金属复合材料机械加工设备浅议
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摘要：随着工业生产科技的发展，近年来工业领域在材料的生产加工方面已经大规模的应用了数控加工设备，新设备、新技术的引入极大的提升了工厂的生产加工效率，降低了加工成本。当然，新型的数控机械设备的引入也提高了操作难度，尤其在设备切削参数方面，需要编程技术人员更加合理的应用数控程序，才能进一步提升加工的质量。很多工厂为了保证切削加工的质量，也在大面积的推进切削数据库的开发，但是随着当前金属材料生产加工要求的提高，很多开设的切削数据库由于缺少进化机制，导致原有的切削参数老化，无法为当前的切削加工作业提供有效指导。基于此，文章以铣削加工为研究对象，针对生产加工时如何对切削参数进行优化设置，在不断优化数据程序的基础上保证切削作业的质量。
在数控加工技术被广泛应用到工业、机械制造行业之后，数控铣削成为了众多复杂零件的主要加工方式，通过数据编程与数控设备相互结合的方法，来对精密化的零件材料进行加工，提高了当前机械制造业的生产加工效率。但是为了进一步适配当前市场中的需求，提高更高质量的零件材料，分析研究更高质量的数控程序也是技术人员必须要关注的课题。因此在切削的过程中，需要控制的变化因素，不仅是材料零件的工艺，还会包括到使用刀具的尺寸、走刀路径、切削用量等因素，这些都会影响到材料加工的质量效率。尤其在针对当前一些复杂化的机械材料，会出现一些复杂的曲面零件，就需要借助到数控加工设备中的零件程序的辅助，选择合理的切削参数，这些都是保障作业质量的重要因素。
1分析优化切削参数的重要意义
在机械工程的发展历史当中，机械制造业中切削数据库占据十分重要的地位，近年来，在我国的工业体系发展进程当中，国内已经建立了基础性的技术切削数据库。通常情况下，最开始的切削数据的设置都是通过大量的实践来建立的，实验所需要的条件一般都是当前的加工中所需要的基础条件，所以在技术设备更新之后，以往的参数就需要重新的优化设计，因此切削数据库一旦建设生成之后，更新就较为困难，一些以前的数据库不得不面临数据老化无法使用，如果切削数据无法随着技术设备的更新而更新，就会无法对材料零件的生产加工起到指导意义，也会造成很大的资源浪费。随着市场发展，当前很多制造业工厂内部的技术设备也在不断革新进步，如果不对相应的切削参数进行同步的优化设置，反而会影响到后续材料生产加工的效率和质量。基于上述因素，优化机械设备选择和切削参数的设置，都将是制造业企业必须要面对的问题，而其中的重要作用和意义在于：第一，通过合理选择机械加工器具，优化切削参数，可以使技术人员在设备技术更新的同时，也能使用相匹配的数据程序，保证生产加工的效率和质量不会受到影响；第二，在考虑切削参数的数据编程过程中，可以对数据模型和算法进行同步的探究优化，使得编程数据与切削加工之间的关系更加明确；第三，优化数据模型和切削参数，可以有效减少机床设备的切削时间，提高生产加工效率，同时也能减少加工材料的浪费。总的来看，切削参数是随着技术设备革新而需要不断优化改变的资源，当前阶段，国内的工业体系面临着产业升级的阶段，需要解决的切削参数优化问题也很多，很多的关键技术节点还需要技术人员不断的探索优化，通过长期的研究分析，才能逐步改善数据参数的有效性。
2设备选择和切削参数的研究现状
在金属复合材料的加工过程中，切削加工成为了现阶段最为可行的加工方法，很多工厂中使用切削的加工量已经占据了工作量的一半，绝大多数的材料零件都是通过切削的方式来进行生产加工的。但是，当前切削加工的质量效率依旧是需要优化解决的重要研究内容。合理的选择切削数据和设备可以提升效率，在一些传统的零件加工中，涉及到批量生产时，需要工艺试验来制定切削的具体参数，而对于单件的零件产品，则需要技术人员自身的经验和操作来试切，最终是否能得到有效成品，取决于技术人员的水平。