摘要： 數(shù)控加工切削參數(shù)存在一個(gè)很大的問題，對于他的選用直接受到個(gè)人技術(shù)水平影響是很大的，主要有工件材質(zhì)硬度的變化、切削深度的不同、刀具磨損狀況、切削液流量變化等因素，都將導(dǎo)致實(shí)際切削工況偏離理想狀態(tài)。因此正確合理地選擇切削參數(shù)和優(yōu)化切削過程，對確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率，降低制造成本、保證數(shù)控機(jī)床安全運(yùn)行和提高綜合效益是十分重要的。

   1.CNC加工優(yōu)化技術(shù)難題

 

優(yōu)化NC程序的作用可以概括為：加工時(shí)問優(yōu)化、加工路徑優(yōu)化、切削條件優(yōu)化等等。加工時(shí)問優(yōu)化是生產(chǎn)中遇到最多的情況。例如使用φ12mm立銑刀銑削圖1所示零件。從圖1中可以看到，加工時(shí)長、短邊的材料去除率是不一樣的。也就是講，如果給定一個(gè)切削進(jìn)給速度，則刀軸切削載荷是不一樣的。銑削短邊時(shí)，材料去除率高，刀具切削載荷大；而銑削長邊時(shí)，材料去除率低，刀具切削載荷小。既然刀軸能正常銑削掉短邊的材料（設(shè)定此時(shí)刀軸切削載荷為100％），則銑削長邊時(shí)刀軸則沒有發(fā)揮出全部功率，尚有提高生產(chǎn)效率的余地。

為了提高加工效率，編程者可以考慮到使銑四邊時(shí)的刀軸切削載荷都保持一個(gè)較高的水平。如將銑短邊的進(jìn)給速度設(shè)為120mm/min，銑長邊的進(jìn)給速度設(shè)為160mm/min，這樣可以縮短銑削時(shí)間。

      

簡單的二維輪廓加工，為盡可能使材料等體積去除率保持在較好水平上，可以通過手工編寫在不同線段的進(jìn)給速度。然而，在較復(fù)雜的二維加工中，由編程者來考慮如何分配進(jìn)給速度，其工作量是很大的，即使在NC程序中分別編輯不同的進(jìn)給速度，實(shí)際刀軸切削載荷也會(huì)有較大波動(dòng)。若要人工在三維零件的NC程序中為每個(gè)切削程序段分配不同的進(jìn)給速度，將是一件很困難的事。

 

CNC機(jī)床的加工過程受加工形狀和切削狀況的限制。這樣，在每個(gè)加工階段，必須采用程序設(shè)定的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率，沒有足夠的靈活性以適應(yīng)加工時(shí)的動(dòng)態(tài)變化。實(shí)際上，由于以下幾個(gè)方面的原因，切削條件傾向于動(dòng)態(tài)變化。這些原因包括：

 

（1）無論胚料還是棒料、鍛件還是鑄件，工件表面經(jīng)常不平整。

 

（2）加工中刀具逐漸磨損。

 

（3）工件間材料不同和工件內(nèi)材料硬度不均勻，產(chǎn)生硬點(diǎn)和軟點(diǎn)。

 

（4）工件的形狀、尺寸變化。

 

（5）加工中冷卻效果不同產(chǎn)生表面硬度變化。

 

耐磨焊條

研究切削參數(shù)和加工刀具軌跡優(yōu)化的目的就是使數(shù)控機(jī)床發(fā)揮出最優(yōu)的加工效率，使產(chǎn)品具有最佳的加工品質(zhì)。切削參數(shù)與刀具壽命、機(jī)床參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩）等因素有關(guān)。考慮到以上原因，為保證加工安全，程序員除了采取最保守的切削參數(shù)外別無選擇，這就導(dǎo)致加工效率降低。相反，想要縮短加工時(shí)間，程序員不得不設(shè)定較大的加工參數(shù)，這樣會(huì)導(dǎo)致對刀具工件和機(jī)床的破壞。無論數(shù)控程序多么優(yōu)化，它們不能把加工中的動(dòng)態(tài)變化考慮進(jìn)去，遠(yuǎn)不能滿足根據(jù)實(shí)際切削情況來實(shí)時(shí)調(diào)整切削參數(shù)的需要。

2.OMAT機(jī)床自適應(yīng)系統(tǒng)

