錢愛萍

（浙江汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，浙江 臨海 317000）

1 前言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，精度要求不斷提高，因此對(duì)加工機(jī)械產(chǎn)品零件部件的生產(chǎn)設(shè)備機(jī)床也提出高性能、高精度的要求。數(shù)控加工技術(shù)是20世紀(jì)40年代后期為適應(yīng)加工復(fù)雜外形零件而發(fā)展起來的，自從1952年第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問世到現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展非常迅速。

數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：

1.1 加工復(fù)雜形狀能力

數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)的可控性使其能完成普通加工方法難以完成的復(fù)雜型面加工。

1.2 高質(zhì)量

數(shù)控加工是用數(shù)字程序控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工，排除了人為誤差因素，且加工誤差還可以由數(shù)控系統(tǒng)通過軟件技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償校正，因此可以提高零件加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

1.3 高效率

與采用普通機(jī)床加工相比，采用數(shù)控加工一般可以提高生產(chǎn)率2-3倍。有時(shí)零件一次裝夾后能完成幾乎所有部位的加工，不僅可消除多次裝夾引起的定位誤差，且可大大減少加工輔助操作，使加工效率進(jìn)一步提高。

1.4 高柔性

只需改變零件程序即可適應(yīng)不同品種的零件加工，且?guī)缀醪恍枰圃鞂Ｓ霉ぱb夾具，因此加工柔性好，適應(yīng)多品種、中小批量的現(xiàn)代生產(chǎn)需要。

切削加工是金屬加工中最基本的手段，切削加工的工作量占機(jī)械制造工作量的30%-40%，約70%的零部件采用切削加工來進(jìn)行。據(jù)估計(jì)，在21世紀(jì)切削加工仍將占機(jī)械加工量的90%以上，因此，提高切削加工的效率和質(zhì)量仍是機(jī)械制造業(yè)的重要課題。數(shù)控機(jī)床種類很多，按切削加工功能不同可以分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、加工中心等。而數(shù)控銑床用途非常廣泛，不僅可以加工各種平面、溝槽、螺旋槽、成型表面和孔，而且還能加工各種平面曲線和空間曲線等復(fù)雜型面，適合各種模具、凸輪、板類及箱體類零件的加工。

2 數(shù)控銑削切削用量選用的復(fù)雜性

數(shù)控編程時(shí)，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫入程序中。切削用量包括切削速度、背吃刀量或側(cè)吃刀量及進(jìn)給速度等。對(duì)于不同的加工方法，需要選用不同的切削用量。數(shù)控銑削切削用量包括：

2.1 背吃刀量(端銑)或側(cè)吃刀量(圓周銑)

背吃刀量ap為平行于銑刀軸線測量的切削層尺寸，單位為mm。端銑時(shí)，ap為切削層深度；而圓周銑削時(shí)，ap為被加工表面的寬度。

側(cè)吃刀量ae為垂直于銑刀軸線測量的切削層尺寸，單位為mm。端銑時(shí)，ae為被加工表面寬度；而圓周銑削時(shí)，ae為切削層深度。

在保證加工表面質(zhì)量加工質(zhì)量的前提下，背吃刀量(ap)應(yīng)據(jù)機(jī)床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應(yīng)盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量，這樣可以減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

2.2 進(jìn)給速度

進(jìn)給速度vf是單位時(shí)間內(nèi)工件與銑刀沿進(jìn)給方向的相對(duì)位移，單位為mm/min。它與銑刀轉(zhuǎn)速n、銑刀齒數(shù)Z及每齒進(jìn)給量fz(單位為mm/z)的關(guān)系為:vf=fzZn

進(jìn)給速度F是數(shù)控機(jī)床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進(jìn)給速度受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的性能限制。每齒進(jìn)給量fz的選取主要取決于工件材料的力學(xué)性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料的強(qiáng)度和硬度越高，fz越小；反之則越大。硬質(zhì)合金銑刀的每齒進(jìn)給量高于同類高速鋼銑刀。工件表面粗糙度要求越高，fz就越小。工件剛性差或刀具強(qiáng)度低時(shí)，應(yīng)取小值。

2.3 切削速度

銑削的切削速度計(jì)算公式為：

銑削的切削速度與刀具的耐用度T、每齒進(jìn)給量fz、背吃刀量ap、側(cè)吃刀量ae以及銑刀齒數(shù)Z成反比，與銑刀直徑d成正比。其中原因是 fz、ap、ae、Z 增大時(shí)，使同時(shí)工作齒數(shù)增多，刀刃負(fù)荷和切削熱增加，加快刀具磨損，因此刀具耐用度限制了切削速度的提高。

