基于简易的平均切削力模型的进给速度优化程序

郑喜朝

郑喜朝ZhengXichao（陕西国防工业职业技术学院，户县710302）

（ShaanxiVocationalCollegeofNationalDefenseIndustry，Huxian710302，China）

摘要：主轴转速、进给速度、切削深度、加工行距与切削力都成正比关系，刀具的悬长、硬度，工件的硬度等由于切削过程的复杂性，它们并不成线性或有规律的关系。这就需要海量的实验数据来建立起铣削力模型，这就需要耗费大量的物力和人力。

Abstract:Thespindlespeed,feedrate,cuttingdepth,andprocessspacingaredirectlyproportionaltothecuttingforce.Theoverhanglengthandhardnessofthetool,hardnessoftheworkpiecehavenotlinearorregularrelationshipfortheircomplexityinthecuttingprocess.Thisrequiresvastamountsofexperimentaldatatoestablishacuttingforcemodel,andrequiresalotofmaterialandhumanresources.

关键词：平均削力模型；切削力数据

Keywords:averagecuttingforcemodel；cuttingforcedata

中图分类号：TG54文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）10-0028-01

0引言

我们建立了一个简易的平均切削力模型，只考虑某一种刀具、某一种材料，某一个铣削深度的特定条件下的平均切削力模型，在此模型中的平均切削力F只与两个独立参数即有效切削深度δe和进给速度f有关，通过正交实验法，取第一个影响切削力的因素有效切削深度δe的7个有代表性的值，再取影响切削力的第二个因素进给速度f的有代表性的12个值，按7×12=84个实验数据，建立了一个基于平均切削力的简易平均切削力模型F=F（δe，f）。

1切削力数据的获得

为了获得平均切削力模型的切削数据，采用如下试验方案：机床：XK714A；刀具：φ12高速钢铣刀；工件材料：45#钢HRC37；测力仪：YDX-B型三向压电式铣削力测力仪（所测力为主铣削力FC）；轴向切深：1mm；主轴转数：1500r/min；切削条件：不加切削液；试验目的：改变铣削宽度ae，ae从0.1D一直变化到0.7D，以公差为0.1D的等差数列排布，D为刀具直径，为φ12mm。在不同的切削速度下，切削速度从50mm/min一直变到600mm/min，以公差为50的等差数列排布，测量铣削力大小的变化，建立铣削力大小与有效切削深度δe和进给速度f的数学模型。实验方法：选定一个铣削宽度后，改变进给速度大小（50-600mm/min），计录切削力12个值的大小。再改变一个铣削宽度后，改变进给速度大小（50-600mm/min），计录切削力12个值的大小。注意在ae取最大，f取最大时，仔细观察机床和测试台有无振动及切削噪音大小问题。

2平均切削力模型的建立

铣削力F一般来讲，可分解为三个相互垂直的分量：①主切削力FC为总切削力在铣刀主运动方向上的的分力，它消耗功率最多。②垂直切削力FCN为在工作平面内，总切削力在垂直于主运动方向上的分力，它使刀杆产生弯曲；③背向力FP为总切削力在垂直于工作平面上的分力。我们本课题所说的切削力及指主切削力FC，主切削力经验计算公式：主切削力FC=kFC9.81（65.2）afaZd。其中：kFC修正系数：加工钢料时kFC=（σb/0.637）0.30σb单位：GPa；加工铸铁时kFC=（布氏硬度值/0.637）0.30；ae侧吃刀量；fz每齿进给速度；ap背吃刀量；Z刀齿数；d铣刀直径。通过实验数据与理论切削力的计算对比，发现有些差异，经分析，修正系数是极其关键的因数，加工材料的不同硬度变化都会影响到切削力的变化。由于有效切削深度δe与铣削宽度ae存在式。δe=ae/R，R表示刀具半径，所示的数学关系，所以可以通过铣削宽度ae求得有效切削深度δe，从而建立平均切削力模型。用平均切削力的试验数据，以有效切削深度、进给速度和平均切削力三个参数的数值分别为X、Y、Z坐标值，就可以得到一系列的离散数据点，对这些离散点进行曲面拟合后，就可以得到该试验条件下的平均切削力曲面模型。Matlab软件以其强大的数据分析处理功能以及简洁易懂的编程语言，在很多领域都有了广泛的应用，它的图形处理功能很强大，可以绘制函数图形，绘制专业图形，处理图像，处理图形句柄，绘制三维图形，创建图形用户界面等。在这里利用Matlab软件对实验数据进行插值处理功能和绘制三维图形功能。等切削力曲线是根据上面的平均切削力模型生成的。生成等切削力曲线前，我们先要设定切削力的值Flim，考虑到发挥机床的最大效能，Flim取加工时允许的最大切削力。理论预期是在此平均切削力下进行切削加工，平均切削力的上限可以根据加工条件获得，如刀具允许的最大切削力，或者是根据加工人员的经验设定一数值。设定了Flim=600后，我们只需用平行于X、Y平面的平面Z=600N与平均切削力曲面模型求交，即可获得等切削力曲线。在此可利用Matlab软件等高线功能，得到Z=600N的X、Y一些对应数值，即侧向切深δe与进给速度在切削力为600牛时的对应值，再用插值法和n次函数拟合法得到侧向切深δe与进给速度的三次拟合方程。求出的Flim=600N，等切削力曲线方程：y=－1605x3+7110x2－11025x+6225，其中y表示进给速度，x表示有效侧向切深δe。进给速度与有效切削深度的数学关系式为f=－1605δ+7110δ－11025δ+6225。当刀具、轴向切削深度或主轴转速、刀具材料、工件材料、切削条件等工艺参数发生变化时，平均切削力模型也随之发生变化。更多加工条件下的平均切削力模型的有待日后进一步完善。

3进给速度的自动优化

对生成的NC程序的刀位文件需要对数据进行预处理。数控加工层切法刀位文件数控代码中很多指令都属于模态指令，模态指令又称续效指令，一经程序段中指定，便一直有效，直到后面出现同组另一指令或被其他指令取消时才失效。编写程序时，与上段相同的模态指令可以省略不写，这一特点虽然简化了数控程序，但却给我们获取刀位数据带来了不便。如果按程序段提取参数必然导致参数“丢失”。对于程序段“丢失”的参数信息，必须在以前的程序段找回。本文编制了独立的数据处理软件（vb程序编写）来对数控加工程序进行预处理，保证数控加工相关参数的完整性。经过预处理后，数控程序转换成按行列存储的文本文件，且生成的文本文件中，每行对应数控加工程序中的一个程序段，每行的记录了一个刀位点位置信息和工艺参数信息。预处理后的具体格式为，第一行是表头，分N、G、X、Y、Z、I、J、K、F、S和M共11栏，对应不同的数控指令。从第二行开始到最后一行（假设为n+1行），是从该数控程序提取出来的参数列表，也可以理解为一个n×11的矩阵。

根据G代码来判断使用哪一个公式来求接触角γ：如果G代码为1，用直线特征公式：cosγ=，如果G代码为2，用凹圆弧特征cosγ，如果G代码为3，用凸圆弧特征cosγ=，每个刀位点的cosγ都可求得，再根据δe=ae/R=1－cosγ从而求得每个刀位点的有效侧向切深δe，再根据等切削力曲线方程vf=f（δe）可最终求得每个刀位点的最佳切削速度。进给速度的自动优化方法，就是为数控切削加工中的各个刀位点进行“量体裁衣”的优化，根据各刀位点的二维当量载荷，为它们确定适合各自情况的进给速度。