CN102929206B

CN102929206B - 基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法

Info

Publication number: CN102929206B
Application number: CN201210426007.0A
Authority: CN
Inventors: 张森棠; 赵恒�; 郑艳铭; 周金泉
Original assignee: Shenyang Liming Aero Engine Group Co Ltd
Current assignee: Shenyang Liming Aero Engine Group Co Ltd
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: CN102929206A

Abstract

本发明一种基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，属于数控加工技术领域，首先分析在零件的切削过程中刀具的走刀路径；然后确定在零件的切削过程中刀具的进给速度比例系数；计算刀具在不同加工特征下的进给速度；最后根据计算出的进给速度在原有刀具的走刀路径的基础上对刀具的进给速度进行调整；本发明能够有效控制和解决许多试验和实际加工无法解决的加工过程失控和加工精度偏离的问题，通过对不同特征加工中的材料去除量、切削方向进行求解，获得试验和实际加工难以确定的切削用量，为零件高速高效精车加工提供技术支持；能够对整个加工区域的加工过程进行稳定性分析和预测。

Description

基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，具体涉及一种基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法。

背景技术

在精车数控加工过程中，被加工工件的材料、加工要求、机床与刀具等一经确定，切削用量及切削液的选择就成为影响目标函数的关键，切削参数是数控切削加工的基本控制量。如切削参数选择不当，不仅难以保证工件加工精度及控制加工成本，而且可能因切削力过大等原因造成机床被迫停机，影响数控机床效能的正常发挥。

从多数企业数控机床使用的现状而言，切削参数的选择是困扰数控加工的一个大问题。目前，数控加工切削参数的选用尚无标准可循，其选用受到个人技术水平影响甚大。这是因为切削过程中，工件材质硬度的变化、切削深度的不同、刀具磨损状况、切削液流量变化等因素，都将导致实际切削工况偏离理想状态。而这种偏离程度也不是保持在一个稳定的水平上。为了避免或减少这种偏离对刀具、对加工工件质量的影响，数控编程人员在实际工作中往往采用比较保守的参数设置，来应对复杂、多变的切削加工。即使在大量使用数控机床的企业，也存在着工艺管理水平不高，缺乏典型零件NC加工工艺指导文件和NC切削参数等突出问题。实践证明，正确合理地选择切削参数和优化切削过程，对确保产品质量、提高生产率，降低制造成本、保证数控机床安全运行和提高综合效益是十分重要的。

数控机床加工过程受加工形状和切削状况的限制。这样，在每个加工阶段，必须采用程序设定的转速和进给速率，没有足够的灵活性以适应加工时的动态变化。实际上，由于以下几个方面的原因，切削条件倾向于动态变化。这些原因包括：(1)无论毛料还是棒料、锻件还是铸件，工件表面经常不平整。(2)加工中刀具逐渐磨损。(3)工件间材料不同和工件内材料硬度不均匀，产生硬点和软点。(4)工件的形状、尺寸变化。(5)加工中冷却效果不同产生表面硬度变化。

车削过程是一个动态的、相对稳定的过程，工件表面所受的切削力、切削热的位置都随着加工部位的变化而变化。机械加工零件由于其功能结构的特点，决定了其几何特征非常多，少则几个、十几个，多则数十个甚至上百个。零件精车加工通常选择同样的切削深度、同一个进给速度，选择一把刀具或多把刀具按编制好的数控程序完成所选区域的加工，由于所选择的加工区域由多种几何特征构成，包括直线、斜线、凸圆弧、凹圆弧等，在刀具切削过程中，随着加工部位几何特征的变化，带来刀具去除材料和走刀方向随之发生了明显的变化，从而造成切削力也发生了改变，最终还出现了加工过程失稳或加工精度指标偏离现象的发生。

