高速銑削加工切削參數的優化選擇

宋率展

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

高速銑削加工切削參數的優化選擇

Optimization for high speed milling cutting parameters

宋率展

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

基于數控機床動力學測試分析和仿真系統，利用X-cut 軟件獲取加工時的切削穩定域，確定加工參數的范圍，再依據彎曲應力和撓度變形理論篩選切削參數，進一步縮小實驗參數范圍。最終經實驗得到合適的切削參數，切削后經三坐標測量，零件滿足設計尺寸要求和表面粗糙度要求，從而驗證了軟件優化參數的合理性和有效性。

高速銑削；切削參數；切削穩定域；彎曲應力；撓度變形

隨著數控機床的普遍應用，多數單位利用機床的水平開始從注重數量到注重提高機床利用率的轉變，銑削加工時的切削參數如何更加合理有效始終成為所有的切削技術人員努力的目標。

絕大部分數控機床的切削參數往往沒有選擇到最合適的參數，或者選用的比較保守，或者選用的有些激進。為解決高速銑削加工中的這些難題，在北京航空航天大學開發的X-cut 軟件中選用數控加工動力學特性測試分析系統DynaCut模塊和銑削加工動力學仿真系統SimuCut模塊，采用軟件解算切削參數，結合表面粗糙度和刀具強度許用應力等條件，在滿足機床、刀具以及零件等切削系統安全生產的前提下，結合實際切削實驗，總結出常用規格刀具在特定懸長下的最優切削參數。

1 切削參數的選擇

在加工過程中，通常將被加工的零部件視為剛性體，機床和刀具就構成了一個切削動力學系統。由于銑削加工為斷續切削，銑削時引起的激振頻率若在該切削系統固有頻率附近，就會引起整個切削系統的共振，從而導致刀具壽命明顯下降、機床故障率提升以及加工表面質量下降等諸多加工風險 。

本文在DynaCut模塊和SimuCut模塊基礎上，將刀具簡化為懸臂梁，根據懸臂梁的彎曲許用應力和彎曲撓度變形對仿真參數進行理論篩選，然后根據切削實驗加以驗證，最終找出更合適的切削參數。

實驗選用的高速機床為瑞士阿奇夏米爾公司的DMU 800P，主軸最大轉速24 000 r/min，主軸功率35 kW，最大進給速度40 m/min。選用瑞典Seco公司的三刃無涂層整體硬質合金銑刀，切削方式為分層順銑，由于刀具懸長不同，機床和刀具形成的切削系統固有頻率也不同，實驗時根據零件的最大切削深度，將Φ6和Φ8銑刀的懸長都設定為25 mm。

2 切削參數的優化篩選方法

銑削加工一般都分為粗加工和精加工，粗加工階段選取參數是主要參考刀具強度數值作為標準進行篩選，優化篩選原則是保證加工時切削力不會造成刀具折斷和主軸損壞；精加工階段則主要以保證尺寸精度和表面粗糙度作為標準進行篩選，優化篩選原則是保證切削力引起的刀具彎曲撓度不超過零件表面粗糙度要求。

2.1 粗加工切削參數優化篩選標準

粗加工時切削數據理論篩選應避免不斷刀，將刀具簡化為懸臂梁，根據彎曲強度條件，刀具彎曲應力σ應小于許用應力值［σ］。

即懸臂梁彎曲應力強度：

其中：

Fxy_max——xy平面切削力最大值，N；

L——刀具懸長，D為刀具直徑，mm；

σb——刀具材料硬質合金的抗彎強度，一般情況下σb≥1 880 MPa［3］，取值為1 880；

k——安全系數，一般在1.1～1.2，取值為1.2；則［σ］=1 880/1.2≈1 570 MPa；

2.2 精加工切削參數優化篩選標準

精加工在滿足彎曲強度條件下，還需保證刀具切削點靜態撓度變形值小于零件表面粗糙度要求，根據試驗件表面粗糙度優于Ra3.2的要求，需要刀具切削點撓度變形［δ］小于0.02 mm。

