作者:贵州航天电器股份有限公司  孙雪松

 

摘要:本文通过对切削用量的研究,进一步对切削力、切削功率及扭计进行计算校核,在不超过机床负荷的前提下,增大切削用量,并运用GibbsCAM软件的VoluMil模块算法实现摆线式刀路轨迹,使加工效率提高56.54%。

关键词:切削用量 切削力 切削功率 GibbsCAM软件编程


铣削加工是车间目前应用最广泛的切削加工方法之一,该加工是铣刀旋转作主运动,工件或铣刀作进给运动的切削加工方法,铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀,它的切削基本规律与车削相似,但铣削是断续切削,切削厚度与切削面积随时在变化,所以铣削过程又具有一些特殊规律。铣削效率的高低主要受切削速度V(主轴转速n=1000V/∏d)、进给量F及切削深度Ap切削用量三要素的影响,通过提高切削用量三要素可以提高加工效率,但是也不能单方面的提高切削用量,在切削过程中会出现许多物理现象,其中比较凸出的是切削变形、切削力、切削热、刀具磨损、加工硬化等,这些物理现象大多都遵循一定的规律,对加工过程和加工质量都有一定的影响,因此通过进一步研究切削用量三要素来控制这些物理现象,在保证加工质量及不超出机床负荷的前提下,最大限度的提高加工效率。


1.  改变切削用量三要素参数对加工效率的前后影响

公司目前铣削机床大部分是数控铣加工中心,通过数控程序控制刀具旋转,工件进给进行铣削加工,数控程序里包含了切削用量三要素,现举某型号零件壳体这一实例来说明通过提高切削用量进而提高生产效率,切削用量参数前后对比如表1所示,

切削用量

主轴转速

进给量

铣削深度

加工时间(分钟)

改进前(φ18立铣刀粗加工,留0.2mm余量)

3500

600

3

237.55

改进后(φ18立铣刀粗精加工,0余量)

6000

2000

12

103.4

表1

通过改变切削用量使生产效率提高了56.5%,下面通过计算切削力和切削功率校验是否满足机床原有功率及扭矩,以及运用数字化制造的方式来提高零件的加工效率。


2.  切削力、切削功率及扭计的计算校核

生产中,切削力的来源主要是被加工材料的弹性变形和塑性变形产生的抗力以及刀具的前刀面和切削以及后刀面和已加工表面之间的摩擦产生的摩擦阻力,如果切削力过大,可能会使刀具崩刃,机床皮带打滑,产生所谓的‘闷车’现象,它消耗机床功率最多,是计算机床动力、设计机床主传动系统、校核机床和工装夹具强度、刚度的重要依据。切削力的大小常用试验公式来计算,试验公式一般分为指数形式和单位切削力两种,指数公式为 F=Cp*ap0.86*fz0.72*D-0.86*B*z*Kp 式中 F-切削力(N)。  Cp考虑工件材料及铣刀类型的系数,其值查表。 ap铣削深度(mm) D铣刀直径(mm)。  fz每齿进给量(mm)。 B铣削宽度(mm)。  z铣刀的齿数。 Kp考虑工件材料机械性能不同的修正系数。

单位切削公式为:F=Fc*Ap*F

式中F-切削力。 Fc单位切削力,其值可查切削手册表。 Ap铣削深度。 F进给量。

切削功率是指在切削过程中所消耗的功率。公式P=F*V*10-3(KW),式中F-切削力。 V-切削速度(m/s)。

扭矩公式T=P*9549/n,式中P铣削功率,n主轴转速。

通过上面所列出的公式,便可计算出切削力、切削功率及扭矩。还可以通过某著名品牌刀具商提供的切削用量软件cutdata计算。

带入主轴转速6000,进给量2000,铣削深度12,便可计算出切削力661N,切削功率4.15KW,扭矩6.6NM,加工的机床为台湾产2033VMC,该机床机床功率为7.2KW,校核时还需考虑机床的传动效率,n取0.9。切削功率必须小于等于机床功率*n,通过校核该切削参数满足机床要求。


3.  运用GibbsCAM软件的VoluMill模块实现等体积切削

      切削力受切削深度和进给量的影响最大,切削深度和进给量通过切削层截面面积AA=Ap*F)来影响切削力,上面我们计算的切削力、功率等都是在假定切削面积一定的情况下所计算出来的结果,但是在铣削UK40壳体底板时,切削面积在进刀和拐角的地方是瞬间增大的,在进刀处刀具是满刀切削,在拐角处刀具是四分之三在受力,如图2所示,这样的情况我们用φ18的刀具加工是在进刀及拐角处,切削功率便会猛增大到24.9KW,切削力达到3967N,这样刀具肯定会折断,机床也会受到损害,所以传统加工我们只能取较小的切削参数,来防止进刀和拐角时切削功率的瞬间增大,好比竹板桶只能以最短板为基准来盛水一样的道理,在这种情况下的加工时间是很长的,同样加工效率也是很低的。

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图 2

如果能有一种编程策略,使刀具在进刀和拐角处的步距和平行切削处都是一致的,那么就做到了任何地方都是等体积切削,能够做到等体积切削的情况下,那么切削力和切削功率就是恒定不变的,这时就可以做到高转速高进给大切深加工,GibbsCAM软件的VoluMill模块帮助我们实现了这样的轨迹算法,这样的编程方式是一种全新的铣削技术,它颠覆了传统的靠逼近工件形状而生成的刀路轨迹,它在每个地方都是恒定X、Y步距等体积进行切削,这种新型技术刀路轨迹平滑,对主轴和切削刀具产生的压力小,使刀具在零件的每个切削地方都平稳切削,在高速切削中切削刃的吃刀时间特别短,仅给比热的传播时间快,在与恒定的加工步距相结合,就可以起到了延长刀具寿命的作用。在不超过机床载荷的前提下,同时又保护了刀具寿命,到达高效切削,刀路轨迹如图3,

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3

这种刀路轨迹在进刀或者拐角处是通过圆弧摆线式的进刀方式进行加工,避免了满刀切削,做到了任何地方都是等体积切削,切削力和功率都是恒定值,所以可以进行高转速高进给大切深加工。

数控程序通过后置处理生成以后,运用仿真软件对它进行模拟仿真加工,如图4所示,

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图4

仿真结果和零件实体丝毫不差,接着运用GibbsCAM软件生成一份该零件的刀具报表,刀具表里面列出了加工该零件所用到的刀具类型、大小、装刀长度以及零件加工原点等,工人提前便可以准备好刀具,机床停下后,刀具和数控程序等辅助工序已经准备完全,工人装完刀具,对刀结束以后便可以直接开始加工零件,不用像传统方式那样,机床停止以后再去准备刀具以及在机床面板上手工编制程序,并且还不知道编制出来的程序是好还是坏,还须通过机床的单步慢慢来验证程序的正确性,程序只要稍微出错,便会产生过切零件甚至撞机床等现象。

然而通过仿真软件验证过的程序,必定是百分之百的正确,通过UK40的两个批次的生产验证,如图5所示,

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5(机床面板、实际切削过程)


首件试切的首件零件便是合格品,节约了生产成本以及减少了机床停机时间。


4.  结语

影响数控加工的因素有很多,包括程序、刀具、机床及工件材料等,某些固定的因素是不好改变的,我们可以通过研究一些变量的因素,来使加工效率得以提升,通过改善切削用量,使该零件外壳加工效率提高了56.6%,该种方法可以普及运用于车间的铣削加工