在生產(chǎn)加工中，合理選用切削用量的確定相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)閿?shù)控銑削用量受到很多因素的影響，包括：

工藝條件。如刀具材料、刀具幾何尺寸、工件材料、工件幾何尺寸、工件表面狀況、夾具剛度、機(jī)床性能、切削液使用情況，甚至于操作人員的技術(shù)水平。

工藝要求。如毛坯的表面粗糙度、形狀精度、加工硬化、表面應(yīng)力。

管理要求。如工序編排、生產(chǎn)節(jié)拍、統(tǒng)一換刀等出于管理上的便利而提出的要求。

經(jīng)濟(jì)性要求。如生產(chǎn)效率最高、利潤最高，加工成本最低等。

切削用量確定的復(fù)雜性，還在于工藝條件、工藝要求對(duì)切削用量的影響關(guān)系很多時(shí)候尚無法定量表示，而只能定性分析；另外，這些影響因素之間還存在制約關(guān)系。

3 生產(chǎn)實(shí)踐中確定數(shù)控銑削切削用量的方法

切削用量的選擇原則是：保證零件加工精度和表面粗糙度的前提下，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度并充分發(fā)揮機(jī)床的性能，最大限度地提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)的確定切削用量的方法：

3.1 手工查閱切削用量手冊(cè)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，對(duì)于切削用量的選擇和優(yōu)化，在生產(chǎn)中除了憑經(jīng)驗(yàn)外，一直主要是靠查閱切削用量手冊(cè)和其它一些相關(guān)資料來選擇切削用量。查手冊(cè)的方法簡單易行，在多數(shù)情況下也基本能滿足工廠的需要，因而應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

從通常查手冊(cè)確定切削用量的方法來看，主要有以下幾個(gè)問題：

第一，加工工藝人員或機(jī)床操作者通過查閱手冊(cè)來確定切削用量，會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間。

第二，要有效利用手冊(cè)，對(duì)機(jī)床使用者的素質(zhì)仍然提出了一定的要求。由于毛坯材料、刀具、切削方式的多種多樣，對(duì)每一組切削用量都做實(shí)驗(yàn)來加以驗(yàn)證是不現(xiàn)實(shí)的，所以現(xiàn)有的切削用量手冊(cè)無不是僅僅實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并列出每種毛坯材料、刀具特定的幾組切削用量。這樣多數(shù)情況下，技術(shù)人員只得將這些數(shù)據(jù)按某種方式插值或附加一定的公式計(jì)算，來獲取加工中需要的切削用量，這樣又要花費(fèi)很多時(shí)間。

3.2 經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定加工余量。一般情況，為防止因余量過小而產(chǎn)生廢品，經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的數(shù)值總是偏大。

3.3 分析計(jì)算法

根據(jù)上述的加工余量計(jì)算公式和一定的試驗(yàn)資料，對(duì)影響加工余量的各項(xiàng)因素進(jìn)行分析，并計(jì)算確定加工余量。

目前生產(chǎn)中切削用量的選擇是根據(jù)選用的具體廠家生產(chǎn)的不同材料、不同型號(hào)、應(yīng)用于不同生產(chǎn)條件的刀片或刀具所推薦的具體切削用量值經(jīng)實(shí)踐來確定，這樣選擇切削用量才能發(fā)揮刀具的最佳性能，零件的質(zhì)量最好，刀具耐用度最佳，也最節(jié)省刀具費(fèi)用。

4 數(shù)控銑削切削用量優(yōu)化的意義

隨著信息化社會(huì)的到來，制造業(yè)已從單純依靠提高設(shè)備的自動(dòng)化程度和加工精度占有市場，轉(zhuǎn)向以信息為基礎(chǔ)，從產(chǎn)品整個(gè)生命周期的大系統(tǒng)的角度來適應(yīng)市場，滿足社會(huì)各方面需求，增強(qiáng)企業(yè)的競爭能力。加工設(shè)備要適應(yīng)這種發(fā)展的變化，在不斷提高自動(dòng)化水平的同時(shí)，注意整體、人和信息的因素，以信息為紐帶、人為中心，具有相對(duì)獨(dú)立性的智能化的加工設(shè)備，是未來發(fā)展的方向。

在制定數(shù)控銑削工藝過程時(shí)，工藝人員往往不僅要考慮怎樣加工，而且更重要的是如何合理加工。所謂合理加工，就是要充分考慮需要什么加工設(shè)備、配置什么工、夾、量輔具，確定最優(yōu)車間過程及工序過程，降低材料定額，減少工時(shí)，保證加工精度，保證生產(chǎn)進(jìn)度，平衡生產(chǎn)能力等諸多因素。

