CN102049559B - 一种数控铣削刀具的快速优选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数控铣削刀具的快速优选方法包括以下几步：步骤一：对市场上适合加工铝合金或钛合金材料的刀具进行初步选择；步骤二、针对步骤一所选刀具，安排刀具切削实验进行，其中对于易加工材料主要从切削力、切削材料表面粗糙度及刀具成本考虑三个方面考虑，对于难加工材料主要从刀具磨损、切削力、切削材料表面粗糙度及刀具成本四个方面考虑；步骤三：刀具性能的综合比较；步骤四：最后根据刀具的价格，算出刀具的性价比q,选择原则是，如需按性能选择选X最大的刀具，如按性价比选择，则选q最大的刀具。本发明在零件生产过程中，选择具有优良切削性能和性价比的刀具，对于提高材料加工效率和降低加工成本，具有非常重要的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种数控铣削刀具的快速优选方法，属于金属切削领域。
背景技术
随着现代制造业的快速发展，各种典型材料在电子、航空、航天等领域得到了广泛的应用。主要包括铝合金、钛合金、以及其它复合材料等。由于铝合金和钛合金弹性模量低，加上军用领域零件的特殊结构工艺特点，使得加工过程中很容易发生零件报废现象。因此，在零件生产过程中，选择具有优良切削性能和较高性价比的刀具，对于提高零件的加工效率并降低加工成本，具有非常重要的影响。
目前，国内外各刀具厂商都提供了针对相应材料的刀具产品，每种型号刀具在材料、涂层、刀具角度和几何参数等方面都有其各自的特点，各自所推荐的优化参数也不尽相同。另外，各种厂商的刀具也存在着明显的价格差异，而刀具的切削性能并不与其自身的价格成正比。
刀具的切削性能对于各种材料数控加工过程中的刀具寿命和加工表面质量有着明显的影响，因此，需要提供一种通过利用刀具的切削性能与性价比来优选切削刀具的方法。但是，目前传统的刀具切削性能的评价方法是以刀具耐用度来衡量的，不能完全满足刀具性价比评价的需要。特别对于铝合金等材料，由于刀具磨损速度较慢，短时间的切削实验无法采用刀具磨损的指标进行切削性能评价，需要提供一种能够快速反应刀具切削性能的方法。
“一种切削刀具材料快速选择方法（中国发明专利，公开号CN101625298A ）”中根据刀具初期磨损进行刀具材料优选的方法。其中，未涉及刀具性价比的优选，并在刀具选择中只考虑了刀具磨损，而加工表面质量和切削力等因素未加以考虑。
发明内容
所要解决的技术问题：
针对以上不足本发明提供了一种根据被加工材料、刀具性能与性价比来快速选择数控铣削刀具的方法。本发明通过综合比较切削刀具磨损、切削力和加工表面质量等指标，建立刀具综合性能评价模型，从而快速、有效的选出最适宜的数控铣削刀具。
技术方案：
一种数控铣削刀具的快速优选方法包括以下几步：
步骤一：对市场上适合加工铝合金或钛合金材料的刀具进行初步选择；选择刀具优选实验的备选刀具及其试切参数，向刀具厂商咨询难加工材料切削刀具型号及最佳切削参数，试切参数采用厂商推荐参数或实际生产中实际使用的参数；
步骤二、针对步骤一所选刀具，安排刀具切削实验进行，其中对于易加工材料主要从切削力、切削材料表面粗糙度及刀具成本考虑三个方面考虑，对于难加工材料主要从刀具磨损、切削力、切削材料表面粗糙度及刀具成本四个方面考虑；
步骤三：刀具性能的综合比较:
刀具综合性能X由下式得到：
其中，x i是分项指标，λ i是权重系数，λ 1+λ 2+……+λ n=1；几个比较重要的指标包括单位磨损的金属去除率x 1、表面粗糙度x 2和切削力x 3;
当选择钛合金时，金属去除率x 1对应的权重系数为0.6，表面粗糙度x 2对应的表面粗糙度为0.2，切削力x 3对应的权重系数为0.2；
当选用铝合金时表面粗糙度x 2、切削力x 3对应的权重系数均为0.5；