国内外学者对工艺参数或切削用量确定及优化开展了大量研究工作，然而由于大多数研究工作的前提条件都是基于经验或实验的，直接造成研究成果的实用性相对较差，所以到目前为止，零件精车加工仍然选择同样切削深度、相同进给速度的方式。

切削参数与刀具寿命、机床参数(主轴转速、功率、转矩)等因素有关。考虑到以上原因，为保证加工安全，数控机床操作者除了采取最保守的切削参数外别无选择，这就导致加工效率降低。相反，想要缩短加工时间，数控机床操作者不得不设定较大的加工参数，这样会导致对刀具工件和机床的破坏。若不能把加工中的动态变化考虑进去，则不能满足根据实际切削情况来实时调整切削参数的需要。

在零件精车加工过程中，机床的切削载荷相对稳定，说明刀具受力状况同样相对稳定，这一重要前提条件对机床精度保持，加工精度指标可控起着至关重要的作用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，以达到解决加工过程失控问题、解决加工精度偏离问题、确定切削用量、减少切削试验和实际加工验证的工作量、提高加工效率、加工质量和降低加工风险的目的。

一种基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，包括以下步骤：

步骤1、分析在零件的切削过程中刀具的走刀路径；

确定零件的加工特征，包括直线、斜线、凸圆弧和凹圆弧；根据零件的几何特征，对上述加工特征分别进行标识；根据零件的加工要求绘制刀具的走刀路径；

步骤2、确定在零件的切削过程中刀具的进给速度比例系数；

根据步骤1确定的刀具的走刀路径，对零件进行切削，并对该零件的不同加工特征的去除材料量进行计算；方法为：将直线加工特征材料去除量设定为标准值；求解其他加工特征的材料去除量相对于直线加工特征材料去除量的比例，并将该比例作为该加工特征的刀具进给速度调整比例系数；

步骤3、计算刀具在不同加工特征下的进给速度；

利用步骤2计算得出的进给速度比例系数乘以加工恒定精车进给速度，得到零件不同加工特征的进给速度；

步骤4、根据步骤3计算出的进给速度在原有刀具的走刀路径的基础上对刀具的进给速度进行调整。

步骤2所计算的进给速度调整比例系数，其在斜线加工特征下的取值范围小于0.8。

步骤2所计算的进给速度调整比例系数，其在凹圆弧加工特征下的取值范围为0.65～0.8。

步骤2所计算的进给速度调整比例系数，其在凸圆弧加工特征下的取值范围为1.25～1.35。

步骤2所述的不同加工特征的去除材料量，直线加工特征下的去除材料面积计算公式为：

S_直线=F×a_p

其中：S_直线为直线切削去除材料面积；F为进给速度，单位为毫米/转；a_p为切削深度，单位为毫米。

步骤2所述的不同加工特征的去除材料量，斜线加工特征下的去除材料面积计算公式与直线加工特征下的去除材料面积计算公式相同。

步骤2所述的不同加工特征的去除材料量，凹圆弧加工特征下的去除材料面积计算公式为：

其中：S_凹圆为凹圆切削去除材料面积；R为零件外形的圆弧半径，单位为毫米。

步骤2所述的不同加工特征的去除材料量，凸圆弧加工特征下的去除材料面积计算公式为：

其中：S_凸圆为凸圆切削去除材料面积。

步骤4所述的调整后的进给速度公式为：

Ft=F×At

其中，Ft为调整后对应特征的进给速度；At为某一时刻的进给速度调整比例系数。

本发明优点：

本发明一种基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，能够有效控制和解决许多试验和实际加工无法解决的加工过程失控和加工精度偏离的问题，通过对不同特征加工中的材料去除量、切削方向进行求解，获得试验和实际加工难以确定的切削用量，为零件高速高效精车加工提供技术支持；能够大幅度减少切削试验和实际加工验证的工作量；能够对整个加工区域的加工过程进行稳定性分析和预测，在此基础上优化进给速度，既能够保证加工过程的稳定，又直接提高了零件的加工精度，因此对机床精度保持起到了至关重要的作用。

