基于工期約束的銑削參數優化研究

孟凡秋，趙金柱

（1.日照市教育科學研究院，山東日照 276826；2.日照市農業學校，山東日照 276500）

1 引言

在數控銑削加工中，主要考慮的銑削參數有主軸轉速、軸向切削深度、進給速度和切削寬度。銑削參數一般通過查閱切削手冊進行選擇，CNC操作員對選擇的參數進行不斷試驗，從而得出最優的加工參數。但是試驗法不僅耗時長、成本高，而且所得結果不可量化，不具有一般性[1]。與傳統數控銑削不同，有工期約束的數控銑加工更具有特殊性。需要趕工期的加工過程主要考慮降低銑削時間，而銑削參數的合理選擇，直接決定了企業能否在工期規定的時間內高質量地完成工件加工。本文將加工過程分為精加工和粗加工進行研究，粗加工以最低銑削時間為優化目標，精加工兼顧表面質量和最低銑削時間，利用正交試驗法，選擇不同的切削參數，以獲得粗、精加工中不同的的切削參數最優組合。

2 銑削試驗方案

2.1 試驗條件

本試驗采用大連機床集團有限公司生產的VDF-850A數控銑床，刀具采用硬質合金D10四刃平底銑刀。試驗材料為方形45鋼，尺寸為80×80×50mm，粗加工進行平面銑削，需要去除的材料厚度為10mm。編程方式為自動編程，CAM軟件采用Autodesk公司的PowerMill2019版本。

表面質量采用日本三豐Mitutoyo SJ 210型表面粗糙度儀進行測量，每個加工表面任意選擇3個位置，每段取樣長度為2.5mm，計算其均值。

2.2 銑削參數選擇

要在規定時間內完成工件的加工，需要在保證加工質量的同時，提高加工效率。因此，針對粗加工過程，本文以最大生產率為優化目標。最大生產率往往以金屬去除率MRR來衡量[2]，即單位時間內去除的最大材料體積，MRR可表示為：

式中ap——軸向切深

ae——切削寬度

f——進給速度，mm/min

MMR越大，銑削時間tm越小。根據上式結合實際加工情況正交試驗理論要求[3]，選取軸向切深ap，切削寬度ae，進給速度f為試驗控制因子，每個因子選取4個水平，如表1所示。

表1 粗加工控制因子選擇表

精加工過程需要在保證表面質量的前提下，提高加工效率。表面質量常用的衡量指標是表面粗糙度值（Ra），根據經驗公式：

式中C——修正系數

n——主軸轉速

b1、b2、b3、b4——擬合常數

在實際加工中，粗加工余量基本一定，因此本文不將軸向切深作為控制因子。選取主軸轉速n，切削寬度ae，進給速度f為試驗控制因子，保證工件加工質量（Ra）的前提下，得出銑削時間tm，如表2所示。

表2 精加工控制因子選擇表

3 試驗結果分析

3.1 基于正交試驗的粗加工銑削參數優化

根據表1選擇的控制因子，共進行16組實驗，為保證試驗結果的嚴謹性和準確性，試驗過程中銑床、銑刀、毛坯、材料以及環境溫度均一致，結果如表3所示。

表3 粗加工實驗結果數據表

通過表3和表4可得，A、B、C 3個控制因子對最大生產率的影響主次順序為A>B>C，即進給速度影響最大，軸向切削深度次之，切削寬度最小。

表4 均值和極差表

由圖1可知，進給速度，軸向切削深度和切削寬度的提高均能降低切削時間，提高生產率。其中，切削深度在4～5mm時，對切削時間的影響較大，大于5mm時，對切削時間影響不大。

綜合表3和圖1可知，最優參數組合為第14組試驗的A4-B2-C3，即進給速度f=1,200mm/min，軸向切深ap=5mm，切削寬度ae=7mm，此時銑削時間為145s。

圖1 控制因子對銑削時間影響圖

3.2 基于正交試驗的精加工銑削參數優化

根據表2中的切削參數，精加工試驗得出銑削時間和表面粗糙度數值，試驗結果如表5所示。

表5 精加工實驗結果數據表

通過表5和表6可得，A、B、C 3個控制因子對最大生產率的影響主次順序為B>C>A，實際生產中，可通過提高進給速度和切削寬度的方式來降低精加工切削時間，而主軸轉速對表面粗糙度的影響較大。表5可知，最佳的參數組合是A2-B4-C3，此時表面粗糙度值Ra1.456μm，能夠滿足多數工件的表面質量要求。由圖2可知，主軸轉速對精加工切削時間影響不大，進給速度對切削時間的影響近似成線性，切削寬度大于5mm時，對銑削時間影響較小。

表6 均值和極差表

4 結論

本文立足于工期約束的數控銑加工實際情況，將加工過程分為粗加工和精加工，通過正交試驗法研究了切削參數對銑削時間的影響。通過對實驗結果的分析得出，粗加工中進給速度對銑削時間的影響最大，切削寬度對銑削時間的影響最小，最優的銑削參數為進給速度f=1,200mm/min，軸向切深ap=5mm，切削寬度ae=7mm，該參數的銑削時間比最高時間降低了75.1%；精加工中在考慮表面粗糙度的前提下，進給速度對銑削時間的影響最大，主軸轉速對銑削時間的影響最小，最優的銑削參數為進給速度f=1,200mm/min，主軸轉速n=6,000r/min，切削寬度ae=7mm，該參數在保證表面粗糙度值Ra1.456μm的同時，銑削時間比最高時間降低了66.7%。本文在粗加工的研究中主要考慮銑削時間為優化目標，而未對刀具壽命進行系統研究，因此在今后的研究中，可對銑削時間和刀具壽命進行多目標優化，以取得更理想的研究效果。

圖2 精加工控制因子對銑削時間影響圖