而在这些试验的过程中，就不可避免的出现大量的残次品、废品等，所以当前大量工厂都在对于如何优化使用UG、CAM等软件进行研究。切削参数的合理确定，会直接影响到工厂的成本消耗、生产效率、质量、利润等，但是往往切削参数的设置会受制于很多内外界因素的影响，比如对于加工要求、材料性质、刀具选择使用、机床的精度和性能、技术人员专业水平等，这些都会直接影响切削参数的设计制定，所以在优化设置切削参数的过程中，就需要技术人员建立数据模型来优化参数设置，主要涉及到参数设置的三个方面，即设计变量、目标函数、约束条件等，当前切削参数设置优化，较为常用的是线形规划、坐标轮换法、图解法等，切削参数的优化模型为图1所示。
3材料加工中设备选择和切削参数的设置优化
3.1依照材料的加工型面来选择刀具
需要加工的金属材料中，如果出现了凹型的加工表面，就应该在精加工或者是半精加工中选择球头刀来保证良好的加工表面，如果是粗加工就可以选择平端立铣刀；如果加工的型面是凸形表面，就需要在粗加工的过程中使用圆鼻立铣刀，因为圆角铣刀的几何条件往往是比平端立铣刀适合。在精加工的过程中，使用的一些刀具半径应该要小于被加工零件的圆角半径，尤其在一些零件的拐角处，需要选择半径低于拐角半径的刀具来对圆弧来进行插补，这样就可以保证一些直线的插补过程不会出现过切的问题而导致材料损坏。
3.2刀具的选择要依照从大到小的原则
针对一些复杂零件，其中会包含到很多表面类型，尤其在一些复杂曲面零件的加工过程中，一把刀具往往是无法完成整个零件加工过程的，所以在刀具的选择方面，要尽量选择直径较大的刀具，无论是针对精加工或者是粗加工，这是由于在加工过程中，半径越小的刀具所需要走过的加工路径就会越长，使得加工效率降低，而且半径较小的刀具在磨损方面也会更多。（1）面铣刀的使用选择。面铣刀作为刀具中应用较多的一种，切削量也是所有刀具中最大的一种类别。其主要优点在于切削量大，所以加工效率要高出其它刀具，而且加工后的材料零件表面较为光滑，不会过于粗糙，同时也会拥有耐高温的特点，所以也是常常会被用到六面体和一些大面台阶的材料工件当中。如果使用面铣刀来加工一些粗模具或者是模穴槽时，要注意不能使用垂直下刀或者是斜向进刀、螺旋进刀的方式来进行加工，这样的进刀方式较为容易损害机台主轴，导致机台内部器械的使用寿命缩短，所以一般是需要从工件的外部选择侧进刀的铣削加工方式。（2）粗铣刀。一般是为工件成型而使用的刀具，主要的特点优势在于切削量较大，吃刀深，切削过程中遭遇的阻力较小，多数情况下是用于铣台阶、插孔等工件的加工使用。（3）精铣刀。精铣刀一般都是用于精细化加工中所使用的刀具，使用这类刀具加工后，工件的表面一般会较为光滑平整，而且加工的尺寸精度较高，在一些工件快要成型作为加工最后过程时使用这类刀具，可以最大限度保证加工零件的外观、尺寸合理，所以精铣刀一般都是会用于模仁、模座等工件的精加工当中。（4）舍弃式铣刀。这种刀具的使用一般都会采用到高转速、高速率的情况，是轻切削中常用的加工方式，一般这类刀具在NC课程中使用情况较多。刀具本身也会被分为粗、细两种类型，粗刀一般都会被用作为逃料，细刀是用与精修工件的底面。（5）切削用量的考虑。切削深度一般是指的一次进给量中切削工件的表面层度，多数情况下是用毫米作为深度单位。通常会由于机床刚性和刀具强度的问题，在一些材料零件加工的过程中，也会根据刀具的品牌、材料零件的性质来考虑切削深度。在切削加工的过程中还需要预留一些位置，大约在0.4mm～1.2mm，即使在精加工的过程中，也是会根据刀具的品牌，尺寸精度来预留加工余量，大约控制在0.02mm～0.05mm的距离，精加工的过程中需要注意一般是修底不修边、修边不修低的加工原则。
3.3在零件粗加工过程中尽量选择圆鼻铣刀
由于圆鼻铣刀的特性，使其可以在切削的过程中，刀刃角度与零件接触时可以产生90°的范围变化，可以在加工的范围内使用出较为连续化的切削力变化，使得加工过程更加具有灵活性，这样更加有利于加工质量的提升，也可以保证刀具寿命的延长，而且，粗加工的过程中使用圆鼻铣刀，切削条件会比使用球头刀效果更好。