在粗加工时，主要考虑刀具磨损，应以指标x 1为主要指标；精加工时，主要考虑加工表面质量，应以指标x 2为主要指标；在考虑薄壁件加工时，由于变形较大，应考虑指标x 3；如果不具备测力的条件，不考虑指标x 3；
为了方便数据处理，对每个指标进行归一化处理，即在每个分项指标中将每把刀具的指标分别除以该指标各备选刀具的最大值；
x 1反映了在去除相同的金属材料时，后刀面单位磨损量所达到的金属去除率，反映了刀具的抗磨损的能力，
其中，Q是金属去除率，VB是后刀面磨损量，铝合金切削刀具磨损较小，不考虑该指标；
x 2反映了刀具获得的加工表面质量，为加工表面粗糙度的倒数，Ra代表加工表面粗糙度，
x 3反映了切削过程中的切削力，铣削时，为吃刀分力F y的倒数，车削时，为切向分力F z的倒数，F代表切削分力，
步骤四：最后根据刀具的价格，算出刀具的性价比q，
其中，X为刀具综合性能，C为刀具的价格；
选择原则是，如需按性能选择选X最大的刀具，如按性价比选择，则选q最大的刀具。
[0008] 所述的步骤二包括：
a）刀具的磨损实验：切削刀具加工难加工材料时，在进行刀具寿命评价前有必要进行刀具磨损实验，其磨损实验的切削时间在30min~60min，切削时须保证每把刀具总的金属去除量一致；
刀具磨损形态主要包括前刀面磨损和后刀面磨损，后刀面磨损的特点是在刀具后刀面上出现与加工表面基本平行的磨损带，它分为C、B、N三个区：C区是刀尖区，由于散热差，强度低，磨损严重，最大值VC；B区处于磨损带中间，磨损均匀，最大磨损量VBmax；N区处于切削刃与待加工表面的相交处，磨损严重，磨损量以VN表示，此区域的磨损也叫边界磨损，加工铸件、锻件等外皮粗糙的工件时，这个区域容易磨损；
刀具的后刀面平均磨损量VB被用来进行刀具磨损的评价，后刀面平均磨损量VB使用工具显微镜进行观察和测量，铝合金忽略刀具磨损这个因素对铝合金加工的影响；
b）刀具性能的测试与分析：进行磨损实验后，进行刀具切削性能的测试与分析，主要
包括切削力和加工表面粗糙度两个因素，综合分析切削力、后刀面磨损量和已加工表面粗糙度，得到刀具的综合切削状态与性能，综合体现出刀具角度和几何参数对于切削性能的影响；另外，对于加工薄壁零件进行切削力分析时，对于车削力，切削速度方向的分力F y最大，对于铣削力，吃刀方向分力F z最大，因此，在车削与铣削过程中取这两个分力量进行切削力的比较。
所述的切削刀具的走刀方式为“之”形和外环形，分别考察走直线和拐角处切削力的变化情况。
有益效果：
本发明在零件生产过程中，选择具有优良切削性能和性价比的刀具，对于提高材料加工效率和降低加工成本，具有非常重要的影响。
附图说明
图1是刀具后刀面磨损形态示意图；
图2（a）是第一种走刀方式示意图；
图2（b）是第二种走刀方式示意图；
图3是立铣刀磨损形貌示意图。
具体实施方式
本发明的数控铣削刀具的快速优选方法,包括以下几步：
步骤一：对市场上适合加工铝合金或钛合金材料的刀具进行初步选择；
选择刀具优选实验的备选刀具及其试切参数，向刀具厂商咨询难加工材料切削刀具型号，向厂商说明刀具使用的需求，让刀具商推荐各自品牌最适宜的刀具型号。各种品牌型号刀具的几何参数（前角、后角、刃倾角和刀尖圆弧半径）等会有所不同。刀具样本或刀具厂商技术人员会推荐各自品牌刀具切削各种难加工材料的最佳切削参数。试切参数可以采用厂商推荐参数或实际生产中实际使用的参数。
步骤二、针对步骤一所选刀具，安排刀具切削实验进行，从刀具磨损、切削力、切削材料表面粗糙度及刀具成本因素考虑，其中对于易加工材料主要从切削力、切削材料表面粗糙度及刀具成本考虑三个方面考虑，对于难加工材料主要从刀具磨损、切削力、切削材料表面粗糙度及刀具成本四个方面考虑；
进行相关实验，主要包括以下几个方面：
a）刀具磨损实验
切削刀具加工难加工材料时，由于磨损严造成刀具寿命较低，很快就会失效。因此，在进行刀具寿命评价前有必要进行刀具磨损实验，磨损实验的切削参数可由刀具商推荐或采用生产中实际采用的参数。由于刀具切削难加工材料时磨损严重且迅速，磨损实验的切削时间在30min~60min为宜，主要目的是让刀具渡过初期磨损阶段，进入正常磨损阶段。如果切削时间较短，刀具磨损往往由于太小而不易被观测，并造成较大的测量误差。另外，切削时须保证每把刀具总的金属去除量一致。
