数控铣齿加工切削力分析及工艺参数优化

数控铣齿加工切削力分析及工艺参数优化

摘要：高速铣削加工要求切削速度快，加工效率高。对成型铣齿加工过程及铣削力进行理论分析,建立以最高工作效率为评价标准的目标函数,以进给速度和主轴转速为切削参数的优化模型,利用matlab软件编写程序求得优化结果。

关键词：成型铣齿加工参数铣削力优化

高速铣削加工是近几十年来广泛应用与发展的一种先进制造技术。在实际生产过程中,对于高速铣齿加工用传统的方法难以确定最合理的切削用量。为了获得机床最大的工作效率对铣削力性质进行分析,结合实验与主要切削参数优化研究获取最优切削参数组合。

1、切削力模型分析

高速成形铣削加工的加工过程为粗加工，所以对表面质量要求不高。机床工作时,刀盘对准齿廓位置由上至下进给加工齿廓,每完成一次走刀即完成一个齿廓的加工。

2、铣削参量的分析

通过实验数据分析找出切削参量对机床受力的影响,引用文献[2]实验所获得的数据利用statistica软件对各参数与切削力关系分析。(如表1图1图2)

由图(1)可知铣削力随着z轴进给量的增大呈增大趋势,但是随主轴转速的增加而减少。由图(2)可知z轴进给量对铣削力的影响要比主轴转速对铣削力的影响大。在进行参数优化时,应尽量避免切

削力过大,主轴转速的升高会减小切削力,但是随着主轴转速的增加机床的振动也随着增加,因此在不使机床产生过大振动前提下应该尽量使用较大的主轴转速。机床主轴额定转速范围为87.16rpm,根据对图1和2的分析,确定机床主轴转速范围[75,87],z轴进给量范围为[70,130],刀盘切削力控制在12000n以下。

3、优化模型的数学模型

在激烈的市场竞争中，产品更新速度很快,对于一个企业而言，以最少时间作为切削用量优化标准更具实用价值。完成一道铣削工序的加工工时，++

式中—单件工序的切削时间,为刀具走过总路线l与进给量的比值即；

—换刀一次所消耗的时间;—除换刀时间外的其他辅助时间;—换刀次数;

4、数学模型的约束条件

4.1 确定切削参量的约束

数控铣齿加工关键参数包括主轴转速,和进给速度,对于进给速度又有每转进给量(mm/r),每齿进给量(mm/z)。

4.2 机床的约束

(1)机床实际功率必须小于机床的最大功率,约束可表示为。

(2)实际扭矩不能超过主轴的最大扭矩约束表示为:。

4.3 铣刀刀片耐用度的约束

过大的磨损会使刀具使用寿命过短从而增加了加工成本,利用度

约束为。

式中—刀具耐用度系数;—刀具耐用度指数。

5、优化模型的求解

5.1 机床参数

机床型号为skxc2000数控调整铣齿机床;加工材料为50mn;材料硬度为200hb;加工工作齿厚为90mm;工件齿数z为110;铣刀模数;铣刀直径;铣刀总齿数z=36;机床的额定功率为30kw。

5.2 优化结果的分析

应用matlab所得优化结果为:主轴转速为85.15rpm;z轴进给量为122.04mm/min。优化后的主轴转速将近机床的额定转速,说明主轴转速对于铣削效率的影响较大,因此在工件加工时主轴转速采用优化值,对于材料硬度大的工件减小进给量即可。

6、结语

通过对铣齿加工过程和铣刀实际受力情况分析选取铣削力的计算公式。根据实验分析确定主要切削参数对铣削力的影响,获得对主轴转速,进给量及铣削力的约束。在保证机床的功率满足刀具耐用度的基础上,以最大加工效率为目标建立数学数学模型。

参考文献

[1]胡家国,杨志刚,李迎.高速铣削铝合金切削力研究[j].工具技术,2003,37(11):33-36.

[2]席平原.应用matlab工具箱实现机械优化设计[j].机械设计与研究,2003,19(3):40-42.

个人简介

刘芳(1984-)，女，助理讲师。从事机械相关教学与研究工作。