金屬構(gòu)件數(shù)控切削加工過程穩(wěn)定性研究

王倩竹

（吉林城市職業(yè)技術(shù)學院，吉林 長春 130000）

金屬構(gòu)件數(shù)控切削的穩(wěn)定性是影響金屬構(gòu)件加工質(zhì)量的關(guān)鍵，加工金屬構(gòu)件的機床因為刀具磨損等原因會導致切割精度下降，斷續(xù)切削或加工機床其他的自身原因也是金屬構(gòu)件加工容易引起切削加工精度下降的因素[1]。對于金屬構(gòu)件數(shù)控切削加工穩(wěn)定性的研究工作一直沒有停止過，對切削力的分析是最主要的研究方向，力學特性中機床動力的理論中論證，在金屬構(gòu)件的加工中刀具的位置的改變也會改變加工品的受力結(jié)構(gòu)。無論是對于切削原理還是銑削控制的研究對于上述觀點都是贊同的，傳統(tǒng)的穩(wěn)定加工使用的是多軸加工技術(shù)，但該技術(shù)的難度較大，因此在大規(guī)模的生產(chǎn)過程中使用并不常見，可以作為數(shù)控切削穩(wěn)定的發(fā)展方向，但技術(shù)還需要進行優(yōu)化和改良，金屬構(gòu)件在航空航天等高技術(shù)科學領(lǐng)域也有很大的應用價值，因此，研究加工過程中的零件加工穩(wěn)定性，就是為提高生產(chǎn)力的進步作出自己的貢獻。

1 進行金屬構(gòu)件數(shù)控切削加工變形預測

金屬構(gòu)件數(shù)控切削之所以復雜，主要是因為金屬構(gòu)件的形狀各異，大小不同。小型的金屬構(gòu)件對尺寸的要求近乎苛刻，因此基于金屬構(gòu)件加工的實際情況，在進行加工之前應對加工中可能產(chǎn)生的變形進行有效預測，預測變形的簡單步驟如圖1所示。

如圖1所示，在進行變形預測之前要對金屬構(gòu)件的具體情況進行分析，分析金屬構(gòu)件的具體用途，按照金屬構(gòu)件的復雜性進行分類，金屬構(gòu)件的切割復雜度不同意味著相匹配的復雜系數(shù)不同。金屬構(gòu)件的架構(gòu)機床是根據(jù)軸數(shù)分級的，機床軸數(shù)越少加工中心的剛性越好，五軸加工機床的剛性是最低的，但機械的購買成本也較低，可以用來進行大規(guī)模硬度低的金屬構(gòu)件的生產(chǎn)。四軸加工機床的剛性和穩(wěn)定性都要比五軸的好很多，也可以滿足大部分金屬構(gòu)件的制造條件，只有個別的堅硬金屬和精密度要求比較高的金屬零件不能生產(chǎn)，通用性最好的機床是三軸加工機床，剛性良好，可以切割現(xiàn)代工業(yè)的所需要的所有種類的金屬構(gòu)件。以上三種機床都是工業(yè)生產(chǎn)所必要的生產(chǎn)設(shè)備，穩(wěn)定性的提升的系數(shù)根據(jù)軸數(shù)的不同而變化。

由圖1可知，除了機床本身的具體情況以外，不同的裝夾工況的切割剛性也是不同的。裝夾工況的剛性工藝系數(shù)由懸伸量的大小決定，刀具是最終與金屬的切割面相接觸的切割工具，切割的夾角決定了金屬構(gòu)件的受力，規(guī)則是刀具和金屬構(gòu)件之間的夾角越小，金屬構(gòu)件的受力就越小，但受力小卻不意味著穩(wěn)定性就越好。相反地，刀具和金屬構(gòu)件的夾角越大，金屬構(gòu)件的受力就越大，對穩(wěn)定性的影響就越小。

