王倩竹

（吉林城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)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(jī)床因?yàn)榈毒吣p等原因會(huì)導(dǎo)致切割精度下降，斷續(xù)切削或加工機(jī)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(duì)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(duì)切削力的分析是最主要的研究方向，力學(xué)特性中機(jī)床動(dòng)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(huì)改變加工品的受力結(jié)構(gòu)。無論是對(duì)于切削原理還是銑削控制的研究對(duì)于上述觀點(diǎn)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(jìn)行優(yōu)化和改良，金屬構(gòu)件在航空航天等高技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用價(jià)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(jìn)步作出自己的貢獻(xiàn)。

1 進(jìn)行金屬構(gòu)件數(shù)控切削加工變形預(yù)測(cè)

金屬構(gòu)件數(shù)控切削之所以復(fù)雜，主要是因?yàn)榻饘贅?gòu)件的形狀各異，大小不同。小型的金屬構(gòu)件對(duì)尺寸的要求近乎苛刻，因此基于金屬構(gòu)件加工的實(shí)際情況，在進(jìn)行加工之前應(yīng)對(duì)加工中可能產(chǎn)生的變形進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)變形的簡(jiǎn)單步驟如圖1所示。

如圖1所示，在進(jìn)行變形預(yù)測(cè)之前要對(duì)金屬構(gòu)件的具體情況進(jìn)行分析，分析金屬構(gòu)件的具體用途，按照金屬構(gòu)件的復(fù)雜性進(jìn)行分類，金屬構(gòu)件的切割復(fù)雜度不同意味著相匹配的復(fù)雜系數(shù)不同。金屬構(gòu)件的架構(gòu)機(jī)床是根據(jù)軸數(shù)分級(jí)的，機(jī)床軸數(shù)越少加工中心的剛性越好，五軸加工機(jī)床的剛性是最低的，但機(jī)械的購買成本也較低，可以用來進(jìn)行大規(guī)模硬度低的金屬構(gòu)件的生產(chǎn)。四軸加工機(jī)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(gè)別的堅(jiān)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(jī)床是三軸加工機(jī)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(jī)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(jī)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(duì)穩(wěn)定性的影響就越小。

圖1 金屬構(gòu)件加工變形預(yù)測(cè)

基于夾角理論得知無論是實(shí)際預(yù)測(cè)變形還是仿真預(yù)測(cè)變形，都可以使用以下公式。

上述公式中的F1為在1層復(fù)雜性，金屬構(gòu)件承受的削切力，F(xiàn)2為不同軸機(jī)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(fù)雜分區(qū)的系數(shù)，d為計(jì)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(jìn)行加工測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在三軸的加工機(jī)床上進(jìn)行加工，刀具使用cc140型號(hào)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(jì)算出來為F=107.35mm，上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該種預(yù)測(cè)方式的可行性，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了優(yōu)化削切參數(shù)對(duì)提高穩(wěn)定性的影響，因此在進(jìn)行變形預(yù)測(cè)之后，就要進(jìn)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(yàn)證了金屬構(gòu)件的構(gòu)件組成復(fù)雜性、加工設(shè)備的自身的軸數(shù)和裝夾工藝切割?yuàn)A角等都是預(yù)測(cè)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(shí)際條件入手，從切削層的厚度方面入手進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，越是精細(xì)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(shí)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(jiǎn)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(jìn)給速度進(jìn)行切削深度調(diào)節(jié)來進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，刀具懸伸的長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)切削受力調(diào)節(jié)[2]，刀具懸伸的長(zhǎng)度增長(zhǎng)會(huì)削弱切削的剛性，長(zhǎng)度縮短會(huì)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(jìn)給速度和切削寬度等因素都會(huì)影響監(jiān)護(hù)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(duì)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(jì)算在內(nèi)，如果刀具更換的頻率變高會(huì)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(jī)床刀具的切割速度，金屬質(zhì)地過于堅(jiān)硬的構(gòu)件在提高速度上沒有穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，此時(shí)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(jī)床中切削加工中常見使用的四種刀具為單向刀、往復(fù)切割刀、擺線刀和跟隨切割刀。刀具的直徑計(jì)算方式為測(cè)量的刀具直徑減掉刀尖圓角的直徑，而使用單向刀進(jìn)行金屬精細(xì)加工的時(shí)候，首先對(duì)金屬材料表面的粗糙度進(jìn)行確認(rèn)，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(yù)測(cè)準(zhǔn)確的前提下，達(dá)到在金屬構(gòu)件加工過程中，保持穩(wěn)定的效果。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文研究設(shè)計(jì)的穩(wěn)定方式對(duì)于金屬構(gòu)件的數(shù)控切削加工的穩(wěn)定性加強(qiáng)是否具有實(shí)際作用，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的多軸加工方法、顫震定域控制法相比，對(duì)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(shí)間，時(shí)間越短證明穩(wěn)定效率越高，在時(shí)間效率上占優(yōu)勢(shì)的方法顯然可以在固定的生產(chǎn)時(shí)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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

三軸立銑機(jī)床是目前金屬構(gòu)件加工最常見的機(jī)床，以三軸立式的加工機(jī)床作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)驗(yàn)具有普遍性，機(jī)床的機(jī)器型號(hào)為VMC0047，采用PM對(duì)加工工藝的路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，金屬構(gòu)件的切割最常使用四種刀具分別為單向刀、往復(fù)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(shí)驗(yàn)對(duì)象的工作臺(tái)沿X、Y連個(gè)方向移動(dòng)，移動(dòng)長(zhǎng)度為朝著X軸方向移動(dòng)700mm，朝著Y軸方向移動(dòng)500mm，主軸箱則依據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的移動(dòng)距離在Z軸方向上移動(dòng)500mm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的使用條件，檢驗(yàn)在主要加工工序中使用不同的刀具，機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速是不同的，使用單向刀進(jìn)行輪廓切割的時(shí)候主軸的轉(zhuǎn)速為2500r/min，而使用往復(fù)切割刀時(shí)的轉(zhuǎn)速為4500r/min，基本定型之后就是金屬構(gòu)建細(xì)節(jié)的磨合，因此，大型金屬構(gòu)件的加工使用擺線刀的機(jī)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(jī)床的轉(zhuǎn)速為9000r/min。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于以上的實(shí)驗(yàn)參數(shù)形成的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，計(jì)算相同的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)的方法對(duì)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(píng)分也達(dá)到了5分。說明本文設(shè)計(jì)的方法穩(wěn)定性較好。

對(duì)比三種方法的過得穩(wěn)定性葉瓣圖的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定性葉瓣圖獲得時(shí)間對(duì)比

由圖2可知，本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)定方法在6次時(shí)間測(cè)試中都在4s之內(nèi)獲得了穩(wěn)定性葉瓣圖，說明穩(wěn)定時(shí)間控制在4s之內(nèi)，而傳統(tǒng)的兩種方法的穩(wěn)定時(shí)間在6s~11s不等，達(dá)到穩(wěn)定效果的時(shí)間越短越說明穩(wěn)定性好，對(duì)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(qiáng)切削穩(wěn)定性的方法，改變了傳統(tǒng)方法需要的穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，穩(wěn)定效率低下的問題，根據(jù)機(jī)床的金屬構(gòu)件加工軸數(shù)進(jìn)行分級(jí)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(yù)測(cè)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)。