提高数控加工中心切削效率的途径

提高数控加工中心切削效率的途径（共2篇）

1.提高数控加工中心切削效率的途径 篇一

对数控回转工作台三轴切削加工中心的评价研究

Dong-Hyeon Kim

Choon-Man Lee

摘要：一个加工中心的特点，大大影响了产品的加工质量，因此,研究人员需要为高质量的产品建立切削加工性能的评价方法。在本文中,对一个数控转台加工中心的三轴切削加工性能进行了调查研究。这个加工中心利用一个新的数控转台轴组件。提出了一个对切削加工性能和加工中心评价的新的测试样本。通过实验对加工中心和机器的加工试样进行了特点分析。这项研究的结果可以应用于类似机床领域的发展。

关键词：三轴加工中心；切削加工性能；表面粗糙度；标本

1.介绍

理解机床的特征对提高产品质量和精度十分重要。在确定产品的生产效率和质量中了解机床的特征是一个关键因素。机床的特征可以一步一步地在每一个步骤中以评估方法和对切削加工性能的评价来确定。

机床的加工精度取决于各部分的几何尺寸和装配精度。事实上，机器的加工精度的减少，像工件表面粗糙度或刀具的表面粗糙度，是由各种外部条件，包括在产品加工过程中产生的热变形和机械振动。此外,加工错误也可能由其他因素引起,因此，建立一个标准试样的外形模板来评估机床的特征和一个可行的评价方法是很有必要的。

本文探讨研究了数控转台三轴切削加工中心的加工性能。在这个研究中，一个旋转的轴是应用于三轴MCT而不是一个已经存在的X轴。有必要通过观察一次切削加工的加工实验是不是由转轴而不是线性轴完成的来进行验证。三轴数控加工中心转盘如图1所示。

图1方案设计的三轴数控加工中心转盘

与现有的三轴加工中心不同,这个三轴数控加工中心有一个高速度和高精度的回转工作台而不是X轴。在加工工件时，该回转工作台在Y和Z轴方向运动。而且，工件所安装的回转工作台使工件一起旋转和移动。在这种情况下，Y，Z，C轴的移动通过一个程序来同步控制。实现高速和高精度的数控转台使圆弧加工或槽加工。对于这些类型的加工,现有的三轴机需要一个额外的第四轴，而方案中设计的三轴数控加工中心不需要第四轴。此外,不同于现有三轴加工中心,方案提出的机器不需要X轴方向的线性进给，从而大大减少了机器的总长度。因此，由额外的X轴所造成的精度降低可以避免，还有周期时间和总体投资可以通过减少进给时间和减少生产线来减少。

大体上评估测试标本的切削加工性能在先前的研究中已经给出，在这项研究中，在先前的研究中提出的测试样本被提高完善成一个适用于带有转轴的三轴数控加工中心的测试样本。对加工中心进行了实验，对机器的特征也进行了分析。所提出的测试样品可以用于类似机床应用程序的发展。

2.评价项目的选择

考虑到机床的设计是为了生产一个精确的产品，评估影响加工准确性的因素是很重要的。评估一般机床精确性的方法可分为直接和间接的方法。直接评价的方法基于切削方法。在评价中，在限制切削深度和切削速度,以便稳定加工时工件的圆度、方度和形状误差都进行了测量。这种方法存在几个问题，评估机体和一些领域的应用尤其困难。另一方面，在直接评价方法中，通过测量机床零部件的运动和准确性来评估的加工精度。当直接分析机床的特点时这种方法比较高级。然而,这种方法的问题包括不能有效地建立测量和分析的技术，而且，加工精度和机床的性能之间的关系也不能确定。

选择评价项的标准如下。第一，检查发热所引起的热变形是有必要的。此外，关于机器的通用测试项目工具，平面度、轴的径向跳动、在回转时产生的轴向跳动，在静态精度测试中还应该检查直线运动精度。在这里,一个向上/向下转移模型被选中为了轴的径向跳动和直线运动的基本倾向角可以被调查。关于加工精度测试方法，通过检查顶部区域的形状和加工的圆柱形状来调查圆柱度和平整度方面的差异。