日益加劇的市場競爭要求急劇降低成本，這就要求生產(chǎn)者減少不必要的成本消耗，包括：加工時(shí)間、機(jī)床保養(yǎng)、維護(hù)成本、刀具費(fèi)用和長交貨周期的費(fèi)用。自適應(yīng)系統(tǒng)中采用的實(shí)時(shí)最優(yōu)化技術(shù)在解決這些經(jīng)濟(jì)問題時(shí)是不可缺少的。高效自適應(yīng)控制系統(tǒng)是根據(jù)連續(xù)檢測到的切削參數(shù)，對加工過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)完全優(yōu)化，使CNC機(jī)床發(fā)揮出最大潛力，刀具壽命達(dá)到最高。

20世紀(jì)90年代初期，0MAT公司開始把自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控加工過程中，即把自適應(yīng)控制技術(shù)與0MAT公司總結(jié)出的金屬加工專家系統(tǒng)結(jié)合起來。O-MAT機(jī)床自適應(yīng)系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是根據(jù)特定主軸和工件材料的大部分參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)最優(yōu)進(jìn)給，這些參數(shù)可以被輸入，也可以來自外來的刀具目錄，操作者不需要知道具體負(fù)載極限，對每把刀具，內(nèi)部專家系統(tǒng)已經(jīng)確定了它的負(fù)載極限。如果將0MAT自適應(yīng)控制器（優(yōu)銑控制器OptiMil-XL，優(yōu)車控制器0ptiTurn-XL，優(yōu)鉆控制器OptiDrill-XL）直接安裝到數(shù)控機(jī)床上，實(shí)時(shí)監(jiān)測切削狀況并把每一步走刀的進(jìn)給速率自動(dòng)地調(diào)節(jié)到最合適的數(shù)值，這就保證了恒定的切削負(fù)載，這個(gè)恒定的負(fù)載是考慮到了切削條件的變化而得到的，從而保證加工時(shí)間最短以及刀具、機(jī)床所允許的最大能力工作。O-MAT的OptiMonitor-XL（監(jiān)測控制器）連續(xù)地監(jiān)測切削過程，只有在過載情況下才動(dòng)作（停機(jī)或和報(bào)警）。#p#分頁標(biāo)題#e#

此外，0MAT機(jī)床自適應(yīng)系統(tǒng)還允許NC程序員更大膽，像使用新刀具一樣來設(shè)定進(jìn)給速率，根據(jù)刀具磨損程度，進(jìn)給速率被相應(yīng)調(diào)節(jié)，所以，加工中系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行刀具監(jiān)測并將監(jiān)測結(jié)果應(yīng)用于進(jìn)給。同時(shí)，系統(tǒng)也給操作者適時(shí)換下磨損的刀具，從而不會(huì)產(chǎn)生刀具斷裂或過早的更換刀具。0MAT機(jī)床自適應(yīng)系統(tǒng)不僅可以檢測刀具磨損，還能通過對主軸負(fù)載的監(jiān)測及相應(yīng)調(diào)節(jié)進(jìn)給倍率，達(dá)到保護(hù)刀具，減少廢料和減少重復(fù)工作時(shí)間的目的。當(dāng)切削中出現(xiàn)急劇超載時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，必要時(shí)自動(dòng)停止機(jī)床。

3.OptiMil-XL優(yōu)銑器功能

下面以O(shè)ptiMil-XL優(yōu)銑器為例，說明OptiMil-XL優(yōu)銑器的工作原理及使用方法。

（1） OptiMil-XL優(yōu)銑器的工作原理　在OptiMil-XL優(yōu)銑器（以下簡稱優(yōu)銑器）中儲(chǔ)存了每一步切削加工參數(shù)，這些切削參數(shù)用一個(gè)惟一的加工代碼來標(biāo)識(shí)。切削參數(shù)按工序進(jìn)行編組。對于每把將由優(yōu)銑器控制或監(jiān)測的刀具，準(zhǔn)備好加工操作所需要設(shè)置的參數(shù)。這些參數(shù)可以通過優(yōu)銑器上的鍵盤輸入到優(yōu)銑器的儲(chǔ)存器中，與NC程序相對應(yīng)，設(shè)置新的工序或選擇已有的工序。讓優(yōu)銑器進(jìn)人自動(dòng)模式，然后在機(jī)床上運(yùn)行NC序。在此模式下優(yōu)銑器已經(jīng)準(zhǔn)備好接受來自NC序的命令，以啟動(dòng)其自適應(yīng)控制功能或監(jiān)測特性。

