金屬復(fù)合材料機械加工設(shè)備淺議

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摘要：隨著工業(yè)生產(chǎn)科技的發(fā)展，近年來工業(yè)領(lǐng)域在材料的生產(chǎn)加工方面已經(jīng)大規(guī)模的應(yīng)用了數(shù)控加工設(shè)備，新設(shè)備、新技術(shù)的引入極大的提升了工廠的生產(chǎn)加工效率，降低了加工成本。當然，新型的數(shù)控機械設(shè)備的引入也提高了操作難度，尤其在設(shè)備切削參數(shù)方面，需要編程技術(shù)人員更加合理的應(yīng)用數(shù)控程序，才能進一步提升加工的質(zhì)量。很多工廠為了保證切削加工的質(zhì)量，也在大面積的推進切削數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，但是隨著當前金屬材料生產(chǎn)加工要求的提高，很多開設(shè)的切削數(shù)據(jù)庫由于缺少進化機制，導(dǎo)致原有的切削參數(shù)老化，無法為當前的切削加工作業(yè)提供有效指導(dǎo)?；诖耍恼乱糟娤骷庸檠芯繉ο?，針對生產(chǎn)加工時如何對切削參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)置，在不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)程序的基礎(chǔ)上保證切削作業(yè)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：金屬復(fù)合材料；機械加工；切削；參數(shù)

在數(shù)控加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、機械制造行業(yè)之后，數(shù)控銑削成為了眾多復(fù)雜零件的主要加工方式，通過數(shù)據(jù)編程與數(shù)控設(shè)備相互結(jié)合的方法，來對精密化的零件材料進行加工，提高了當前機械制造業(yè)的生產(chǎn)加工效率。但是為了進一步適配當前市場中的需求，提高更高質(zhì)量的零件材料，分析研究更高質(zhì)量的數(shù)控程序也是技術(shù)人員必須要關(guān)注的課題。因此在切削的過程中，需要控制的變化因素，不僅是材料零件的工藝，還會包括到使用刀具的尺寸、走刀路徑、切削用量等因素，這些都會影響到材料加工的質(zhì)量效率。尤其在針對當前一些復(fù)雜化的機械材料，會出現(xiàn)一些復(fù)雜的曲面零件，就需要借助到數(shù)控加工設(shè)備中的零件程序的輔助，選擇合理的切削參數(shù)，這些都是保障作業(yè)質(zhì)量的重要因素。

1分析優(yōu)化切削參數(shù)的重要意義

在機械工程的發(fā)展歷史當中，機械制造業(yè)中切削數(shù)據(jù)庫占據(jù)十分重要的地位，近年來，在我國的工業(yè)體系發(fā)展進程當中，國內(nèi)已經(jīng)建立了基礎(chǔ)性的技術(shù)切削數(shù)據(jù)庫。通常情況下，最開始的切削數(shù)據(jù)的設(shè)置都是通過大量的實踐來建立的，實驗所需要的條件一般都是當前的加工中所需要的基礎(chǔ)條件，所以在技術(shù)設(shè)備更新之后，以往的參數(shù)就需要重新的優(yōu)化設(shè)計，因此切削數(shù)據(jù)庫一旦建設(shè)生成之后，更新就較為困難，一些以前的數(shù)據(jù)庫不得不面臨數(shù)據(jù)老化無法使用，如果切削數(shù)據(jù)無法隨著技術(shù)設(shè)備的更新而更新，就會無法對材料零件的生產(chǎn)加工起到指導(dǎo)意義，也會造成很大的資源浪費。隨著市場發(fā)展，當前很多制造業(yè)工廠內(nèi)部的技術(shù)設(shè)備也在不斷革新進步，如果不對相應(yīng)的切削參數(shù)進行同步的優(yōu)化設(shè)置，反而會影響到后續(xù)材料生產(chǎn)加工的效率和質(zhì)量?；谏鲜鲆蛩?，優(yōu)化機械設(shè)備選擇和切削參數(shù)的設(shè)置，都將是制造業(yè)企業(yè)必須要面對的問題，而其中的重要作用和意義在于：第一，通過合理選擇機械加工器具，優(yōu)化切削參數(shù)，可以使技術(shù)人員在設(shè)備技術(shù)更新的同時，也能使用相匹配的數(shù)據(jù)程序，保證生產(chǎn)加工的效率和質(zhì)量不會受到影響；第二，在考慮切削參數(shù)的數(shù)據(jù)編程過程中，可以對數(shù)據(jù)模型和算法進行同步的探究優(yōu)化，使得編程數(shù)據(jù)與切削加工之間的關(guān)系更加明確；第三，優(yōu)化數(shù)據(jù)模型和切削參數(shù)，可以有效減少機床設(shè)備的切削時間，提高生產(chǎn)加工效率，同時也能減少加工材料的浪費?？偟膩砜?，切削參數(shù)是隨著技術(shù)設(shè)備革新而需要不斷優(yōu)化改變的資源，當前階段，國內(nèi)的工業(yè)體系面臨著產(chǎn)業(yè)升級的階段，需要解決的切削參數(shù)優(yōu)化問題也很多，很多的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點還需要技術(shù)人員不斷的探索優(yōu)化，通過長期的研究分析，才能逐步改善數(shù)據(jù)參數(shù)的有效性。