在保證零件加工質(zhì)量的前提下、如何提高勞動(dòng)生產(chǎn)率降低零件的加工成本以提高其經(jīng)濟(jì)效益。在機(jī)床設(shè)備、切削刀具和加工對(duì)象等初步明確后，研究如何確定切削最佳參數(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。這是由于影響切削參數(shù)的因素多，各個(gè)因素交叉制約，因而難于在憑借已有的加工經(jīng)驗(yàn)或者機(jī)械加工切削手冊(cè)的基礎(chǔ)上制定出合理的切削參數(shù)。目前計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以及專家系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的成熟，使切削用量的智能選擇已經(jīng)成為可能。因刀具和切削用量低效率地選擇而制約數(shù)控機(jī)床切削能力的正常發(fā)揮就是目前大都工廠數(shù)控加工中主要存在的問題之一。

科學(xué)的機(jī)械加工切削數(shù)據(jù)是降低成本、提高質(zhì)量和管理水平的重要依據(jù)。世界主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)此都十分重視，紛紛建立了切削數(shù)據(jù)庫，并取得了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。如1964年美國金屬切削研究聯(lián)合公司成立了可切削性數(shù)據(jù)中心，建立了計(jì)算機(jī)管理的切削加工數(shù)據(jù)庫，可以說潛力很大，特別是在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，原來的大批量生產(chǎn)模式已被中小批量、多品種生產(chǎn)模式所取代。原來加工多個(gè)產(chǎn)品也只要確定一次切削用量；但現(xiàn)在每加工一個(gè)產(chǎn)品，都可能需要確定不同的切削用量。這樣，切削用量優(yōu)化的意義就變得愈發(fā)重要。而且，與普通銑床相比，數(shù)控銑床切削用量的優(yōu)化具有特別的意義：

普通銑床的切削用量一般是有級(jí)調(diào)整，只能取得有限的不連續(xù)的一些值，數(shù)控銑床切削用量可以無級(jí)調(diào)整，可以近似為連續(xù)變量，這既是一個(gè)利用切削用量優(yōu)化結(jié)果的有利條件，又加劇了進(jìn)行切削用量優(yōu)化的迫切性；

數(shù)控銑床切削用量一般在加工前編制的程序中確定，雖然也可以根據(jù)現(xiàn)場加工情況由操作者臨時(shí)調(diào)整，但這樣一來就增加了人的勞動(dòng)強(qiáng)度；另外，隨著現(xiàn)代制造業(yè)中無人化程度越來越高，很多時(shí)候一個(gè)人要管理很多臺(tái)設(shè)備，不能在某臺(tái)設(shè)備上花費(fèi)過多時(shí)間，因此希望程序中能夠直接給出合理的切削用量；

為了使數(shù)控銑床主軸獲得高的轉(zhuǎn)速與較大的調(diào)速范圍，愈來愈多要求簡化主軸箱，甚至希望主軸直接驅(qū)動(dòng)。這樣，數(shù)控銑床主軸能夠承受的轉(zhuǎn)矩就大大降低了，其切削用量與普通銑床應(yīng)該有所不同。而現(xiàn)有的切削用量手冊(cè)對(duì)兩者一般是不加區(qū)分的，因此有必要對(duì)切削數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的切削用量做調(diào)整。

如果數(shù)控銑床是柔性制造系統(tǒng)中的成員，那么可能經(jīng)常需要根據(jù)現(xiàn)場情況的變化改變生產(chǎn)節(jié)拍，這樣就會(huì)涉及切削用量的合理變更。

5 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代加工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，以及柔性制造系統(tǒng)中經(jīng)常改變生產(chǎn)節(jié)拍的需要，合理切削用量的確定及隨著客觀條件的變化而變更已成為一個(gè)日益迫切的要求。本文在數(shù)控銑床切削用量的傳統(tǒng)確定方法和優(yōu)化方面作了比較，在加工零件時(shí)，刀具每一次走刀之間、甚至在每一次走刀的過程中，切深、切寬都是不斷變化的，因此合理的切削用量在不斷變化中。如果整個(gè)數(shù)控代碼中的切削用量都設(shè)定為一個(gè)固定值，出于安全考慮，該值只能是與該次加工中切深、切寬最大的走刀相對(duì)應(yīng)的切削用量；而在切深、切寬較小的走刀過程中，仍然使用這個(gè)固定的切削用量就浪費(fèi)了時(shí)間，如果CAM軟件中能夠比較方便地分別設(shè)置每次走刀時(shí)的切削用量（甚至更進(jìn)一步，CAM軟件能夠自動(dòng)算出每一段刀軌的切深和切寬，并自動(dòng)給每一段刀軌設(shè)置不同的優(yōu)化后的切削用量），那么不需要增加任何投資，就可以大大提高加工效率。

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