刀具磨损形态主要包括前刀面磨损和后刀面磨损，后刀面磨损的特点是在刀具后刀面上出现与加工表面基本平行的磨损带。如图1所示，它分为C、B、N三个区：C区是刀尖区，由于散热差，强度低，磨损严重，最大值VC；B区处于磨损带中间，磨损均匀，最大磨损量VBmax；N区处于切削刃与待加工表面的相交处，磨损严重，磨损量以VN表示，此区域的磨损也叫边界磨损，加工铸件、锻件等外皮粗糙的工件时，这个区域容易磨损。
一般情况下，刀具的后刀面平均磨损量VB被用来进行刀具磨损的评价，后刀面平均磨损量VB使用工具显微镜进行观察和测量，铝合金可以忽略刀具磨损这个因素对铝合金加工的影响；
b）刀具性能的测试与分析
进行磨损实验后，进行刀具切削性能的测试与分析，主要包括切削力和加工表面粗糙度两个因素。综合分析切削力、后刀面磨损量和已加工表面粗糙度，可以得到刀具的综合切削状态与性能，能够综合体现出刀具角度和几何参数对于切削性能的影响。另外，对于加工薄壁零件时，切削力也会对加工变形产生重要的影响。在进行切削力分析时，对于车削力，切削速度方向的分力F y最大，对于铣削力，吃刀方向分力F z最大，因此，在车削与铣削过程中可以取这两个分力量进行切削力的比较。
步骤三：刀具性能的综合比较:
刀具综合性能X可以由下式得到：
其中，x i是分项指标，λ i是权重系数，λ 1+λ 2+……+λ n=1。几个比较重要的指标包括单位磨损的金属去除率x 1、表面粗糙度x 2和切削力x 3。
在粗加工时，主要考虑刀具磨损，应以指标x 1为主要指标； 精加工时，主要考虑加工表面质量，应以指标x 2为主要指标；在考虑薄壁件加工时，由于变形较大，应考虑指标x 3；如果不具备测力的条件，可以不考虑指标x 3。当然，在建立刀具综合性能评价模型的时候，还可以考虑其他在加工过程中的重要指标，使得模型更加贴切实际。
为了方便数据处理，对每个指标进行归一化处理，即在每个分项指标中将每把刀具的指标分别除以该指标各备选刀具的最大值。
x 1反映了在去除相同的金属材料时，后刀面单位磨损量所达到的金属去除率，反映了刀具的抗磨损的能力。
其中，Q是金属去除率，VB是后刀面磨损量。铝合金切削刀具磨损较小，可以不考虑该指标。
x 2反映了刀具获得的加工表面质量，为加工表面粗糙度的倒数，Ra代表加工表面粗糙度。
x 3反映了切削过程中的切削力，铣削时，为吃刀分力F y的倒数，车削时，为切向分力F z的倒数，F代表切削分力。
步骤四：最后根据刀具的价格，算出刀具的性价比q。
其中，X为刀具综合性能，C为刀具的价格；
选择原则是，如需按性能选择选X最大的刀具，如按性价比选择，则选q最大的刀具。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。
实施例1：钛合金的铣刀优选实例
在A、B、C、D和E五种整体硬质合金立铣刀中优选出适合TC4-M的钛合金铣削Φ8R0.5的立铣刀。
进行性能测试的指标为刀具单位磨损的金属去除率、直线加工的切削力和型腔拐角处的切削力。
铣削过程铣削力有三个分力F x、F y和F z，吃刀方向的F y在三个切削分力中最大，因此，选择吃刀方向的分量F y作为切削力的评价指标。指标及其权重系数如表1所示。
表1 性能指标及其权重系数
| 内容 | 权重 | |
| x 1 | 刀具单位磨损的金属去除率（Q/VB） | 0.6 |
| x 2 | 直线加工切削力指标 (1/F y_l) | 0.2 |
| x 3 | 型腔加工拐角处切削力指标 (F y_cl) | 0.2 |
实验的机床为UCP710立式加工中心。铣削力的测量采用Kistler9255B压电晶体测力仪，它具有较高的响应频率和测量精度。刀具磨损采用光学工具显微镜。