附图说明

图1为本发明一种实施例的基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法流程图；

图2为本发明第一种实施例的刀具走刀路径图；

图3为本发明第二种实施例的刀具走刀路径图；

图4为本发明一种实施例的刀具直线切削运动示意图；

图5为本发明一种实施例的刀具凹圆切削运动示意图；

图6为本发明一种实施例的刀具凸圆切削运动示意图；

图7为本发明一种实施例的刀具拐点切削运动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步说明。

一种基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、分析在零件的切削过程中刀具的走刀路径；

如图2所示，对照零件设计外观的图样，对直线加工特征、斜线加工特征、凸圆弧加工特征、凹圆弧加工特征分别加以标识①、②、③、④，然后进行走刀路径分析，并根据加工要求绘制走刀路径图。

如图2所示，结合零件的精车数控程序可知,在数控程序中,切削加工过程中始终保持恒定的进给速度F。现有精车加工的加工余量是均匀的，即为一个固定值。但由于零件结构的变化，刀具与零件的接触面积和角度是不同的，根据零件结构的变化，零件在加工过程中每一点的受力不同。为了消除加工过程中零件受力不均匀而引起的刀具磨损严重、零件表面质量差、尺寸超差等现象，必须让零件在加工过程中所受载荷尽可能的保持均匀。然而零件在同一结构特征时，其受力变化规律基本保持一致，因此本发明实施例将车加工零件的特征进行了分解。图2中零件为回转体零件，其构成特征比较简单，主要加工特征可分为直线、凹圆弧、凸圆弧和斜线。根据不同加工特征的受力情况，调整的对应特征及其进给速度如下：