（2）優(yōu)銑器的主要特性　圖2說明了優(yōu)銑器控制的銑削過程。在優(yōu)銑器控制的銑削過程中，當(dāng)切削狀態(tài)超過正常范圍時(shí)，將切削進(jìn)給倍率減小到低于加工程序設(shè)定值以下，并在必要的時(shí)候?qū)C(jī)床停車，避免對切削刀具、工件和機(jī)床造成損壞。而當(dāng)切削狀態(tài)允許節(jié)約時(shí)間時(shí)，優(yōu)銑器就增加進(jìn)給倍率使其高于加工程序設(shè)定值。最終結(jié)果相當(dāng)于得到一個(gè)最優(yōu)的平均進(jìn)給倍率，這個(gè)進(jìn)給倍率要比加工程序設(shè)定的進(jìn)給率效率高。在多軸機(jī)床的情況下，優(yōu)銑器連續(xù)檢測每個(gè)主軸上的負(fù)載，然后根據(jù)作用負(fù)載最大的主軸情況調(diào)節(jié)進(jìn)給速率。

（3）優(yōu)銑器的兩種操作方法①預(yù)先設(shè)置方法（缺省方法）。當(dāng)采用這種方法的時(shí)候，優(yōu)銑器內(nèi)部的專家系統(tǒng)使用用戶輸入的操作參數(shù)計(jì)算出每步走刀的最大負(fù)載容許值，并且通過對整個(gè)走刀過程連續(xù)地優(yōu)化實(shí)際進(jìn)給速率來達(dá)到這一負(fù)載。②訓(xùn)練方法這個(gè)方法包括“學(xué)習(xí)”和“再學(xué)習(xí)”兩個(gè)階段，以備特殊情況之用，包括夾具問題、特殊的刀具、應(yīng)用舊刀具和在優(yōu)銑器的材料庫中不包含的特殊工件材料。

在每步走刀的學(xué)習(xí)階段，優(yōu)銑器不進(jìn)行自適應(yīng)的進(jìn)給速率控制。根據(jù)程序設(shè)定的進(jìn)給速率，系統(tǒng)僅僅監(jiān)測負(fù)載的變化，并記下了在這步走刀中所能達(dá)到的最大負(fù)載。這個(gè)學(xué)習(xí)到的最大負(fù)載值于是被應(yīng)用在了“再學(xué)習(xí)”階段（見圖3），這樣在什么地方檢測到的負(fù)載最大，自適應(yīng)控制下的進(jìn)給速率在這個(gè)地方就等于程序設(shè)定的進(jìn)給速率的100％。結(jié)果在負(fù)荷比較輕的情況下，切削的速度就比程序設(shè)定的進(jìn)給速率高。在最大負(fù)載點(diǎn)優(yōu)銑器將以程序設(shè)定的進(jìn)給速率進(jìn)行切削。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

近幾年來，我們針對不同的零件進(jìn)行了切削試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：在粗加工中工件毛坯去除量較大，零件精度要求一般相對較低，使用優(yōu)銑器的優(yōu)化效果比較好；精加工中，由于已經(jīng)考慮到對零件精度的要求，所留的加工余量比較均勻，切削載荷變化不大，優(yōu)化效果不一定十分明顯。一般來說，在粗加工和半精加工中，當(dāng)材料切削量變化、材料硬度變化或工件表面有較大變化時(shí)，自適應(yīng)控制是非常有效的。在典型切削工況下，根據(jù)加工情況的不同，加工周期可縮短10％～40％。

使用優(yōu)銑器時(shí)，我們認(rèn)為還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）首先必須從刀具的選擇人手，建議盡可能選用硬質(zhì)合金刀具等先進(jìn)刀具。因?yàn)橥瑯右?guī)格的高速鋼刀具與硬度合金刀具相比，其允許的切削速度相差幾十倍，主軸轉(zhuǎn)速也相差很多。從刀具壽命上看，高速鋼刀具的壽命較低。選用高速鋼刀具來提高機(jī)床加工效率是非常困難的。#p#分頁標(biāo)題#e#

（2）一般來說采用刀具供應(yīng)商推薦的參數(shù)值是一個(gè)選用上限值。超過推薦參數(shù)值，會(huì)縮短刀具壽命，增加刀具成本；低于推薦數(shù)值過多，刀具的性能得不到充分發(fā)揮。

（3）數(shù)控機(jī)床刀軸具有功率轉(zhuǎn)矩特性，在一個(gè)特定轉(zhuǎn)速下，機(jī)床為恒扭矩輸出，輸出功率逐漸增大，到達(dá)該轉(zhuǎn)速以后，機(jī)床為恒功率輸出。在使用優(yōu)銑器時(shí)，一旦刀具切削參數(shù)確定以后，必須驗(yàn)證切削參數(shù)是否在機(jī)床所能輸出的功率和轉(zhuǎn)矩的范圍之內(nèi)。優(yōu)銑器輸出的功率轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)與被優(yōu)化的刀軸電動(dòng)機(jī)特性相匹配，以防止過載。