CN105873703B - 切削加工中的切削条件的设计方法 - Google Patents

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Abstract

使用包括切削加工器具(1)的进给速度(f)、轴心方向的进刀量(da)、径向的进刀量(dr)以及切削速度(v)在内的设计参数而计算切削加工器具(1)的挠曲量(α)。基于挠曲量(α)与规定的阈值(β)而判断是否产生切削加工器具(1)的颤振，基于该判断结果而计算最大切割厚度(Ctmax)。根据最大切割厚度(Ctmax)与切削速度(v)而计算切削温度(t)，基于切削温度(t)与规定的阈值(γ)而判断工具寿命是否满足。基于该判断结果而计算切削效率(e)，比较计算出的切削效率(e)与预先保存的切削效率的数据，在计算出的切削效率(e)为数据内的最大值的情况下，将上述设计参数设为切削条件。

Description

切削加工中的切削条件的设计方法
技术领域
本发明涉及一种切削加工中的切削条件的设计方法。
背景技术
以往，在使用立铣刀(end mill)、铣刀等切削加工器具对钢材等被加工材料进行车削加工、铣削加工等切削加工时，在使切削加工器具的进给速度、切削加工器具的进刀量、切削加工器具的切削速度、切削加工器具的形状等“切削条件”适当的基础上进行切削加工。
然而，在使用立铣刀、铣刀进行切削加工时，有时因切削加工器具的形状而在切削加工中产生颤振、或者使切削加工器具的形状发生变形。若产生这样的颤振，则产生与加工精度、被加工材料的加工面性质相关的重大问题。因此，设计切削加工的切削条件的操作人员以使切削加工器具的进给速度、进刀量减小而形成低负载的方式设定“切削条件”，从而不会产生上述问题。
另外，关于切削加工器具的工具寿命，在没有基于适当的切削条件进行切削加工的情况下，也会产生工具寿命变得极短等问题。但是，难以准确地推断用于延长工具寿命的切削条件，在大多情况下，进行使切削条件(特别是切削加工器具的切削速度)具有富余的设计。
然而，关于上述那样的具有富余的切削条件，存在额外耗费切削成本的担忧。例如，存在如下问题：在到达切削加工器具的工具寿命之前就进行更换，或者因采用低负载的切削条件而耗费切削时间。
为了改善这样的状况而开发了设计最佳切削条件的技术。作为适当地设计切削条件的技术，例如具有非专利文献1以及非专利文献2所公开的技术。
在非专利文献1中，离线测定切削加工后的被加工材料的形状，根据其实际测量值与预先指示的切削加工的指示值进行切削条件的最佳化，接下来，在线进行切削加工器具的工具寿命试验，根据损失函数将工具寿命与加工效率转换为损失并作为同量纲进行评价，然后根据工具寿命与加工效率的关系来设计适当的切削条件。
在非专利文献2中，根据非线形目标规划法使切削加工中的切削条件的最佳化格式化，基于该格式而设计适当的切削条件。
在先技术文献
专利文献
非专利文献1：《基于立铣刀的淬火钢切削条件的选择方法》，和合健、若榉正明等，岩手县工业技术中心研究报告，第6号(1999)
非专利文献2：《针对切削条件的多目标最佳化的非线形目标规划法的应用》，人见胜人、中村信人等，日本机械学会论文集(C编)，46卷409号(昭55-9)
发明要解决的课题
然而，在从事切削加工的操作人员根据经验进行设计切削条件的作业的情况下，因操作人员的切削加工的经验差别而使切削条件不同，难以适当地设计切削条件。另外，在经验少的操作人员设计切削条件的情况下，存在因经验不足而设计出过度富余的切削条件、即制造成本高的切削条件的担忧。
为了消除上述问题，考虑使用非专利文献1以及非专利文献2而设计适当的切削条件。
非专利文献1涉及在统计上处理单一形状的被加工材料的切削数据而使切削条件最佳化从而设计切削条件的技术。但是，实际被切削加工的被加工材料的形状大多较为复杂，因此难以应用于实际的切削加工工序。例如，即便使用非专利文献1而设计切削条件，显然也会在切削加工的加工精度、被加工材料的加工面性质的方面产生问题。
