金屬構件數控切削加工過程穩(wěn)定性研究

王倩竹

（吉林城市職業(yè)技術學院，吉林 長春 130000）

金屬構件數控切削的穩(wěn)定性是影響金屬構件加工質量的關鍵，加工金屬構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件加工容易引起切削加工精度下降的因素[1]。對于金屬構件數控切削加工穩(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，在金屬構件的加工中刀具的位置的改變也會改變加工品的受力結構。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，但該技術的難度較大，因此在大規(guī)模的生產過程中使用并不常見，可以作為數控切削穩(wěn)定的發(fā)展方向，但技術還需要進行優(yōu)化和改良，金屬構件在航空航天等高技術科學領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，就是為提高生產力的進步作出自己的貢獻。

1 進行金屬構件數控切削加工變形預測

金屬構件數控切削之所以復雜，主要是因為金屬構件的形狀各異，大小不同。小型的金屬構件對尺寸的要求近乎苛刻，因此基于金屬構件加工的實際情況，在進行加工之前應對加工中可能產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件的具體情況進行分析，分析金屬構件的具體用途，按照金屬構件的復雜性進行分類，金屬構件的切割復雜度不同意味著相匹配的復雜系數不同。金屬構件的架構機床是根據軸數分級的，機床軸數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)模硬度低的金屬構件的生產。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，通用性最好的機床是三軸加工機床，剛性良好，可以切割現代工業(yè)的所需要的所有種類的金屬構件。以上三種機床都是工業(yè)生產所必要的生產設備，穩(wěn)定性的提升的系數根據軸數的不同而變化。

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件的受力，規(guī)則是刀具和金屬構件之間的夾角越小，金屬構件的受力就越小，但受力小卻不意味著穩(wěn)定性就越好。相反地，刀具和金屬構件的夾角越大，金屬構件的受力就越大，對穩(wěn)定性的影響就越小。

圖1 金屬構件加工變形預測

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，金屬構件承受的削切力，F2為不同軸機床金屬構件承受的削切力，F3為裝夾工況不同剛性下金屬構件承受的削切力，F4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，d為計算常數，f為與削切力相關的因素系數。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)現了優(yōu)化削切參數對提高穩(wěn)定性的影響，因此在進行變形預測之后，就要進行數控切削加工參數的優(yōu)化。

2 優(yōu)化數控切削加工參數

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

除了減小金屬構件的切割厚度之外還可以通過提高轉速和進給速度進行切削深度調節(jié)來進行參數優(yōu)化，刀具懸伸的長度的調節(jié)可以實現切削受力調節(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)護構件的加工效率，切削深度與金屬構件的受力成正比，切削深度越深則金屬構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，如果刀具更換的頻率變高會提升太多的生產成本，就要在速度優(yōu)化上放緩。金屬構件的質地也影響機床刀具的切割速度，金屬質地過于堅硬的構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值的基礎上，優(yōu)化金屬構件的切削參數，在變形預測準確的前提下，達到在金屬構件加工過程中，保持穩(wěn)定的效果。

3 測試實驗

為了驗證本文研究設計的穩(wěn)定方式對于金屬構件的數控切削加工的穩(wěn)定性加強是否具有實際作用，設計對比實驗，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時間中生產出更多合格的金屬構件，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)化設計，金屬構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。刀具的切削參數如表1所示。

表1 刀具參數

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，主軸箱則依據實驗對象的移動距離在Z軸方向上移動500mm，根據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，機床主軸的轉速是不同的，使用單向刀進行輪廓切割的時候主軸的轉速為2500r/min，而使用往復切割刀時的轉速為4500r/min，基本定型之后就是金屬構建細節(jié)的磨合，因此，大型金屬構件的加工使用擺線刀的機床主軸轉速為6700r/min，小型精密金屬構件的所使用的跟隨切割刀要求機床的轉速為9000r/min。

3.2 實驗結果與分析

基于以上的實驗參數形成的實驗環(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，實驗結果如表2。

表2 極差分析結果

分析表2的結果數據可知，本文設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，本文設計的穩(wěn)定方法在6次時間測試中都在4s之內獲得了穩(wěn)定性葉瓣圖，說明穩(wěn)定時間控制在4s之內，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，對金屬構件的數控切削加工技術的提高也起到一定的作用。

4 結語

本文基于金屬構件的數控切削加工現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，根據機床的金屬構件加工軸數進行分級和分區(qū)的方法是一種創(chuàng)新的領先突破，為金屬構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。