切深和切宽为固定值，而切削速度和进给速度为刀具商推荐，如表2所示，所有备选刀具总的金属去除量保持一致。
表2 刀具磨损实验的切削用量
表2 刀具磨损实验的切削用量
立铣刀的走刀路径如图2（a）、图2（b）所示，可以分别考察走直线和拐角处切削力的变化情况。第1组试验去除量为150 cm3，走刀方式为“之”形，如图2(a)所示，第2组试验去除量为150 cm3，走刀为外环形，考察拐角处切削力的变化情况，如图2(b)所示。
在进行切削力比较实验时，切削参数为n=2400rpm，ae=4mm，ap=3.6mm，fz=0.045mm。
本次实验采用的立铣刀为圆角铣刀，后刀面圆角处的刀具磨损带大于周刃处磨损带（如图3所示）。观测刀具磨损带时，以圆角处的磨损带宽度为主。
表3、表4和表5分别为单位磨损的金属去除率和切削力比较及其归一化处理的结果。
表3 单位磨损的金属去除率及其归一化处理
| A | B | C | D | E | |
| 去除率(cm3/min) | 6.48 | 6.48 | 6.76 | 6.48 | 6.48 |
| 圆弧刃处磨损带宽度VB | 0.17 | 0.25 | 0.15 | 0.24 | 0.27 |
| Q/VB指标 | 38 | 26 | 45 | 27 | 24 |
| Q/VB归一化处理后 | 0.85 | 0.58 | 1.00 | 0.60 | 0.53 |
| x 1×λ 1 | 0.51 | 0.348 | 0.6 | 0.36 | 0.318 |
表4 直线走刀切削力及其归一化处理结果
| A | B | C | D | E | |
| 平稳处F y_l（N） | 324.6 | 293.6 | 143 | 329 | 371.2 |
| (1/F y_l) 归一化处理后 | 0.44 | 0.49 | 1.00 | 0.43 | 0.39 |
| x 2×λ 2 | 0.088 | 0.098 | 0.2 | 0.086 | 0.078 |
表5 型腔拐角切削力及其归一化处理结果
| A | B | C | D | E | |
| 拐角处Fy（N） | 669.6 | 809.8 | 580 | 908 | 766.75 |
| (1/F y_c) 归一化处理后 | 0.87 | 0.72 | 1.00 | 0.64 | 0.76 |
| x 3×λ 3 | 0.174 | 0.144 | 0.2 | 0.128 | 0.152 |
表6 刀具切削性能综合指标
| A | B | C | D | E | |
| 综合性能指标 | 0.772 | 0.59 | 1 | 0.574 | 0.548 |
| 价格 | 250 | 400 | 500 | 300 | 400 |
| 性价比归一化后 | 1.00 | 0.48 | 0.65 | 0.62 | 0.44 |
由表6可知，根据综合性能应选C刀；根据性价比应选A刀。
实施例2：铝合金铣刀优选实例
在G、H、I、Z和S五种整体硬质合金立铣刀中优选出适合铝合金铣削的立铣刀。进行性能测试的指标为切削力与加工表面粗糙度。铣削过程铣削力有三个分力F x、F y和F z，吃刀方向的Fy在三个切削分力中最大，因此，选择吃刀方向的分量作为切削力的评价指标。切削力与表面粗糙度的权重系数均为0.5。
这些刀对铝合金6063H112进行切削实验，完成一定切削工作量后使用显微镜进行刀具磨损形态的观测，均未发现明显的刀具崩刃和磨损情况，因此可以忽略刀具磨损的影响，只开展对刀具切削力和表面质量的测试与分析。
表7 切削力比较
表7 切削力比较
表8 表面粗糙度比较
表9 刀具切削性能综合指标
| Z | S | I | H | G | |
| 综合性能指标 | 0.94 | 0.79 | 0.975 | 0.82 | 1.0 |
| 价格（元） | 250 | 170 | 450 | 430 | 3400 |
| 性价比归一化后 | 0.82 | 1 | 0.47 | 0.41 | 0.72 |