另外，非专利文献2涉及使用质量工程学(非线形目标规划法)而设计适当的切削条件的技术。但是，设计切削条件时的计算量、条件项目多，为了求出切削条件而耗费精力，因而并不现实。
总之，使用非专利文献1以及非专利文献2的技术而设计实际的切削加工工序中的适当的切削条件这一做法并不实用。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种切削加工中的切削条件的设计方法，根据该设计方法，能够同时实现切削加工的振动防止、工具寿命、切削效率，并且容易地设计切削条件。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，在本发明中采用以下的技术手段。
本发明所涉及的切削加工中的切削条件的设计方法的特征在于，在设计使用切削加工器具对被加工材料进行切削时所需的切削条件时，将所述切削加工器具的进给速度f、所述切削加工器具的轴心方向的进刀量da、所述切削加工器具的径向的进刀量dr、以及所述切削加工器具的切削速度v作为设计参数，使用所述设计参数中的、所述切削加工器具的进给速度f、所述切削加工器具的轴心方向的进刀量da以及所述切削加工器具的径向的进刀量dr而计算所述切削加工器具的挠曲量α，基于计算出的所述切削加工器具的挠曲量α与规定的阈值β而判断在切削加工时是否产生该切削加工器具的“颤振”，在判断为没有产生所述切削加工器具的“颤振”的情况下，根据所述切削加工器具的进给速度f与所述切削加工器具的径向的进刀量dr而计算相对于所述被加工材料允许的能够切割的切削加工器具的最大切割厚度Ctmax，根据计算出的所述最大切割厚度Ctmax与所述切削加工器具的切削速度v而计算所述切削加工器具的切削温度t，基于计算出的所述切削加工器具的切削温度t与规定的阈值γ而判断切削加工时的所述切削加工器具的工具寿命是否满足，在所述切削加工器具的工具寿命满足的情况下，根据在切削加工时允许的所述切削加工器具的切削速度的最大值vmax、所述切削加工器具的进给速度f、所述切削加工器具的轴心方向的进刀量da以及所述切削加工器具的径向的进刀量dr而计算切削加工时的所述切削加工器具的切削效率e，比较计算出的所述切削加工器具的切削效率e与预先保存的切削效率e的数据，在计算出的所述切削加工器具的切削效率e为所述切削效率e的数据内的最大值的情况下，将所述切削加工器具的进给速度f、所述切削加工器具的轴心方向的进刀量da、所述切削加工器具的径向的进刀量dr以及所述切削加工器具的切削速度v作为所述切削条件。
优选的是，所述设计参数包括所述切削加工器具的形状的参数。
优选的是，根据下式来计算所述切削加工器具的挠曲量α，
α＝Fbave/G
α：挠曲量(m)
Fbave：切削加工器具的振动方向上的切削阻力的平均值(N)
G：切削加工器具的振动方向上的弯曲刚度(N/m)。
优选的是，根据下式来计算所述切削加工器具的最大切割厚度Ctmax，
Ctmax＝f·sinθ1
Ctmax：切削加工器具的最大切割厚度(mm)
f：切削加工器具的进给速度(mm/刀)
θ1＝acos((r-dr)/r)
r：切削加工器具的半径(mm)
dr：切削加工器具的径向的进刀量(mm)。
发明效果
根据本发明的切削加工中的切削条件的设计方法，能够同时实现切削加工器具的振动防止、工具寿命、切削效率，并且容易地设计切削条件。
附图说明
图1是示意性示出切削加工的简要图。
图2是示出本发明所涉及的切削加工中的切削条件的设计方法的流程图。
图3是示出切削加工器具的挠曲量与不合格的有无之间的关系的图表。
图4是示出切削速度与最大切割厚度发生变化的情况下的、工具温度与工具寿命的变化的图表。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明所涉及的切削加工中的切削条件的设计方法进行说明。