懸臂梁的撓度變形為

其中E為刀具材料彈性模量，數值約為6.5×105 MPa；

根據這兩個準則篩選出仿真數據，并作為優化的基礎數據，然后進行試切件切削實驗。

3 切削參數的求解過程和實驗驗證

3.1 穩定域的求解過程

利用數控加工動力學特性測試分析系統DynaCut模塊，通過錘擊實驗獲取機床—刀具系統傳遞函數，利用銑削加工動力學仿真系統SimuCut模塊，在傳遞函數基礎上進行模態擬合，得到不同直徑刀具的銑削穩定域曲線，見圖1。

根據穩定域曲線得到的轉速數據和切深數據，由軟件仿真表格功能輸出切削參數表（見表1）。切削力算法模型采用瞬時剛性力模型，得到瞬時切削力，經過抗彎強度和彎曲撓度判定，選出合適的切削參數。

3.2 切削參數的求解過程

表頭符號和單位說明：徑向切寬ae（mm），軸向切深ap（mm），進給速度f（mm/min），最大切削功率Pmax（W），材料去除率MRR（cc/min）。

圖1 Φ6切削穩定域及Φ8切削穩定域

表1 Φ8 刀具的切削參數判定表（主軸轉速為17 500 r/min）

由Φ8切削穩定域可以看出，在轉速為17 500轉每分鐘時，刀具切削的深度最大，而且穩定域范圍較寬，在此區域選取切削參數加工過程比較穩定。

根據序號3與序號2的數據進行分析；序號3比序號2的Fxy_max增大8.1%，Pmax增大10.1%，σ增大15.8%，然而MRR卻減少了6.3%，因此提高切深并降低進給率有可能導致材料去除率的減少，并且隨著彎曲應力σ和撓度變形δ增大，刀具的斷裂風險也變大，零件的表面粗糙度和尺寸精度也會隨之變差。因此選擇切削參數時，切深和進給需要匹配選擇。

直徑Φ6的切削參數選擇和直徑Φ6相似。根據穩定域曲線，直徑為Φ6的立銑刀在轉速為18 500 r/min時，刀具的切削比較平穩。

由數據分析可知，在適當增加切深并減小進給率的情況下，切削力和主軸瞬時功率增加幅度較大，而材料去除率和零件的表面粗糙度反而會一定程度的下降。

3.3 實驗驗證

選取經常加工的有代表性的薄壁零件（見圖2）為試切件，該零件外形尺寸為24×425×253.7 mm，材料去除率約為83.7%，零件壁厚最薄處為1.25 mm，腔體最深處為22 mm，經過Cimatron軟件編程，Vericut軟件仿真優化，經過多件零件加工，最終獲取適合該零件加工的切削參數，在加工過程中成功的避免了刀具的震顫，切削后經三坐標測量機檢測，零件尺寸精度達到0.01 mm，表面粗糙度由于Ra3.2，滿足了設計要求。

4 結束語

通過動力學特性測試分析系統錘擊實驗獲取機床—刀具系統傳遞函數，利用銑削加工動力學仿真系統求得轉速與切深的切削穩定域曲域以及數控切削的切削參數，然后利用懸臂梁的彎曲許用應力和彎曲撓度變形判定標準，對初始切削參數進行篩選，對切深數據和進給數據進行合理匹配后，依據匹配篩選的數據進行試切，最終得到適合零件加工的優化切削參數，避免了高速切削中的刀具系統震顫、零件尺寸精度和表面粗糙度達不到設計要求等問題，對薄壁類零件的高速加工切削參數的選擇具有一定的指導意義。

圖2 加工典型零件

［1］ 劉東，陳五一，劉強等. 7075鋁合金高速加工銑削力的實驗研究［J］. 航空制造技術，2007，（6）：83～85.

［2］ 袁海慶. 材料力學［M］. 北京：北京大學出版社，2009：117～225.［3］ 曾正明. 機械工程材料手冊［M］. 北京：機械工業出版社，2006：861～870.

［4］ 劉強，尹力. 一種面向數控工藝參數優化的銑削動力學仿真系統研究［J］. 中國機械工程，2005，16（13）：1146～1150.

［5］ 陳燕春. 數控銑削加工中切削參數確定的研究［J］. 制造業信息化，2006，35（12）：21～24.

TG54

1009-797X （2015） 16-0122-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.042

宋率展（1982-），男，碩士學位，工程師，研究方向為電子設備數控加工工藝及CAM優化。

2015-07-16