2設(shè)備選擇和切削參數(shù)的研究現(xiàn)狀

在金屬復(fù)合材料的加工過程中，切削加工成為了現(xiàn)階段最為可行的加工方法，很多工廠中使用切削的加工量已經(jīng)占據(jù)了工作量的一半，絕大多數(shù)的材料零件都是通過切削的方式來進行生產(chǎn)加工的。但是，當前切削加工的質(zhì)量效率依舊是需要優(yōu)化解決的重要研究內(nèi)容。合理的選擇切削數(shù)據(jù)和設(shè)備可以提升效率，在一些傳統(tǒng)的零件加工中，涉及到批量生產(chǎn)時，需要工藝試驗來制定切削的具體參數(shù)，而對于單件的零件產(chǎn)品，則需要技術(shù)人員自身的經(jīng)驗和操作來試切，最終是否能得到有效成品，取決于技術(shù)人員的水平。而在這些試驗的過程中，就不可避免的出現(xiàn)大量的殘次品、廢品等，所以當前大量工廠都在對于如何優(yōu)化使用UG、CAM等軟件進行研究。切削參數(shù)的合理確定，會直接影響到工廠的成本消耗、生產(chǎn)效率、質(zhì)量、利潤等，但是往往切削參數(shù)的設(shè)置會受制于很多內(nèi)外界因素的影響，比如對于加工要求、材料性質(zhì)、刀具選擇使用、機床的精度和性能、技術(shù)人員專業(yè)水平等，這些都會直接影響切削參數(shù)的設(shè)計制定，所以在優(yōu)化設(shè)置切削參數(shù)的過程中，就需要技術(shù)人員建立數(shù)據(jù)模型來優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，主要涉及到參數(shù)設(shè)置的三個方面，即設(shè)計變量、目標函數(shù)、約束條件等，當前切削參數(shù)設(shè)置優(yōu)化，較為常用的是線形規(guī)劃、坐標輪換法、圖解法等，切削參數(shù)的優(yōu)化模型為圖1所示。

3材料加工中設(shè)備選擇和切削參數(shù)的設(shè)置優(yōu)化

3.1依照材料的加工型面來選擇刀具

需要加工的金屬材料中，如果出現(xiàn)了凹型的加工表面，就應(yīng)該在精加工或者是半精加工中選擇球頭刀來保證良好的加工表面，如果是粗加工就可以選擇平端立銑刀；如果加工的型面是凸形表面，就需要在粗加工的過程中使用圓鼻立銑刀，因為圓角銑刀的幾何條件往往是比平端立銑刀適合。在精加工的過程中，使用的一些刀具半徑應(yīng)該要小于被加工零件的圓角半徑，尤其在一些零件的拐角處，需要選擇半徑低于拐角半徑的刀具來對圓弧來進行插補，這樣就可以保證一些直線的插補過程不會出現(xiàn)過切的問題而導(dǎo)致材料損壞。