图1是示意性示出基于由本发明所涉及的切削条件的设计方法设计出的切削条件而使用切削加工器具1对被加工材料2进行切削加工的状况的图。图2是示出本发明的切削加工中的切削条件的设计方法的过程的图。
如图1所示，铣削加工等切削加工工序是使用立铣刀、铣刀等旋转的切削加工器具1将固定于铣床的工作台上的被加工材料2(钢材等)加工为目标形状或尺寸的工序。
在这样的切削加工的工序中需要的是设计理想的切削条件(切削加工器具1的进给速度v、进刀量d等)。若没有理想地设计切削条件，有时例如在切削加工中会产生切削加工器具1的挠曲所导致的“颤振”，因该颤振而产生与切削加工的加工精度、被加工材料2的加工面性质相关的问题。
因此，本申请的发明人为了找出设计理想切削条件的方法，使用不同形状的切削加工器具1，并且在各种切削条件下进行切削，调查切削加工中的颤振的有无、加工面性质而反复深入研究。表1示出进行这种研究时的实验条件的一个例子，图3示出在该实验条件下进行实验的结果、即切削加工器具1的挠曲量与不合格的有无之间的关系。
[表1]
实验条件
切削速度v 100m/min(1592rpm)
进给速度f 0.15mm/刀(716mm/min)
切削加工器具 φ20立铣刀(住友WEX)
刃数 1，3
突出量L/D 工具直径的3倍、5倍
刀柄材质 钢、超硬钢
住友WEX：住友电气工业制波刃铣刀(注册商标)WEX型
L/D：突出长度L/工具直径D
研究的结果是，发现了如下情况：关于作用于切削加工器具1的切削阻力，在切削加工器具1振动的方向(立铣刀工具的情况下为径向)上的切削阻力的平均值、即平均切削阻力Fbave超过某一上限值的情况下，切削加工的加工面性质、加工精度恶化。
换句话说，该切削阻力的平均值Fbave的上限值根据切削加工器具1的振动方向的弯曲刚度G而变化。因此，随着切削加工器具1的弯曲刚度G增大，切削阻力的平均值Fbave的上限值增大。由于切削阻力的平均值Fbave的上限值与弯曲刚度G的关系呈正比例，因此若考虑该切削阻力的平均值Fbave与弯曲刚度G的关系之比、即切削加工器具1的挠曲量α，则在该挠曲量α超过某一上限值的情况下，能够认为切削加工的加工面性质、加工精度恶化。
基于这样的见解而参照图3可知，当挠曲量α超过0.02mm时，加工质量产生问题。进一步可知，当挠曲量α超过0.015mm时，容易产生加工面不合格。
即，本申请的发明人发现，通过使切削加工器具1的挠曲量α小于0.015mm(控制挠曲量α)，能够设计理想的切削条件。
基于这样的见解，本案的发明人想到了切削条件的设计方法。
在本实施方式的切削条件的设计方法中，使用切削加工器具1的进给速度f、切削加工器具1的进刀量d等设计参数，计算切削加工器具1的挠曲量α，根据该挠曲量α来判断是否产生切削加工器具1的“颤振”。在此基础上，在设计方法中使用设计参数而计算切削加工器具1的切削温度t，根据切削温度t而判断工具寿命是否满足，根据工具寿命的判断结果与“颤振”的判断结果而计算最高效的切削效率e，将其计算结果所属的设计参数设计为切削条件。
本实施方式的切削条件的设计方法中使用的设计参数如步骤1所示采用切削加工器具1的进给速度f、切削加工器具1的轴心方向的进刀量da、切削加工器具1的径向的进刀量dr。设计参数不限于此，也可以采用切削加工器具1的切削速度v、切削加工器具1的形状。
图2示出表示本发明所涉及的切削加工中的切削条件的设计方法的流程图。
如图2所示，在切削条件的设计方法中，首先判断是否产生切削加工器具1的“颤振”。在进行“颤振”的判断时，在步骤1(S1)中，设定切削加工器具1的进给速度f、切削加工器具1的轴心方向的进刀量da、切削加工器具1的径向的进刀量dr的各设计参数。
