基于工期约束的铣削参数优化研究

孟凡秋，赵金柱

（1.日照市教育科学研究院，山东日照 276826；2.日照市农业学校，山东日照 276500）

1 引言

在数控铣削加工中，主要考虑的铣削参数有主轴转速、轴向切削深度、进给速度和切削宽度。铣削参数一般通过查阅切削手册进行选择，CNC操作员对选择的参数进行不断试验，从而得出最优的加工参数。但是试验法不仅耗时长、成本高，而且所得结果不可量化，不具有一般性[1]。与传统数控铣削不同，有工期约束的数控铣加工更具有特殊性。需要赶工期的加工过程主要考虑降低铣削时间，而铣削参数的合理选择，直接决定了企业能否在工期规定的时间内高质量地完成工件加工。本文将加工过程分为精加工和粗加工进行研究，粗加工以最低铣削时间为优化目标，精加工兼顾表面质量和最低铣削时间，利用正交试验法，选择不同的切削参数，以获得粗、精加工中不同的的切削参数最优组合。

2 铣削试验方案

2.1 试验条件

本试验采用大连机床集团有限公司生产的VDF-850A数控铣床，刀具采用硬质合金D10四刃平底铣刀。试验材料为方形45钢，尺寸为80×80×50mm，粗加工进行平面铣削，需要去除的材料厚度为10mm。编程方式为自动编程，CAM软件采用Autodesk公司的PowerMill2019版本。

表面质量采用日本三丰Mitutoyo SJ 210型表面粗糙度仪进行测量，每个加工表面任意选择3个位置，每段取样长度为2.5mm，计算其均值。

2.2 铣削参数选择

要在规定时间内完成工件的加工，需要在保证加工质量的同时，提高加工效率。因此，针对粗加工过程，本文以最大生产率为优化目标。最大生产率往往以金属去除率MRR来衡量[2]，即单位时间内去除的最大材料体积，MRR可表示为：

式中ap——轴向切深

ae——切削宽度

f——进给速度，mm/min

MMR越大，铣削时间tm越小。根据上式结合实际加工情况正交试验理论要求[3]，选取轴向切深ap，切削宽度ae，进给速度f为试验控制因子，每个因子选取4个水平，如表1所示。

表1 粗加工控制因子选择表

精加工过程需要在保证表面质量的前提下，提高加工效率。表面质量常用的衡量指标是表面粗糙度值（Ra），根据经验公式：

式中C——修正系数

n——主轴转速

b1、b2、b3、b4——拟合常数

在实际加工中，粗加工余量基本一定，因此本文不将轴向切深作为控制因子。选取主轴转速n，切削宽度ae，进给速度f为试验控制因子，保证工件加工质量（Ra）的前提下，得出铣削时间tm，如表2所示。

表2 精加工控制因子选择表

3 试验结果分析

3.1 基于正交试验的粗加工铣削参数优化

根据表1选择的控制因子，共进行16组实验，为保证试验结果的严谨性和准确性，试验过程中铣床、铣刀、毛坯、材料以及环境温度均一致，结果如表3所示。

表3 粗加工实验结果数据表

通过表3和表4可得，A、B、C 3个控制因子对最大生产率的影响主次顺序为A>B>C，即进给速度影响最大，轴向切削深度次之，切削宽度最小。

表4 均值和极差表

由图1可知，进给速度，轴向切削深度和切削宽度的提高均能降低切削时间，提高生产率。其中，切削深度在4～5mm时，对切削时间的影响较大，大于5mm时，对切削时间影响不大。

综合表3和图1可知，最优参数组合为第14组试验的A4-B2-C3，即进给速度f=1,200mm/min，轴向切深ap=5mm，切削宽度ae=7mm，此时铣削时间为145s。

图1 控制因子对铣削时间影响图

3.2 基于正交试验的精加工铣削参数优化

根据表2中的切削参数，精加工试验得出铣削时间和表面粗糙度数值，试验结果如表5所示。

表5 精加工实验结果数据表

通过表5和表6可得，A、B、C 3个控制因子对最大生产率的影响主次顺序为B>C>A，实际生产中，可通过提高进给速度和切削宽度的方式来降低精加工切削时间，而主轴转速对表面粗糙度的影响较大。表5可知，最佳的参数组合是A2-B4-C3，此时表面粗糙度值Ra1.456μm，能够满足多数工件的表面质量要求。由图2可知，主轴转速对精加工切削时间影响不大，进给速度对切削时间的影响近似成线性，切削宽度大于5mm时，对铣削时间影响较小。

表6 均值和极差表

4 结论

本文立足于工期约束的数控铣加工实际情况，将加工过程分为粗加工和精加工，通过正交试验法研究了切削参数对铣削时间的影响。通过对实验结果的分析得出，粗加工中进给速度对铣削时间的影响最大，切削宽度对铣削时间的影响最小，最优的铣削参数为进给速度f=1,200mm/min，轴向切深ap=5mm，切削宽度ae=7mm，该参数的铣削时间比最高时间降低了75.1%；精加工中在考虑表面粗糙度的前提下，进给速度对铣削时间的影响最大，主轴转速对铣削时间的影响最小，最优的铣削参数为进给速度f=1,200mm/min，主轴转速n=6,000r/min，切削宽度ae=7mm，该参数在保证表面粗糙度值Ra1.456μm的同时，铣削时间比最高时间降低了66.7%。本文在粗加工的研究中主要考虑铣削时间为优化目标，而未对刀具寿命进行系统研究，因此在今后的研究中，可对铣削时间和刀具寿命进行多目标优化，以取得更理想的研究效果。

图2 精加工控制因子对铣削时间影响图