圖1 金屬構(gòu)件加工變形預測

基于夾角理論得知無論是實際預測變形還是仿真預測變形，都可以使用以下公式。

上述公式中的F1為在1層復雜性，金屬構(gòu)件承受的削切力，F(xiàn)2為不同軸機床金屬構(gòu)件承受的削切力，F(xiàn)3為裝夾工況不同剛性下金屬構(gòu)件承受的削切力，F(xiàn)4是不同的夾角a下的削切力變化，而k1、k2、k3和k4則是不同條件下的不同復雜分區(qū)的系數(shù)，d為計算常數(shù)，f為與削切力相關(guān)的因素系數(shù)。利用304材料的鋼材進行加工測試實驗，在三軸的加工機床上進行加工，刀具使用cc140型號的單向刀將304鋼材加工成精密的鉗子，金屬構(gòu)件的變形計算出來為F=107.35mm，上述實驗驗證了該種預測方式的可行性，同時也發(fā)現(xiàn)了優(yōu)化削切參數(shù)對提高穩(wěn)定性的影響，因此在進行變形預測之后，就要進行數(shù)控切削加工參數(shù)的優(yōu)化。

2 優(yōu)化數(shù)控切削加工參數(shù)

本文第一部分，驗證了金屬構(gòu)件的構(gòu)件組成復雜性、加工設(shè)備的自身的軸數(shù)和裝夾工藝切割夾角等都是預測變形的重要條件。那么假設(shè)上述條件不變的情況下，參數(shù)的優(yōu)化可以根據(jù)金屬構(gòu)件的實際條件入手，從切削層的厚度方面入手進行參數(shù)調(diào)節(jié)，越是精細的雕琢，產(chǎn)生的誤差就越小，因此，刀具每次切割的厚度越薄，切割的誤差產(chǎn)生也就越小。通過增加切割的次數(shù)的同時降低每次切割的厚度來優(yōu)化切割誤差是優(yōu)化參數(shù)中最簡單和直接的一步。

除了減小金屬構(gòu)件的切割厚度之外還可以通過提高轉(zhuǎn)速和進給速度進行切削深度調(diào)節(jié)來進行參數(shù)優(yōu)化，刀具懸伸的長度的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)切削受力調(diào)節(jié)[2]，刀具懸伸的長度增長會削弱切削的剛性，長度縮短會增加切削的剛性。工況因素確定不變的情況下變形控制的參數(shù)優(yōu)化，切削深度、切削速度、每齒進給速度和切削寬度等因素都會影響監(jiān)護構(gòu)件的加工效率，切削深度與金屬構(gòu)件的受力成正比，切削深度越深則金屬構(gòu)件的承受的切割力就越大。而提高切削的速度也是提高切削力度的一種方式，但切削的速度越快，對刀具表面的磨損就越大，刀具的使用壽命和切割速度慢的刀具相比短，更換頻率也比較頻繁。如果利用優(yōu)化切割速度來提高穩(wěn)定性，要注意將刀具的耐磨性計算在內(nèi)，如果刀具更換的頻率變高會提升太多的生產(chǎn)成本，就要在速度優(yōu)化上放緩。金屬構(gòu)件的質(zhì)地也影響機床刀具的切割速度，金屬質(zhì)地過于堅硬的構(gòu)件在提高速度上沒有穩(wěn)定性優(yōu)勢，此時可以通過改變直徑主軸轉(zhuǎn)速來優(yōu)化穩(wěn)定性。切削寬度與刀具的直徑成正比，在金屬構(gòu)件加工機床中切削加工中常見使用的四種刀具為單向刀、往復切割刀、擺線刀和跟隨切割刀。刀具的直徑計算方式為測量的刀具直徑減掉刀尖圓角的直徑，而使用單向刀進行金屬精細加工的時候，首先對金屬材料表面的粗糙度進行確認，控制刀具的直徑可以有效的提高多余材料去除的效率。在切割效率保持在一定數(shù)值的基礎(chǔ)上，優(yōu)化金屬構(gòu)件的切削參數(shù)，在變形預測準確的前提下，達到在金屬構(gòu)件加工過程中，保持穩(wěn)定的效果。