此时，在切削加工器具1的进给速度f、切削加工器具1的轴心方向的进刀量da、切削加工器具1的径向的进刀量dr中的任一者均根据其他条件(例如切削工具的性能等)决定的情况下，设定为固定值。另外，固定值以外的设计参数阶段性变化。
在步骤2中，使用上述设定的各设计参数而根据式(1)计算切削加工器具1的挠曲量α。
α＝Fbave/G (1)
α：挠曲量(m)
Fbave：切削加工器具的振动方向上的切削阻力的平均值(N)
G：切削加工器具的振动方向的弯曲刚度(N/m)
在此，对利用式(1)来计算挠曲量α的具体方法进行描述。
在通过步骤2(S2)求出切削阻力的平均值Fbave时，首先利用式(2)计算切削加工器具1的切割厚度Ct。
Ct＝f·sinθ (2)
Ct：切削加工器具的切割厚度(mm)
f：切削加工器具的进给速度(mm/刀)
θ：切削加工器具的旋转角度
然后，将计算出的切割厚度Ct代入式(3)，计算切削加工器具1振动的方向上的切削阻力值Fb。在此，切削加工器具1的振动方向(径向)的比切削阻力Kr根据被加工材料2的材质等预先确定。
Fb＝Ct·da·Kr (3)
Fb：切削加工器具的振动方向的切削阻力(N)
Ct：切削加工器具的切割厚度(mm)
da：切削加工器具的轴向的进刀量(mm)
Kr：切削加工器具的振动方向(径向)的比切削阻力(N/mm2)
然后，将计算出的切削加工器具1振动的方向上的切削阻力值Fb代入式(1)，计算出挠曲量α。
在以上这样的计算中，阶段性改变切削加工器具1的进给速度f、切削加工器具1的径向的进刀量dr、切削加工器具1的轴向的进刀量da，求出切削加工器具1的振动方向的平均切削阻力Fbave，使用该平均切削阻力Fbave计算切削加工器具1的挠曲量α。这样，当计算出挠曲量α时，移至步骤3(S3)。
在步骤3(S3)中，基于计算出的切削加工器具1的挠曲量α与规定的阈值β，判断在切削加工时是否产生该切削加工器具1的“颤振”。在此，将规定的阈值β作为切削加工器具1的“颤振”的基准值，并设定为根据图3的结果求出的0.015mm(挠曲量)。
在计算出的挠曲量α比成为基准值的规定的阈值β小(α＜β＝0.015mm)的情况下，判断为不产生切削加工器具1的“颤振”。需要说明的是，在判断为产生切削加工器具1的“颤振”的情况下，上述设定参数不适合而被放弃。
然后，在判断为不产生切削加工器具1的“颤振”的情况下，移至步骤4(S4)。
在步骤4(S4)中，使用切削加工器具1的进给速度f、切削加工器具1的径向的进刀量dr，根据式(4)来计算针对被加工材料2允许的能够切割的切削加工器具1的最大切割厚度Ctmax。这样，当计算出最大切割厚度Ctmax时，移至步骤5(S5)。
Ctmax＝f·sinθ1 (4)
Ctmax：切削加工器具的最大切割厚度(mm)
f：切削加工器具的进给速度(mm/刀)
θ1＝acos((r-dr)/r)
r：切削加工器具的半径(mm)
dr：切削加工器具的径向的进刀量(mm)
在步骤5(S5)中，根据计算出的切削加工器具1的最大切割厚度Ctmax与切削加工器具1的切削速度v来计算切削加工器具1的切削温度t。在计算出的切削加工器具1的最大切割厚度Ctmax下，使切削加工器具1的切削速度v阶段性变化，计算出切削加工器具1的切削温度t。
在此，说明本发明的特征、即切削加工器具1的切削温度t的计算。
切削加工中的切削加工器具1的切削温度t、即工具的刀刃温度对切削加工器具1的工具寿命(切削加工器具1的磨损程度)影响很大。因此，需要预先求出能够获得预先规定的切削时间(满足工具寿命)的切削加工器具1的切削温度的最大值γ。使用求出的切削加工器具1的切削温度的最大值γ与切削加工中的切削加工器具1的切削温度t而设计切削条件。
在计算该切削加工器具1的切削温度t的方法中，根据上述的切削加工器具1的最大切割厚度Ctmax与切削加工器具1的切削速度v(铣刀的情况下为工具转速)进行计算，例如，能够举出如下方法等：实际测定切削加工中的切削温度t，或者根据有限元素法等切削温度模拟进行求出。
