基于MATLAB的高效數(shù)控銑削加工模型研究

(1.西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710077； 2.西安萬(wàn)威機(jī)械制造股份有限公司，陜西 西安 710065)

數(shù)控粗加工一般以提高生產(chǎn)率為主，同時(shí)需考慮加工成本[1]。加工中心具有高速、高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際中考慮加工安全問(wèn)題，一般選擇較大刀具，采用“大切寬小切深”方式進(jìn)行加工[2]，這一方面增加了加工成本，另一方面也降低了加工效率。如何優(yōu)化切削參數(shù)，提高銑削加工效率，一直是業(yè)內(nèi)人士研究的重點(diǎn)內(nèi)容。本文考慮切削模式對(duì)數(shù)控銑削力和材料去除率的影響，提出了一種實(shí)用的“大切深小切寬”的銑削加工模型，并通過(guò)建模仿真與實(shí)際加工驗(yàn)證，有效提高了加工中心性能。

1 “大切深小切寬” 銑削加工模型

數(shù)控銑削力和材料去除率的模型中都包含切深ap和切寬ae，如圖1所示。立式加工中心結(jié)構(gòu)剛性好，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)8 000 r/min，理論上采用較小的刀具進(jìn)行“大切深小切寬”的強(qiáng)力切削，可以極大地提高數(shù)控機(jī)床的切削效率。

圖1 銑削模型

1.1 “大切深小切寬”數(shù)控銑削力模型

銑削力是銑削加工過(guò)程中刀具為克服對(duì)工件和切屑的擠壓和摩擦而產(chǎn)生的力，是影響零件加工質(zhì)量、加工效率和刀具壽命的重要因素。影響銑削力的因素很多[3-4]， 立式加工中心的銑削力可由式(1)所示的模型進(jìn)行計(jì)算。

(1)

1.2 “大切深小切寬” 材料去除率模型

材料去除率Q是指單位時(shí)間切除材料的體積，是衡量切削效率的重要參數(shù)，一般與切深ap、切寬ae及進(jìn)給速率vf有關(guān)。VMC-V8型立式加工中心的材料去除率可由式(2)所示的模型進(jìn)行計(jì)算[1]。

Q=ap×ae×vf/1 000

(2)

2 MATLAB建模分析

首先基于“大切寬小切深”的加工方式，通過(guò)一組常規(guī)切削參數(shù)，通過(guò)MATLAB編程運(yùn)算得出對(duì)應(yīng)的銑削力[5]；然后在銑削力和其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)定“大切深小切寬”加工方式的切寬， MATLAB編程運(yùn)算出相應(yīng)的切深；最后根據(jù)材料去除率的模型，MATLAB建模計(jì)算得出結(jié)果，并進(jìn)行比較。具體算法流程如圖2所示。

圖2 “大切深小切寬” 銑削加工計(jì)算流程圖

2.1 切削力計(jì)算

根據(jù)數(shù)控銑削力模型， 運(yùn)用MATLAB編寫(xiě)程序，得出 “大切寬小切深”的銑削力數(shù)值組。

2.2 材料去除率計(jì)算

運(yùn)用反求方法，利用上述MATLAB程序運(yùn)行結(jié)果，將表1中切寬參數(shù)ae改為a′e, 并設(shè)a′e=0.15D,其他參數(shù)保持不變，運(yùn)用MATLAB軟件編程并運(yùn)行得出“大切深小切寬”加工方式的切深a′p，進(jìn)一步得出材料去除率Q′。 兩種加工方式的切寬、切深及材料去除率數(shù)值見(jiàn)表2、表3。

表1 粗銑削鋁合金材料的切削參數(shù)

表2 “大切寬小切深”材料去除率

表3 “大切深小切寬”材料去除率

對(duì)兩種加工方式材料去除率進(jìn)行比值運(yùn)算得Q′/Q=1.299 5。可以看出，在銑削力和其他切削參數(shù)不變的條件下，“大切深小切寬”材料去除率是“大切寬小切深”材料去除率的1.3倍，提高了數(shù)銑粗加工的加工效率。

3 數(shù)控銑削加工實(shí)例

為了驗(yàn)證“大切深小切寬”模型的可行性，采用平面銑對(duì)一個(gè)型腔零件進(jìn)行數(shù)控銑削，通過(guò)UG CAM軟件自動(dòng)編程[7-8]，并在VMC-V8型立式加工中心上進(jìn)行了加工驗(yàn)證，對(duì)加工質(zhì)量和加工時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。

3.1 UG CAM自動(dòng)編程

圖3和圖4所示分別為“大切深小切寬”和“大切寬小切深”自動(dòng)編程圖樣，在刀軌設(shè)置中，考慮大切深對(duì)刀具的影響，切削模式采用“擺線”模式，而大切寬加工采用了“跟隨部件”模式，其他切削參數(shù)、非切削參數(shù)、進(jìn)給率和速度設(shè)置基本相同。

圖3 “大切深小切寬”自動(dòng)編程

圖4 “大切寬小切深”自動(dòng)編程

3.2 數(shù)控銑削加工驗(yàn)證

以VMC-V8型立式加工中心為平臺(tái)，采用?10高速鋼立銑刀，工件為鋁件。將NC代碼通過(guò)DNC在線傳輸，采用兩種加工方式完成型腔的開(kāi)粗加工。圖5所示為兩種加工模式的圖樣，對(duì)于粗加工來(lái)說(shuō)，兩種加工方式都符合工藝要求，但從時(shí)間上看，圖5(a)“大切寬小切深”加工用時(shí)3 min 37 s，圖5(b)“大切深小切寬”加工用時(shí)2 min 23 s，能夠節(jié)省1 min 14 s。

圖5 “大切深小切寬”自動(dòng)編程

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了切深和切寬之間的關(guān)系，提出了一種實(shí)用的“大切深小切寬”的銑削加工模型。通過(guò)UG CAM軟件自動(dòng)編程，加工中心實(shí)際加工，效率提高了30%，解決了數(shù)控銑削加工效率難以提高的問(wèn)題。