3 測試實驗

為了驗證本文研究設(shè)計的穩(wěn)定方式對于金屬構(gòu)件的數(shù)控切削加工的穩(wěn)定性加強是否具有實際作用，設(shè)計對比實驗，與傳統(tǒng)的多軸加工方法、顫震定域控制法相比，對比三種方法的穩(wěn)定最優(yōu)水平和獲得穩(wěn)定性葉瓣圖的時間，時間越短證明穩(wěn)定效率越高，在時間效率上占優(yōu)勢的方法顯然可以在固定的生產(chǎn)時間中生產(chǎn)出更多合格的金屬構(gòu)件，也可以降低零件加工的不合格率。

3.1 實驗準備

三軸立銑機床是目前金屬構(gòu)件加工最常見的機床，以三軸立式的加工機床作為實驗對象實驗具有普遍性，機床的機器型號為VMC0047，采用PM對加工工藝的路徑進行優(yōu)化設(shè)計，金屬構(gòu)件的切割最常使用四種刀具分別為單向刀、往復切割刀、擺線刀和跟隨切割刀。刀具的切削參數(shù)如表1所示。

表1 刀具參數(shù)

切削刀具的切割力如表1所示，將實驗對象的工作臺沿X、Y連個方向移動，移動長度為朝著X軸方向移動700mm，朝著Y軸方向移動500mm，主軸箱則依據(jù)實驗對象的移動距離在Z軸方向上移動500mm，根據(jù)實驗對象的使用條件，檢驗在主要加工工序中使用不同的刀具，機床主軸的轉(zhuǎn)速是不同的，使用單向刀進行輪廓切割的時候主軸的轉(zhuǎn)速為2500r/min，而使用往復切割刀時的轉(zhuǎn)速為4500r/min，基本定型之后就是金屬構(gòu)建細節(jié)的磨合，因此，大型金屬構(gòu)件的加工使用擺線刀的機床主軸轉(zhuǎn)速為6700r/min，小型精密金屬構(gòu)件的所使用的跟隨切割刀要求機床的轉(zhuǎn)速為9000r/min。

3.2 實驗結(jié)果與分析

基于以上的實驗參數(shù)形成的實驗環(huán)境，計算相同的實驗環(huán)境下的穩(wěn)定方法的穩(wěn)定極差，并分析每種方法的穩(wěn)定最優(yōu)水平，實驗結(jié)果如表2。

表2 極差分析結(jié)果

分析表2的結(jié)果數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計的方法對四種道具的穩(wěn)定均值與傳統(tǒng)的多軸加工法、顫震定域控制法相比數(shù)值都最高，極差也是三種方法中最大的，因此，穩(wěn)定水平的評分也達到了5分。說明本文設(shè)計的方法穩(wěn)定性較好。

對比三種方法的過得穩(wěn)定性葉瓣圖的時間，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定性葉瓣圖獲得時間對比

由圖2可知，本文設(shè)計的穩(wěn)定方法在6次時間測試中都在4s之內(nèi)獲得了穩(wěn)定性葉瓣圖，說明穩(wěn)定時間控制在4s之內(nèi)，而傳統(tǒng)的兩種方法的穩(wěn)定時間在6s~11s不等，達到穩(wěn)定效果的時間越短越說明穩(wěn)定性好，對金屬構(gòu)件的數(shù)控切削加工技術(shù)的提高也起到一定的作用。

4 結(jié)語

本文基于金屬構(gòu)件的數(shù)控切削加工現(xiàn)狀提出了有效增強切削穩(wěn)定性的方法，改變了傳統(tǒng)方法需要的穩(wěn)定時間長，穩(wěn)定效率低下的問題，根據(jù)機床的金屬構(gòu)件加工軸數(shù)進行分級和分區(qū)的方法是一種創(chuàng)新的領(lǐng)先突破，為金屬構(gòu)件的變形預測提出了新的思路，為穩(wěn)定性研究的未來的發(fā)展道路奠定了基礎(chǔ)。