在本实施方式中，使用有限元素法等切削温度模拟，根据切削加工器具1的最大切割厚度Ctmax以及与该最大切割厚度Ctmax对应地阶段性变化的切削加工器具1的切削速度v，计算出切削加工器具1的切削温度t。图4示出计算出的切削温度t的分布。
如图4所示，例如，在切削速度v＝200m/min、最大切割厚度Ctmax＝0.2mm的情况下，计算出切削温度t＝625℃(换言之，工具寿命为1小时)。这样，当计算出切削温度t时，移至步骤6(S6)。
在步骤6(S6)中，在切削加工器具1的切削温度t的全部计算数据(全部条件的组合)中，根据切削效率e达到最大的条件而探索切削加工器具1的切削温度的最大值γ。然后，移至接下来的步骤7(S7)。
在步骤7(S7)中，判断基于图4计算出的切削加工器具1的切削温度t是否为规定的阈值γ(切削加工器具1的切削温度的最大值)以下，换言之，判断切削加工时的切削加工器具1的工具寿命是否满足。
需要说明的是，在计算出的切削加工器具1的切削温度t比切削加工器具1的切削温度的最大值γ大、即切削加工器具1的工具寿命不满足的情况，上述设定参数不适合而被放弃。
在计算出的切削加工器具1的切削温度t为切削加工器具1的切削温度的最大值γ以下、即切削加工器具1的工具寿命满足的情况下，移至步骤8(S8)。
在步骤8(S8)中，根据切削加工时允许的切削加工器具1的切削速度的最大值vmax、切削加工器具1的进给速度f、切削加工器具1的轴心方向的进刀量da、切削加工器具1的径向的进刀量dr，计算切削加工时的切削加工器具1的切削效率e。这样，当计算出切削效率e时，移至步骤9(S9)。
在步骤9(S9)中，比较计算出的切削加工器具1的切削效率e与预先保存的切削效率e的数据，在计算出的切削加工器具1的切削效率e是切削效率e的数据内的最大值的情况下，将切削加工器具1的进给速度f、切削加工器具1的轴心方向的进刀量da、切削加工器具1的径向的进刀量dr作为切削条件。
根据以上内容，求出满足被加工材料2的加工质量以及切削加工器具1的工具寿命的设计参数(进给速度f、径向的进刀量dr、轴向的进刀量da)的组合。然后，使进给速度f、径向的进刀量dr、轴向的进刀量da一点点变化并反复计算，求出满足被加工材料2的加工质量以及切削加工器具1的工具寿命的设计参数的全部组合。从求出的设计参数的全部组合之中，通过步骤10(S10)将切削效率e最大的条件作为理想的切削条件进行输出。
另一方面，比较切削加工器具1的切削效率e与预先保存的切削效率e的数据，在切削加工器具1的切削效率e并非切削效率e的数据内的最大值(切削效率e不佳)的情况下，返回设计参数的设定(初始的步骤1的阶段)，重新设计切削条件。
总之，在本发明的切削加工中的切削条件的设计方法中，以不产生“颤振”的方式计算切削加工器具1的挠曲量α，以达到所希望的工具寿命的方式计算切削加工器具1的切削温度t，以使加工效率达到最大的方式计算切削加工器具1的切削效率e，根据计算出的结果对设计参数进行设计，将该设计参数作为理想的切削条件进行输出，即进行切削条件的最佳化。
[实验例]
接下来，使用本发明的切削加工中的切削条件的设计方法，对设计有切削加工的切削条件的实验结果进行说明。
作为该实验中使用的切削加工器具1，准备工具直径为30mm、刀尖为R0.8mm、刃数为四片、突出长度为150mm的立铣刀工具，作为被加工材料2，准备S45C碳钢(机械构造用碳钢：JIS G 4051(1979))。然后，进行使用上述的立铣刀工具1对被加工材料2即S45C碳钢进行切削加工时的切削条件的设计、切削条件的最佳化的实验。
应用切削条件的设计方法的结果是，计算出，立铣刀工具1的进给速度f为197mm/min，径向的进刀量dr为7.5mm，轴向的进刀量da为102mm，工具转速为4918rpm，扭转角为60度。