2.1热变形检查

热变形，指由机床发热造成的形状和维度的变化，对一个产品的精确性会产生重大影响。为了调查热变形产生的影响，切割完成后在创建的第一个加工工件和最后的加工工件B之间应该存在一个验证步骤，如图2所示。然后，找到是否发生热变形便成为可能，从而进一步确定是否可以抵消热变形。

2.2根据进给率和向上/向下切割的表面粗糙度特点

对球头铣刀加工，很难选择与形状，尺寸和精确度有关的合适的加工条件，而这些因素在切削方向的基础上影响切削力和刀具的变形。因此，本文包括六个部分根据进给速率和向上/向下的方向来分析主轴的径向跳动的倾斜角度和检查加工误差和表面粗糙度问题。

区域2和3在图3中研究向上倾斜30°和45°处的表面粗糙度。区域5和6调查向下倾斜65°处的表面粗糙度。区域4分析刀具在向上方向移动时的上面的投影部分。区域7控制轴线的微倾斜的角度为1°。当刀具沿着一个斜面的30°和45°方向时，两种情况之间的差异就可以比较出来了。这就解释了为什么部分5和6讨论与结果相同的倾斜角度。所有部分使用主轴旋转速度3000 rpm，6000rpm，9000 rpm和进给速率3000毫米/分钟和5000毫米/分钟。

图2热变形测量模型

图3显示倾角测量模型

2.3根据刀具轨迹向上/向下方向的表面粗糙度的特征

对于斜面的加工，向上切割时切割的部分分布在刀具的外底面，向下切割时分布在刀具的内底面。在这一点上，区域被设置为图4所示来与单向加工和锯齿形加工方法进行比较。

2.4圆柱表面加工的粗糙度特点

图5所示的模型设计研究根据进给速率和转速缸部分的表面粗糙度。像线性倾斜的部分，总共六个部分主轴的转速设置为3000 rpm，6000 rpm，9000 rpm，进给速度设置为3000毫米/分钟和5000毫米/分钟。

考虑上面所述的评价方法，如图6所示，加工试样的切削加工性能提高了。商业软件Solidworks用于加工试样的建模。

图4根据刀具路径测量模型的表面粗糙度

图5油缸部分的测量模型

图6目视检查样品

3.结果与讨论

工具路径创建和仿真验证流程使用商业软件CATIA进行。标本是创建与Al6061大小为200毫米×140毫米×52毫米。

表1大体上包含的信息不特指在实际加工时单独加工的加工条件。图7显示了一个加工试样。

表面粗糙度是使用Optacom表面测量系统测量的，表面形状是使用奥林巴斯共焦激光扫描显微镜(LEXT-OLS3100)测量的。这种测量设备如图8所示。

图8测量设备 3.1检查热变形的一步

最后的切削从图3所示的A开始，B结束。因此,一个步骤被利用起来以抵消热变形，热变形的补偿过程表明热变形是很轻微的。图9显示了测量结果。

3.2根据向下切割的表面粗糙度特性

图10显示了30°斜面部分处表面粗糙度的特征。表面粗糙度一般随着转速的增加而改善，但会随着进给速度的增加而变差。在3000毫米/分钟和5000毫米/分钟产生的结果之间有显著差异。

图11显示了45°斜面部分处表面粗糙度的特征。表现出与30°斜面处相似的趋势。表面粗糙度会改善的转速增加，但会随着进给速度的增加而变差。

图12显示了最高地区部分刀具走过去后下行方向后沿着一个斜面向上的方向。较低的旋转速度使表面粗糙度变得粗糙，而较高的旋转速度使工件表面更光滑。考虑到它受进给速度的影响较小，进给速率被发现用于正确控制。