本发明第一种实施例原始数控程序如下：

N0060 G01 X47.834 F.5…………………………………………………//加工直线段①

N0150 G02 X43.698 Z-38.1 CR=13.8……………………………………//加工凹圆弧②

N0160 G01 X74.32 Z-64.619……………………………………………//加工斜线段③

N0170 G03 X80.Z-75.219 CR=21.2……………………………………//加工凸圆弧④

调整的对应特征及其进给速度如下：

N0060 G01 X47.83 4F.5…………………………………………//加工直线段①

表示坐标X为47.834处的进给速度F为0.5

N0150 G02 X43.698 Z-38.1 CR=13.8 F0.4……………………//加工凹圆弧②

表示坐标X为43.698，Z为-38.1，凹圆弧半径13.8处的进给速度F为0.4

N0160 G01 X74.32 Z-64.619 F0.4……………………………//加工斜线段③

表示坐标X为74.32，Z为-64.619处的进给速度F为0.4

N0170 G03 X80 Z-75.219 CR=21.2F0.625……………………//加工凸圆弧④

表示坐标X为80，Z为-75.219，凸圆弧半径21.2处的进给速度F为0.625

如图3所示，为本发明第二种实施例的刀具走刀路径，与第一种实施例相同，加工特征分为直线、斜线、凸圆弧、凹圆弧，并分别加以标识①、②、③、④。

本发明第二种实施例的原始数控程序：

N0050 G01 X306.8 Z0.0 F.5…………………………………………//加工直线段①

N0090 G03 X200.004 Z-39.632 CR=24.2……………………………//加工凹圆弧②

N0100 G01 X71.07 Z-51.……………………………………………//加工斜线段③

N0110 G02 X40.Z-69.514 CR=18.8………………………………//加工凸圆弧④

调整的对应特征及其进给速度如下：

N0050 G01 X306.8 Z0.0 F.3…………………………………………//加工直线段①

表示坐标X为306.8Z为0.0处的进给速度F为0.3

N0090 G03 X200.004 Z-39.632 CR=24.2 F0.24……………………//加工凹圆弧②

表示坐标X为200.004，Z为-39.632凹圆弧半径24.2处的进给速度F为0.24

N0100 G01 X71.07 Z-51 F0.24………………………………………//加工斜线段③

表示坐标X为71.07，Z为-51处的进给速度F为0.24

N0110 G02 X40.Z-69.514 CR=18.8F0.375………………………//加工凸圆弧④

表示坐标X为40，Z为-69.514，凸圆弧半径18.8处的进给速度F为0.375

步骤2、确定在零件的切削过程中刀具的进给速度比例系数；

1）主轴每转一周的材料去除面积求解

车加工切削过程主要包括直线切削、斜线切削、凹圆切削、凸圆切削与拐点加工。因精车加工时，刀具参与切削的主要是刀尖圆弧部分。

主轴旋转一周的切削瞬间过程如图4所示，其进给方向为平行于Z轴的切削运动，由图可得，主轴旋转一周刀具所去除的材料面积：

S_直线=F×a_p （1）

是一个恒定值，其中：S_直线为直线切削去除材料面积；F为进给速度，单位为毫米/转；a_p为切削深度，单位为毫米；

斜线切削过程，进给方向与Z轴呈大于零度小于一百八十度的切削运动。切削面积情况与直线一样，但刀具走刀方向发生了变化。

如图5所示凹圆切削过程，进给方向始终为刀具与加工圆弧相切处的切线方向，加工为刀尖圆弧与零件圆弧内切的切削运动。由图可得，主轴旋转一周刀具所去除的材料面积：

其中：S_凹圆为凹圆切削去除材料面积；R为零件外形的圆弧半径，单位为毫米；r为刀尖圆弧半径，单位为毫米，r＜R。

如图6所示为凸圆切削加工过程：进给方向为圆弧，且刀尖圆弧与零件圆弧外切的切削运动。如图所示，主轴旋转一周刀具所去除的材料面积：

其中：S_凸圆为凸圆切削去除材料面积；

如图7所示为拐点切削加工过程，进给方向折线变化的切削运动，拐点处刀尖圆弧与零件圆弧半径相同。如图所示，切削方向发生了突变。

2）进给速度比例系数求解

从（1）～（3）公式可以看出，无论哪种特征，其材料去除量均为一恒定值，由于直线切削时材料去除量关系式只有切削深度和进给速度两个变量，因此将其设定为标准值，并以此求解其他特征材料去除量相对于直线特征材料去除量的比例，作为该特征的进给速度调整比例系数A，以便建立加工特征与切削参数之间的数学关系。

斜线特征加工区域：

A_斜线=S_斜线/S_直线=1 （4）

其中，A_斜线为斜线加工特征的进给速度调整比例系数；S_斜线为直线切削去除材料面积；

凹圆特征加工区域：

其中，A_凹圆为凹圆弧加工特征的进给速度调整比例系数；

凸圆特征加工区域：

其中，A_凸圆为凸圆弧加工特征的进给速度调整比例系数；

由于以上系数均为常数，因此可根据加工特征的特点进行一定范围的调整，并将其设定为一经验值进行求解。

3)切削力预测分析

本发明实施例，以斜线切削为例进行分析，其材料去除量与直线特征材料去除量相同，但走刀方向即进给方向为与Z轴之间的角度方向，带来了切削力在零件径向和轴向上的分解而有所改变。

设定初始条件为进给速度F=0.2毫米/转，切削深度a_p=0.5，主轴转速S=20转/分，使用同一把刀具，作用在轴向和径向的切削力如下表，得到如表1所示：

表1

名称	描述	径向力（N）	轴向力（N）
				Liner	与Z轴平行	194.3	248.5
斜线A10	与Z轴10°夹角	233.0	223.9
				斜线A30	与Z轴30°夹角	286.7	120.4
斜线A45	与Z轴45°夹角	255.2	76.5
				斜线A60	与Z轴60°夹角	271.2	10.1