基于计算出的切削条件而制作立铣刀工具1，使用该立铣刀工具1来实施切削加工实验。该切削加工的结果是，被加工材料2的加工面性质、加工精度良好。另外，可知最佳化的切削条件在实际的切削加工中满足立铣刀工具1的切削温度t的上限值的数据(参照图4)所示的工具寿命1小时(切削加工的允许时间)。
根据以上的实验结果，通过使用本发明的切削加工中的切削条件的设计方法，能够抑制切削加工器具1的“颤振”，并且能够在达到工具寿命之前使用切削加工器具1，此外还能够设计切削效率最为有效的理想的切削条件。
需要说明的是，本次公开的实施方式在全部方面皆未例示，不应被认为限制性内容。
例如，本发明的切削加工中的切削条件的设计方法中，使用铣削加工等利用旋转的切削加工器具1对被固定的被加工材料2进行切削加工的切削加工方法进行了说明，但本发明也可以应用于利用固定的切削加工器具1对车床等旋转的被加工材料2进行切削加工的切削加工方法。
尤其是，在本次公开的实施方式中，作为未明确公开的事项、例如运转条件或操作条件、各种参数、构造物的尺寸、重量、体积等，能够采用不脱离本领域技术人员通常实施的范围、只要是普通的本领域技术人员就可以容易假定的值。
本申请基于2014年1月8日申请的日本专利申请(特愿2014-1644)，在此作为参照而援引其内容。
附图标记说明：
1 切削加工器具
2 被加工材料

Claims (4)

1.一种切削加工中的切削条件的设计方法，用于设计使用切削加工器具对被加工材料进行切削时所需的切削条件，其特征在于，
使用包括所述切削加工器具的进给速度、所述切削加工器具的轴心方向的进刀量、所述切削加工器具的径向的进刀量、所述切削加工器具的切削速度在内的设计参数，计算所述切削加工器具的挠曲量，
基于计算出的所述切削加工器具的挠曲量与规定的阈值，判断在切削加工时是否产生该切削加工器具的“颤振”，
在判断为没有产生所述切削加工器具的“颤振”的情况下，根据所述切削加工器具的进给速度以及所述切削加工器具的径向的进刀量而计算相对于所述被加工材料允许的能够切割的切削加工器具的最大切割厚度，
根据计算出的所述最大切割厚度与所述切削加工器具的切削速度而计算所述切削加工器具的切削温度，
基于计算出的所述切削加工器具的切削温度与规定的阈值，判断切削加工时的所述切削加工器具的工具寿命是否满足，
在所述切削加工器具的工具寿命满足的情况下，根据在切削加工时允许的所述切削加工器具的切削速度的最大值、所述切削加工器具的进给速度、所述切削加工器具的轴心方向的进刀量、以及所述切削加工器具的径向的进刀量而计算切削加工时的所述切削加工器具的切削效率，
比较计算出的所述切削加工器具的切削效率与预先保存的切削效率的数据，在计算出的所述切削加工器具的切削效率为所述切削效率的数据内的最大值的情况下，将所述切削加工器具的进给速度、所述切削加工器具的轴心方向的进刀量、所述切削加工器具的径向的进刀量、所述切削加工器具的切削速度作为所述切削条件。
2.根据权利要求1所述的切削加工中的切削条件的设计方法，其特征在于，
所述设计参数包括所述切削加工器具的形状的参数。
3.根据权利要求1所述的切削加工中的切削条件的设计方法，其特征在于，
根据下式来计算所述切削加工器具的挠曲量，
α＝Fbave/G
α：挠曲量，单位为m
Fbave：切削加工器具的振动方向上的切削阻力的平均值，单位为N
G：切削加工器具的振动方向上的弯曲刚度，单位为N/m。
4.根据权利要求1所述的切削加工中的切削条件的设计方法，其特征在于，
根据下式来计算所述切削加工器具的最大切割厚度，
Ctmax＝f·sinθ1
Ctmax：切削加工器具的最大切割厚度，单位为mm
f：切削加工器具的进给速度，单位为mm/刀
θ1＝acos((r-dr)/r)
r：切削加工器具的半径，单位为mm
dr：切削加工器具的径向的进刀量，单位为mm。
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