图13显示了65°斜面部分处表面粗糙度的特征，也就是30°向上倾斜的表面的背面区域。这表明在较低的进给速率和较高的转速条件下工件的表面粗糙度会得到改善。

在这种情况下，会发现得到的工件表面粗糙度比向上方向更好。

图9热变形测量

图10表面粗糙度特征与进给速度的关系(30°方向上)

图11表面粗糙度特征与进给速度的关系(45°方向上)

图12表面粗糙度在不同进给速度下的特征

图14显示了65°斜面部分处表面粗糙度的特征，也就是45°向上倾斜的表面的背面区域。该处的表面粗糙度可以接受，但会发现比30°斜面的背面区域更粗糙。最有可能发生这种情况的原因是在切削时由于倾斜角度过大，导致刀具的跳动影响表面粗糙度。正如之前的结论所述，较低的进给速率和较高的转速条件下工件的表面粗糙度会得到改善。图15显示了倾斜1°处表面粗糙度的特征，也就是30°向上倾斜的表面的背面区域。总的来说，结果显示测得的表面粗糙度很好。

图16显示了倾斜1°处表面粗糙度的特征，也就是45°向上倾斜的表面的背面区域。虽然表面粗糙度一般都很好，但会发现比30°向上倾斜的表面的背面区域更差一些。根据上面的结果分析，在向上切削的时候倾斜的角度比30°要大。

这会导致刀具跳动得更多。由于切削时间的积累，45°倾斜面的背面区域，是切割的后期阶段，尽管有相同的倾斜角度1°也会对精确度产生负面影响。

图13表面粗糙度特征与进给速度的关系（65°向下，30°斜面的背面）

3.3刀具在向上/向下切割路径时表面粗糙度的特性

图17显示了在向上和向下切削的加工路径时表面粗糙度的特性。对于单向的方法，向上切削和向下切削时的表面粗糙度水平分别为0.833μm和0.833μm。对于锯齿形的方向，向上切削和向下切削时的表面粗糙度水平分别为1.087μm和1.245μm，表明向上切削时得到的工件表面粗糙度比向下切割时的要好。同时，在刀具路径方面，单方向的刀具路径比锯齿形路径要好一些，可能是因为在upward-downward切削时观察到的刀具跳动。这个结果和使用锯齿形路径的方法加工时表面精度降低的普遍趋势是相同的，即导致切削出一个倾斜的表面，向上切削时切削过少，向下切削时切削过多。

图14表面粗糙度特征与进给速度的关系（65°向下，45°斜面的背面）

3.4加工外圆表面时粗糙度的特征

图18显示了加工外圆表面时表面粗糙度的特点。表面的所有区域没有明显的区别。然而，更高的转速会使表面粗糙度改善得更多，而且能用肉眼观察得到，在进给速率上也没有区别。因此，会发现在加工一个圆柱形状表面时表面粗糙度受转速很大的影响，而几乎不受到进给速率的影响。这最可能是因为在进行外圆加工时不能确定一个合适的进给速率。

系

图15表面粗糙度特征与进给速度的关系（1°倾斜面，30°斜面的背面）

图16表面粗糙度特征与进给速度的关系（1°倾斜面，45°斜面的背面）

图17不同刀具路径下的表面粗糙度特征

图18加工圆柱面时在显微镜下显示的表面粗糙度特征

4.结论

本文评估了数控回转工作台三轴切削加工中心的加工性能。结论在开发适合本研究评价方法的测试标本的基础上，给出了以下几点建议。

1.热变形检查，通过一系列的步骤，表明热变形是合理的偏移量。

2.关于在倾斜表面上观察表面粗糙度特征，在向上和向下加工时低倾斜角区域会观察到更好的结果。另外，当1°倾斜面加工完后，会发现表面粗糙度一般在一个较好的水平。总的来说，表面粗糙度在较低的进给速率和较高的转速时最好。对于顶部区域，进给速率没有带来影响即证实了进给速率控制在一个合适的范围内。3.关于刀具路径与表面粗糙度的关系，单方向刀具路径的表面粗糙度比锯齿形路径要好一些。这是由于在向下切削时刀具发生向上的偏转。此外，由于向上加工时过切和向下加工时的切削不足，导致在锯齿形刀具路径加工时的结果会产生加工精度的问题。

