適合。在精加工的過程中，使用的一些刀具半徑應該要小于被加工零件的圓角半徑，尤其在一些零件的拐角處，需要選擇半徑低于拐角半徑的刀具來對圓弧來進行插補，這樣就可以保證一些直線的插補過程不會出現過切的問題而導致材料損壞。

3.2 刀具的選擇要依照從大到小的原則

針對一些復雜零件，其中會包含到很多表面類型，尤其在一些復雜曲面零件的加工過程中，一把刀具往往是無法完成整個零件加工過程的，所以在刀具的選擇方面，要盡量選擇直徑較大的刀具，無論是針對精加工或者是粗加工，這是由于在加工過程中，半徑越小的刀具所需要走過的加工路徑就會越長，使得加工效率降低，而且半徑較小的刀具在磨損方面也會更多。

（1）面銑刀的使用選擇。面銑刀作為刀具中應用較多的一種，切削量也是所有刀具中最大的一種類別。其主要優點在于切削量大，所以加工效率要高出其它刀具，而且加工后的材料零件表面較為光滑，不會過于粗糙，同時也會擁有耐高溫的特點，所以也是常常會被用到六面體和一些大面臺階的材料工件當中。如果使用面銑刀來加工一些粗模具或者是模穴槽時，要注意不能使用垂直下刀或者是斜向進刀、螺旋進刀的方式來進行加工，這樣的進刀方式較為容易損害機臺主軸，導致機臺內部器械的使用壽命縮短，所以一般是需要從工件的外部選擇側進刀的銑削加工方式。

（2）粗銑刀。一般是為工件成型而使用的刀具，主要的特點優勢在于切削量較大，吃刀深，切削過程中遭遇的阻力較小，多數情況下是用于銑臺階、插孔等工件的加工使用。

（3）精銑刀。精銑刀一般都是用于精細化加工中所使用的刀具，使用這類刀具加工后，工件的表面一般會較為光滑平整，而且加工的尺寸精度較高，在一些工件快要成型作為加工最后過程時使用這類刀具，可以最大限度保證加工零件的外觀、尺寸合理，所以精銑刀一般都是會用于模仁、模座等工件的精加工當中。

（4）舍棄式銑刀。這種刀具的使用一般都會采用到高轉速、高速率的情況，是輕切削中常用的加工方式，一般這類刀具在NC課程中使用情況較多。刀具本身也會被分為粗、細兩種類型，粗刀一般都會被用作為逃料，細刀是用與精修工件的底面。

（5）切削用量的考慮。切削深度一般是指的一次進給量中切削工件的表面層度，多數情況下是用毫米作為深度單位。通常會由于機床剛性和刀具強度的問題，在一些材料零件加工的過程中，也會根據刀具的品牌、材料零件的性質來考慮切削深度。在切削加工的過程中還需要預留一些位置，大約在0.4mm～1.2mm，即使在精加工的過程中，也是會根據刀具的品牌，尺寸精度來預留加工余量，大約控制在0.02mm～0.05mm的距離，精加工的過程中需要注意一般是修底不修邊、修邊不修低的加工原則。

3.3 在零件粗加工過程中盡量選擇圓鼻銑刀

由于圓鼻銑刀的特性，使其可以在切削的過程中，刀刃角度與零件接觸時可以產生90°的范圍變化，可以在加工的范圍內使用出較為連續化的切削力變化，使得加工過程更加具有靈活性，這樣更加有利于加工質量的提升，也可以保證刀具壽命的延長，而且，粗加工的過程中使用圓鼻銑刀，切削條件會比使用球頭刀效果更好。

3.4 切削參數的設置優化

上文已經明確切削參數的設置對于材料零件加工的重要性，尤其對于加工質量和效率會起到極大影響，如在CAM軟件當中，需要控制的切削參數主要是關于主軸轉速、刀具切入時的深度和寬度等。

（1）主軸轉速的設置。在控制機床主軸轉速時，一般是會參考到切削速度來進行計算設置，常用的計算公式主要是n=1000VC/πd，其中d代表的是刀具的直徑，vc表示的是切削的速度。在加工過程中，刀具的切削速度選擇常常又會是與刀具的耐用性相關，一旦所用的材料、刀具和加工結構明確之后，切削的速度就會直接成為影響刀具耐用度的因素，不適合的切削速度會直接降低刀具的使用壽命，尤其在一些材料磨具的精加工過程中，需要避免在加工途中換刀，否則會影響到加工質量。