3.2刀具的選擇要依照從大到小的原則

針對一些復(fù)雜零件，其中會包含到很多表面類型，尤其在一些復(fù)雜曲面零件的加工過程中，一把刀具往往是無法完成整個零件加工過程的，所以在刀具的選擇方面，要盡量選擇直徑較大的刀具，無論是針對精加工或者是粗加工，這是由于在加工過程中，半徑越小的刀具所需要走過的加工路徑就會越長，使得加工效率降低，而且半徑較小的刀具在磨損方面也會更多。（1）面銑刀的使用選擇。面銑刀作為刀具中應(yīng)用較多的一種，切削量也是所有刀具中最大的一種類別。其主要優(yōu)點在于切削量大，所以加工效率要高出其它刀具，而且加工后的材料零件表面較為光滑，不會過于粗糙，同時也會擁有耐高溫的特點，所以也是常常會被用到六面體和一些大面臺階的材料工件當中。如果使用面銑刀來加工一些粗模具或者是模穴槽時，要注意不能使用垂直下刀或者是斜向進刀、螺旋進刀的方式來進行加工，這樣的進刀方式較為容易損害機臺主軸，導(dǎo)致機臺內(nèi)部器械的使用壽命縮短，所以一般是需要從工件的外部選擇側(cè)進刀的銑削加工方式。（2）粗銑刀。一般是為工件成型而使用的刀具，主要的特點優(yōu)勢在于切削量較大，吃刀深，切削過程中遭遇的阻力較小，多數(shù)情況下是用于銑臺階、插孔等工件的加工使用。（3）精銑刀。精銑刀一般都是用于精細化加工中所使用的刀具，使用這類刀具加工后，工件的表面一般會較為光滑平整，而且加工的尺寸精度較高，在一些工件快要成型作為加工最后過程時使用這類刀具，可以最大限度保證加工零件的外觀、尺寸合理，所以精銑刀一般都是會用于模仁、模座等工件的精加工當中。（4）舍棄式銑刀。這種刀具的使用一般都會采用到高轉(zhuǎn)速、高速率的情況，是輕切削中常用的加工方式，一般這類刀具在NC課程中使用情況較多。刀具本身也會被分為粗、細兩種類型，粗刀一般都會被用作為逃料，細刀是用與精修工件的底面。（5）切削用量的考慮。切削深度一般是指的一次進給量中切削工件的表面層度，多數(shù)情況下是用毫米作為深度單位。通常會由于機床剛性和刀具強度的問題，在一些材料零件加工的過程中，也會根據(jù)刀具的品牌、材料零件的性質(zhì)來考慮切削深度。在切削加工的過程中還需要預(yù)留一些位置，大約在0.4mm～1.2mm，即使在精加工的過程中，也是會根據(jù)刀具的品牌，尺寸精度來預(yù)留加工余量，大約控制在0.02mm～0.05mm的距離，精加工的過程中需要注意一般是修底不修邊、修邊不修低的加工原則。

3.3在零件粗加工過程中盡量選擇圓鼻銑刀

由于圓鼻銑刀的特性，使其可以在切削的過程中，刀刃角度與零件接觸時可以產(chǎn)生90°的范圍變化，可以在加工的范圍內(nèi)使用出較為連續(xù)化的切削力變化，使得加工過程更加具有靈活性，這樣更加有利于加工質(zhì)量的提升，也可以保證刀具壽命的延長，而且，粗加工的過程中使用圓鼻銑刀，切削條件會比使用球頭刀效果更好。