4.因为在加工外圆时确保一个适当的进给速率是不可能的，会发现表面粗糙度在受到转速显著影响时受到进给速率的影响很小。

一种用于评估切削加工性能的改进的测试标本适用于三轴MCT机床，附带有一个转轴。用一个加工中心和机器的特点进行了分析实验。结果证明了测试样本可以应用于相似类型的机床发展研究。

这项工作是由韩国政府拨款韩国国家研究基金会支持的(NRF)(MSIP)(No.2013035186)。

参考文献

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2.提高数控加工中心切削效率的途径 篇二

当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力, 成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。

实践证明, 当切削速度提高10倍, 进给速度提高20倍, 远远超越传统的切削"禁区"后, 切削机理发生了根本的变化。其结果是:单位功率的金属切除率提高了30%~40%, 切削力降低了30%, 刀具的切削寿命提高了70%, 大幅度降低了留在工件上的切削热, 切削振动几乎消失;切削加工发生了本质性的飞跃。根据目前机床的情况来看, 要充分发挥先进刀具的高速加工能力, 需采用高速加工, 增大单位时间材料被切除的体积 (材料切除率Q) 。

在选择合理切削用量的同时, 尽量选择密齿刀 (在刀具每英寸直径上的刀齿数≥3) , 增加每齿进给量, 提高生产率及刀具寿命。有关试验研究表明:当线速度为165m/min, 每齿进给为0.04mm时, 进给速度为341m/min, 刀具寿命为30件。如果将切削速度提高到350m/min, 每齿进给为0.18mm, 进给速度则达到2785m/min, 是原来加工效率的817%, 而刀具寿命增加到了117件。

2 选择性能好的刀具材料

在数控机床切削加工中, 金属切削刀具的作用不亚于瓦特发明的蒸气机。制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性, 必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性, 良好的工艺性 (切削加工、锻造和热处理等) , 并不易变形。目前国内外性能好的刀具材料主要有:金属陶瓷、硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石 (PCD) 和立方氮化硼 (CBN) 刀具等。它们各具特点, 适应的工件材料和切削速度范围各不相同。CBN适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等, 如加工高硬钢件 (50~67HRC) 和冷硬铸铁时主要选用陶瓷刀具和CBN刀具, 其中加工硬度60~65HRC以下的工件可用陶瓷刀具, 而65HRC以上的工件则用CBN刀具进行切削;PCD适用于切削不含铁的金属, 及合金、塑料和玻璃钢等, 加工铝合金件时, 主要采用PCD和金刚石膜涂层刀具;碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具;硬质合金涂层刀具 (如涂层Ti N、Ti C、Ti CN、Ti AIN等) 虽然硬度较高, 适于加工的工件范围广, 但其抗氧化温度一般不高, 所以切削速度的提高也受到限制, 一般可在400~500m/min范围内加工钢铁件, 而Al2O3涂层的高温硬度高, 在高速范围内加工时, 其耐磨性较Ti C、Ti N涂层都好。

3 加快涂层技术的开发

刀具涂层技术自从问世以来, 对刀具性能的改善和加工技术的进步起着非常重要的作用, 涂层刀具已经成为现代刀具的标志, 在刀具中所占比例已超过50%。在21世纪初, 涂层刀具的比例将进一步增加, 有望在技术上突破CBN涂层技术, 使CBN的优良性能在更多的刀具和切削加工中得到应用 (包括精密复杂刀具和成形刀具) , 将全面提高加工黑色金属的切削水平。此外, 纳米级超薄超多层和新型涂层材料的开发应用的速度将加快, 涂层将成为改善刀具性能的主要途径。