因此，在对斜线切削进给进行求解时，应根据机床和刀具夹持方式进行调整，进给速度调整系数为0.8max。

步骤3、计算刀具在不同加工特征下的进给速度；

1）标准进给速度设定

（1）根据零件加工精度要求，标定标准精车进给速度F(mm/转)如下表：

表2

(2)根据加工特征，标识其进给速度调整比例系数A如下表：

表3

直线	1
		斜线	0.8max
凸圆弧	1.25～1.35
		凹圆弧	0.65～0.8

(3)根据标准进给速度及其比例系数进行调整。调整后对应特征的进给速度Ft计算如下：

Ft=F×At (7)

其中，At为某一时刻的进给速度调整比例系数；

步骤4、将步骤3得到的对应加工特征的刀具进给速度进行检查核对，确保无误后，根据步骤3计算出的进给速度在原有刀具的走刀路径的基础上对刀具的进给速度进行调整。

基于零件的加工特征，赋以适当的进给速度调整数值进行调整，能够使零件精车切削载荷趋于均衡。调整过程不会改变车加工程序的走刀路径，仅仅通过修改特征部位部的进给速度来调整切削力，并达到控制切削载荷均衡的目的。

Claims

1.一种基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、分析在零件的切削过程中刀具的走刀路径；

步骤2、确定在零件的切削过程中刀具的进给速度调整比例系数；

根据步骤1确定的刀具的走刀路径，对零件进行切削，并对该零件的不同加工特征的去除材料量进行计算；方法为：将直线加工特征去除材料量设定为标准值；求解其他加工特征的去除材料量相对于直线加工特征去除材料量的比例，并将该比例作为该加工特征的刀具进给速度调整比例系数；

步骤3、计算刀具在不同加工特征下的进给速度；

利用步骤2计算得出的进给速度调整比例系数乘以加工恒定精车进给速度，得到零件不同加工特征的进给速度；

2.根据权利要求1所述的基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，其特征在于：步骤2所计算的进给速度调整比例系数，其在斜线加工特征下的取值范围小于0.8。

3.根据权利要求1所述的基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，其特征在于：步骤2所计算的进给速度调整比例系数，其在凹圆弧加工特征下的取值范围为0.65～0.8。

4.根据权利要求1所述的基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，其特征在于：步骤2所计算的进给速度调整比例系数，其在凸圆弧加工特征下的取值范围为1.25～1.35。

5.根据权利要求1所述的基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，其特征在于：步骤2所述的不同加工特征的去除材料量，直线加工特征下的去除材料面积计算公式为：

S_直线＝F×a_p

6.根据权利要求1所述的基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，其特征在于：步骤2所述的不同加工特征的去除材料量，斜线加工特征下的去除材料面积计算公式与直线加工特征下的去除材料面积计算公式相同。

7.根据权利要求1所述的基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，其特征在于：步骤2所述的不同加工特征的去除材料量，凹圆弧加工特征下的去除材料面积计算公式为：

其中：S_凹圆为凹圆切削去除材料面积；R为零件外形的圆弧半径，单位为毫米；r为刀尖圆弧半径，单位为毫米；F为进给速度，单位为毫米/转；a_p为切削深度，单位为毫米。

8.根据权利要求1所述的基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，其特征在于：步骤2所述的不同加工特征的去除材料量，凸圆弧加工特征下的去除材料面积计算公式为：

其中：S_凸圆为凸圆切削去除材料面积，R为零件外形的圆弧半径，单位为毫米；r为刀尖圆弧半径，单位为毫米；F为进给速度，单位为毫米/转；a_p为切削深度，单位为毫米。

9.根据权利要求1所述的基于加工特征的数控精车加工切削参数确定方法，其特征在于：步骤4所述的调整后的进给速度公式为：

Ft＝F×At

其中，Ft为调整后对应特征的进给速度；At为某一时刻的进给速度调整比例系数，F为进给速度，单位为毫米/转。