3.4切削參數(shù)的設(shè)置優(yōu)化

上文已經(jīng)明確切削參數(shù)的設(shè)置對于材料零件加工的重要性，尤其對于加工質(zhì)量和效率會起到極大影響，如在CAM軟件當中，需要控制的切削參數(shù)主要是關(guān)于主軸轉(zhuǎn)速、刀具切入時的深度和寬度等。（1）主軸轉(zhuǎn)速的設(shè)置。在控制機床主軸轉(zhuǎn)速時，一般是會參考到切削速度來進行計算設(shè)置，常用的計算公式主要是n=1000VC/πd，其中d代表的是刀具的直徑，vc表示的是切削的速度。在加工過程中，刀具的切削速度選擇常常又會是與刀具的耐用性相關(guān)，一旦所用的材料、刀具和加工結(jié)構(gòu)明確之后，切削的速度就會直接成為影響刀具耐用度的因素，不適合的切削速度會直接降低刀具的使用壽命，尤其在一些材料磨具的精加工過程中，需要避免在加工途中換刀，否則會影響到加工質(zhì)量。主軸轉(zhuǎn)速中進給量的各個因素：T=0.3D，T是指每一刀在Z軸的下降深度；P=0.7D，P是指每一刀的進刀量。在T=R2以下=0.2mm，R3以下=0.5mm，P=0.1D，所以最后的速度F=S*FZ*Z，F(xiàn)Z指的是每齒的切削量，Z指的是齒數(shù)，F(xiàn)指的是進給率。當然不同的程序中，公式也可能不一，還有的公式顯示的是：F=nzf，這個公式中，n指的是主軸轉(zhuǎn)速，z指的是銑刀齒數(shù)，f指的是每齒的進給量，每齒進給量的設(shè)置也是會根據(jù)材料的性質(zhì)、刀具的品質(zhì)和結(jié)構(gòu)來考慮，通常都是工件強度越高，那么每齒進給量也就越小，技術(shù)人員需要結(jié)合實際加工需求來考慮參數(shù)設(shè)置。（2）加工進給速度和刀具切入。在進給速度的選擇方面，這類因素會直接影響到零件在加工之后表面的光滑度和精度，常用的參數(shù)設(shè)計公式為f=nzf，其中的n代表的是主軸轉(zhuǎn)速、z為銑刀齒數(shù)、f為每齒的進給量，影響到每齒進給量的因素很多，主要在加工的過程中要考慮其中的刀具材料、銑刀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的因素。如果使用的材料工件本身的強度越可靠，那么需要的每齒進給量也會越??；而對于一些合金銑刀，其硬度可靠性相比于傳統(tǒng)的鋼銑刀而言就會更高；如果材料加工中對于精度和表明加工精細度的要求越高，進給量的設(shè)置就應(yīng)該著重考慮適當?shù)慕档?。?）吃刀量和步距寬度的設(shè)置。數(shù)控加工在針對一些曲面零件材料時，由于不同零件曲面的曲率、半徑都會有不同的差異，所以加工起來十分復(fù)雜繁瑣，所以需要與平面銑削加工方式相區(qū)分。比如在對于一些毛坯材料加工的過程中，盡量使用分層切削的方式，其中每層選用環(huán)形走刀或者是利用層間螺旋下刀的方式。角度在取值方面應(yīng)該選擇小于15°，取刀的深度需要控制在材料總長度的10%以內(nèi)，每層材料的步距還需要根據(jù)模具的大小情況來設(shè)置，通常都是控制在刀具直徑的70%左右。選擇較小的切削量和快速的進給速度，以此保證材料工件的質(zhì)量，針對一些復(fù)雜的材料模型，要選擇合適的刀具來分別開展加工，保證加工效率。吃刀量的大小程度還會受到工件、機床、刀具方面的影響，所以在實際加工選擇時，需要考慮這些器具要盡量滿足加工工藝、剛度方面的需要，加工時要選擇最大的吃刀量，以此來保證加工效率和質(zhì)量。而且為了保證加工精度、零件表面粗糙度能夠符合加工要求，就需要保證一定的加工余量，在一些粗加工過程中，余量的切除通常是使用層切的方式，再利用CAM編程設(shè)計，這就需要技術(shù)人員根據(jù)情況來考慮刀具的具體切削深度與最大步距寬度問題，這些數(shù)據(jù)設(shè)置會直接影響到工件的成形形狀。精加工的過程中，要選擇合適的吃刀量，而通常吃刀量的設(shè)置都是需要考慮到零件表面粗糙度的，在使用CAM編程的情況下，一般程序中會提供兩類參數(shù)來控制表面的粗糙度，主要關(guān)于殘留高度和步距寬度。在編程時，控制步距寬度會進一步影響加工零件表面的粗糙度，通常是步距寬度越小，最后成型的零件表面粗糙度越小，不過由于設(shè)置問題會導(dǎo)致加工效率降低，進一步延長加工的時間，所以在實際加工中，還需要考慮到加工需求，盡量不要將步距寬度設(shè)置的太低。在實際加工過程中，可以調(diào)整到半精加工的方式或利用精加工的方式來調(diào)整走刀路徑，以此來改善加工零件的表面狀態(tài)，如果使用殘留高度來控制零件加工表面的粗糙程度，那么布局寬度就會根據(jù)工件的形狀來自動進行調(diào)整。（4）切削速度的考慮。切削速度一般是指主軸刀具在旋轉(zhuǎn)時的線速度。切削速度的設(shè)置會受到刀具本身的品質(zhì)和材料零件的性質(zhì)、耐用度、加工條件、冷卻條件的影響。一般高速鋼的切削速度都是設(shè)置在20m/min～130m/min，硬質(zhì)合金的切削速度一般設(shè)置在20m/min～160m/min，鎢鋼的切削速度一般控制在30m/min～150m/min，根據(jù)材料性質(zhì)的不同，切削的速度也會根據(jù)實際情況進行適當?shù)恼{(diào)整。進給量的控制：一般是指在一分鐘的情況下，刀具沿著進給的方向發(fā)生位移的距離，而影響進給量的因素主要為刀具強度、機床性能、加工精度控制以及零件表面光滑度，這些因素的疊加也會直接影響到進給量的控制，通常加工機床的進給量都是控制在30mm/min～1400mm/min，一些高速和性能精良的加工機床，可以達到150mm/min～2000mm/min。

4結(jié)語

總的來看，在零件材料加工過程中，影響切削參數(shù)的因素主要為刀具、機床性能、工件環(huán)境等，各個因素對于切削參數(shù)都會產(chǎn)生不同程度的影響，文章在總結(jié)了部分影響切削參數(shù)的因素之上，對于切削使用的刀具、工件材料等因素進行分析，明確其對切削參數(shù)產(chǎn)生的具體影響。未來機械加工將會不斷朝著高精度、高效率方向發(fā)展，在對技術(shù)設(shè)備不斷優(yōu)化的同時，還需要重點關(guān)注切削數(shù)據(jù)模型的建立使用，促進材料零件加工質(zhì)量和效率提升。

作者:張立榮 單位:唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院