4 选择高精度刀片

刀片精度低, 跳动量太大, 面铣刀加工的平面光洁度将降低, 甚至出现沟状。高精度数控机床上刀片的跳动量应控制在2~5μm。随着数控机床的发展, 相应出现刀片的表面改性涂层处理, 很大程度上提高了刀片精度。与此同时, 出现了各种新型可转位刀片结构, 如用于车削的高效刮光刀片、形状复杂的带前角铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等。可转位刀片进入了材料、涂层、槽型综合开发的新阶段, 可根据加工材料和加工工序合理组合材料、涂层、槽型的功能, 开发出具有最佳加工效果的刀片, 以满足高速、高寿命切削加工生产技术的不同要求。

5 提高加工表面质量

在保持相同的切削效率 (即相同Q值) 下, 提高切削速度可改善切屑形成过程和增加切削阻尼, 抑制颤振, 相应地减少每个刀齿的进给量能降低切削表面轨迹形成的残留高度, 改善表面粗糙度, 从而有利于精密零件和模具的加工。

6 建立合理的刀具储备

这里的刀具是指高切削效率刀具, 而这些刀具的价格较高, 相同直径的铣刀, 好刀具的价格可能是普通刀具的几倍甚至十几倍。如果一个企业长期存放一大批好刀具, 而这些刀具又可能长时间用不上, 则造成资金积压。但如果平常一把刀具也不储备, 或储备数量太少, 很快就用完了, 而新刀具一时又买不到, 这样必然会影响数控加工的效率。绝大多数企业的加工中心的刀库均可容纳40把刀具以上, 并有60、90、120等不同刀数的刀库可供选择。刀具之间交换时间越来越短, 德国STEINEL公司的BZ-26, 日本MAKINO公司的MCC86, 美国CINCINNATI公司的MAXIM500型加工中心的换刀时间只需3~4s。

7 设计简易的磨刀夹具

机夹铣刀盘效率高, 使用方便, 深受操作者欢迎, 但刀片消耗量大, 使用成本高, 而且多数情况下刀片的损坏是由于刃口磨损造成的, 因此刀片的重磨再利用对工厂来说可获得较高经济效益。硬质合金刀片的硬度高, 磨削效率低, 采用单片磨削将达不到节约的目的, 需设计出高效简单的夹具, 实现一次装夹多个刀片。

8 加工方式的选择

加工方式可分为顺铣与逆铣两种。而加工中心的机械传动系统和结构本身就有较高的精度和刚度, 相对运动面的摩擦系数小, 传动部件的间隙小, 运动惯量小, 并有适当的阻尼比, 因此可以采用顺铣的方式加工, 以提高加工效率。此外, 根据加工经验, 顺铣比逆铣时刀具寿命要提高1倍多, 采用不对称的立铣方法, 刀具寿命可提高2~3倍。

9 选择合理的加工路线

数控机床特别是4轴以上加工中心, 一般是一次装夹、多方位加工, 并且都有刀库, 可自动更换刀具, 一次加工成形。因此确定正确简洁的加工路线, 是保证加工质量和提高效率的基础。编程时确定加工路线的原则主要有:应能保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求;应尽量缩短加工路线, 减少刀具空程移动时间;应使数值计算简单, 程序段数量少, 以减少编程工作量。如对于位置精度和尺寸公差要求高的孔加工来说, 孔直径小于18~20mm的加工工艺路线为:钻中心孔-钻孔-扩孔-铰孔, 而对于孔直径大于18~20mm的加工工艺路线则为钻孔-扩孔-粗镗孔-精镗孔。

1 0 工件装夹的选择

数控加工时由于工序集中的原因, 在对零件进行定位、夹紧设计以及夹具的选用和设计等问题上要全面考虑。首先, 应尽量采用组合夹具, 由于通用夹具的柔性差、定位精度相对较低, 当产品批量比较大、加工精度要求高时可以设计专用夹具。其次, 在选择工装时应有利于刀具交换和在线测量, 避免发生碰撞干涉。

1 1 加工中心的辅助设备要配套