综上所述，根据切削性能应选G刀，根据性价比应选S刀。
Claims (3)
1.一种数控铣削刀具的快速优选方法,其特征在于：包括以下几步：
步骤一：对市场上适合加工铝合金或钛合金材料的刀具进行初步选择；选择刀具优选实验的备选刀具及其试切参数，向刀具厂商咨询难加工材料切削刀具型号及最佳切削参数，试切参数采用厂商推荐参数或实际生产中实际使用的参数；
步骤二、针对步骤一所选刀具，安排刀具切削实验进行，其中对于易加工材料主要从切削力、切削材料表面粗糙度及刀具成本考虑三个方面考虑，对于难加工材料主要从刀具磨损、切削力、切削材料表面粗糙度及刀具成本四个方面考虑；
步骤三：刀具性能的综合比较:
刀具综合性能X由下式得到：
其中，x i是分项指标，λ i是权重系数，λ 1+λ 2+……+λ n=1；几个比较重要的指标包括单位磨损的金属去除率x 1、表面粗糙度x 2和切削力x 3;
当选择钛合金时，金属去除率x 1对应的权重系数为0.6，表面粗糙度x 2对应的表面粗糙度为0.2，切削力x 3对应的权重系数为0.2；
当选用铝合金时表面粗糙度x 2、切削力x 3对应的权重系数均为0.5；
在粗加工时，主要考虑刀具磨损，应以指标x 1为主要指标；精加工时，主要考虑加工表面质量，应以指标x 2为主要指标；在考虑薄壁件加工时，由于变形较大，应考虑指标x 3；如果不具备测力的条件，不考虑指标x 3；
为了方便数据处理，对每个指标进行归一化处理，即在每个分项指标中将每把刀具的指标分别除以该指标各备选刀具的最大值；
x 1反映了在去除相同的金属材料时，后刀面单位磨损量所达到的金属去除率，反映了刀具的抗磨损的能力，
其中，Q是金属去除率，VB是后刀面磨损量，铝合金切削刀具磨损较小，不考虑该指标；
x 2反映了刀具获得的加工表面质量，为加工表面粗糙度的倒数，Ra代表加工表面粗糙度，
x 3反映了切削过程中的切削力，铣削时，为吃刀分力F y的倒数，车削时，为切向分力F z的倒数，F代表切削分力，
步骤四：最后根据刀具的价格，算出刀具的性价比q，
其中，X为刀具综合性能，C为刀具的价格；
选择原则是，如需按性能选择选X最大的刀具，如按性价比选择，则选q最大的刀具。
2.根据权利要求1所述的一种数控铣削刀具的快速优选方法,其特征在于：所述的
步骤二包括：
a）刀具的磨损实验：切削刀具加工难加工材料时，在进行刀具寿命评价前有必要进行刀具磨损实验，其磨损实验的切削时间在30min~60min，切削时须保证每把刀具总的金属去除量一致；
刀具磨损形态主要包括前刀面磨损和后刀面磨损，后刀面磨损的特点是在刀具后刀面上出现与加工表面基本平行的磨损带，它分为C、B、N三个区：C区是刀尖区，由于散热差，强度低，磨损严重，最大值VC；B区处于磨损带中间，磨损均匀，最大磨损量VBmax；N区处于切削刃与待加工表面的相交处，磨损严重，磨损量以VN表示，此区域的磨损也叫边界磨损，加工铸件、锻件等外皮粗糙的工件时，这个区域容易磨损；
刀具的后刀面平均磨损量VB被用来进行刀具磨损的评价，后刀面平均磨损量VB使用工具显微镜进行观察和测量，铝合金忽略刀具磨损这个因素对铝合金加工的影响；
b）刀具性能的测试与分析：进行磨损实验后，进行刀具切削性能的测试与分析，主要
包括切削力和加工表面粗糙度两个因素，综合分析切削力、后刀面磨损量和已加工表面粗糙度，得到刀具的综合切削状态与性能，综合体现出刀具角度和几何参数对于切削性能的影响；另外，对于加工薄壁零件进行切削力分析时，对于车削力，切削速度方向的分力F y最大，对于铣削力，吃刀方向分力F z最大，因此，在车削与铣削过程中取这两个分力量进行切削力的比较。
3.根据权利要求1或2所述的一种数控铣削刀具的快速优选方法,其特征在于：所述的
切削刀具的走刀方式为“之”形和外环形，分别考察走直线和拐角处切削力的变化情况。
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