主軸轉速中進給量的各個因素：T=0.3D，T是指每一刀在Z軸的下降深度；P=0.7D，P是指每一刀的進刀量。在T=R2以下=0.2mm，R3以下=0.5mm，P=0.1D，所以最后的速度F=S*FZ*Z，FZ指的是每齒的切削量，Z指的是齒數，F指的是進給率。當然不同的程序中，公式也可能不一，還有的公式顯示的是：F=nzf，這個公式中，n指的是主軸轉速，z指的是銑刀齒數，f指的是每齒的進給量，每齒進給量的設置也是會根據材料的性質、刀具的品質和結構來考慮，通常都是工件強度越高，那么每齒進給量也就越小，技術人員需要結合實際加工需求來考慮參數設置。

（2）加工進給速度和刀具切入。在進給速度的選擇方面，這類因素會直接影響到零件在加工之后表面的光滑度和精度，常用的參數設計公式為f=nzf，其中的n代表的是主軸轉速、z為銑刀齒數、f為每齒的進給量，影響到每齒進給量的因素很多，主要在加工的過程中要考慮其中的刀具材料、銑刀結構、力學性能的因素。如果使用的材料工件本身的強度越可靠，那么需要的每齒進給量也會越小；而對于一些合金銑刀，其硬度可靠性相比于傳統的鋼銑刀而言就會更高；如果材料加工中對于精度和表明加工精細度的要求越高，進給量的設置就應該著重考慮適當的降低。

（3）吃刀量和步距寬度的設置。數控加工在針對一些曲面零件材料時，由于不同零件曲面的曲率、半徑都會有不同的差異，所以加工起來十分復雜繁瑣，所以需要與平面銑削加工方式相區分。比如在對于一些毛坯材料加工的過程中，盡量使用分層切削的方式，其中每層選用環形走刀或者是利用層間螺旋下刀的方式。角度在取值方面應該選擇小于15°，取刀的深度需要控制在材料總長度的10%以內，每層材料的步距還需要根據模具的大小情況來設置，通常都是控制在刀具直徑的70%左右。選擇較小的切削量和快速的進給速度，以此保證材料工件的質量，針對一些復雜的材料模型，要選擇合適的刀具來分別開展加工，保證加工效率。

吃刀量的大小程度還會受到工件、機床、刀具方面的影響，所以在實際加工選擇時，需要考慮這些器具要盡量滿足加工工藝、剛度方面的需要，加工時要選擇最大的吃刀量，以此來保證加工效率和質量。而且為了保證加工精度、零件表面粗糙度能夠符合加工要求，就需要保證一定的加工余量，在一些粗加工過程中，余量的切除通常是使用層切的方式，再利用CAM編程設計，這就需要技術人員根據情況來考慮刀具的具體切削深度與最大步距寬度問題，這些數據設置會直接影響到工件的成形形狀。

精加工的過程中，要選擇合適的吃刀量，而通常吃刀量的設置都是需要考慮到零件表面粗糙度的，在使用CAM編程的情況下，一般程序中會提供兩類參數來控制表面的粗糙度，主要關于殘留高度和步距寬度。在編程時，控制步距寬度會進一步影響加工零件表面的粗糙度，通常是步距寬度越小，最后成型的零件表面粗糙度越小，不過由于設置問題會導致加工效率降低，進一步延長加工的時間，所以在實際加工中，還需要考慮到加工需求，盡量不要將步距寬度設置的太低。在實際加工過程中，可以調整到半精加工的方式或利用精加工的方式來調整走刀路徑，以此來改善加工零件的表面狀態，如果使用殘留高度來控制零件加工表面的粗糙程度，那么布局寬度就會根據工件的形狀來自動進行調整。

（4）切削速度的考慮。切削速度一般是指主軸刀具在旋轉時的線速度。切削速度的設置會受到刀具本身的品質和材料零件的性質、耐用度、加工條件、冷卻條件的影響。

一般高速鋼的切削速度都是設置在20m/min～130m/min，硬質合金的切削速度一般設置在20m/min～160m/min，鎢鋼的切削速度一般控制在30m/min～150m/min，根據材料性質的不同，切削的速度也會根據實際情況進行適當的調整。

進給量的控制：一般是指在一分鐘的情況下，刀具沿著進給的方向發生位移的距離，而影響進給量的因素主要為刀具強度、機床性能、加工精度控制以及零件表面光滑度，這些因素的疊加也會直接影響到進給量的控制，通常加工機床的進給量都是控制在30mm/min～1400mm/min，一些高速和性能精良的加工機床，可以達到150mm/min～2000mm/min。

4 結語

總的來看，在零件材料加工過程中，影響切削參數的因素主要為刀具、機床性能、工件環境等，各個因素對于切削參數都會產生不同程度的影響，文章在總結了部分影響切削參數的因素之上，對于切削使用的刀具、工件材料等因素進行分析，明確其對切削參數產生的具體影響。未來機械加工將會不斷朝著高精度、高效率方向發展，在對技術設備不斷優化的同時，還需要重點關注切削數據模型的建立使用，促進材料零件加工質量和效率提升。