3.4切削参数的设置优化
上文已经明确切削参数的设置对于材料零件加工的重要性，尤其对于加工质量和效率会起到极大影响，如在CAM软件当中，需要控制的切削参数主要是关于主轴转速、刀具切入时的深度和宽度等。（1）主轴转速的设置。在控制机床主轴转速时，一般是会参考到切削速度来进行计算设置，常用的计算公式主要是n=1000VC/πd，其中d代表的是刀具的直径，vc表示的是切削的速度。在加工过程中，刀具的切削速度选择常常又会是与刀具的耐用性相关，一旦所用的材料、刀具和加工结构明确之后，切削的速度就会直接成为影响刀具耐用度的因素，不适合的切削速度会直接降低刀具的使用寿命，尤其在一些材料磨具的精加工过程中，需要避免在加工途中换刀，否则会影响到加工质量。主轴转速中进给量的各个因素：T=0.3D，T是指每一刀在Z轴的下降深度；P=0.7D，P是指每一刀的进刀量。在T=R2以下=0.2mm，R3以下=0.5mm，P=0.1D，所以最后的速度F=S*FZ*Z，FZ指的是每齿的切削量，Z指的是齿数，F指的是进给率。当然不同的程序中，公式也可能不一，还有的公式显示的是：F=nzf，这个公式中，n指的是主轴转速，z指的是铣刀齿数，f指的是每齿的进给量，每齿进给量的设置也是会根据材料的性质、刀具的品质和结构来考虑，通常都是工件强度越高，那么每齿进给量也就越小，技术人员需要结合实际加工需求来考虑参数设置。（2）加工进给速度和刀具切入。在进给速度的选择方面，这类因素会直接影响到零件在加工之后表面的光滑度和精度，常用的参数设计公式为f=nzf，其中的n代表的是主轴转速、z为铣刀齿数、f为每齿的进给量，影响到每齿进给量的因素很多，主要在加工的过程中要考虑其中的刀具材料、铣刀结构、力学性能的因素。如果使用的材料工件本身的强度越可靠，那么需要的每齿进给量也会越小；而对于一些合金铣刀，其硬度可靠性相比于传统的钢铣刀而言就会更高；如果材料加工中对于精度和表明加工精细度的要求越高，进给量的设置就应该着重考虑适当的降低。（3）吃刀量和步距宽度的设置。数控加工在针对一些曲面零件材料时，由于不同零件曲面的曲率、半径都会有不同的差异，所以加工起来十分复杂繁琐，所以需要与平面铣削加工方式相区分。比如在对于一些毛坯材料加工的过程中，尽量使用分层切削的方式，其中每层选用环形走刀或者是利用层间螺旋下刀的方式。角度在取值方面应该选择小于15°，取刀的深度需要控制在材料总长度的10%以内，每层材料的步距还需要根据模具的大小情况来设置，通常都是控制在刀具直径的70%左右。选择较小的切削量和快速的进给速度，以此保证材料工件的质量，针对一些复杂的材料模型，要选择合适的刀具来分别开展加工，保证加工效率。吃刀量的大小程度还会受到工件、机床、刀具方面的影响，所以在实际加工选择时，需要考虑这些器具要尽量满足加工工艺、刚度方面的需要，加工时要选择最大的吃刀量，以此来保证加工效率和质量。而且为了保证加工精度、零件表面粗糙度能够符合加工要求，就需要保证一定的加工余量，在一些粗加工过程中，余量的切除通常是使用层切的方式，再利用CAM编程设计，这就需要技术人员根据情况来考虑刀具的具体切削深度与最大步距宽度问题，这些数据设置会直接影响到工件的成形形状。精加工的过程中，要选择合适的吃刀量，而通常吃刀量的设置都是需要考虑到零件表面粗糙度的，在使用CAM编程的情况下，一般程序中会提供两类参数来控制表面的粗糙度，主要关于残留高度和步距宽度。在编程时，控制步距宽度会进一步影响加工零件表面的粗糙度，通常是步距宽度越小，最后成型的零件表面粗糙度越小，不过由于设置问题会导致加工效率降低，进一步延长加工的时间，所以在实际加工中，还需要考虑到加工需求，尽量不要将步距宽度设置的太低。在实际加工过程中，可以调整到半精加工的方式或利用精加工的方式来调整走刀路径，以此来改善加工零件的表面状态，如果使用残留高度来控制零件加工表面的粗糙程度，那么布局宽度就会根据工件的形状来自动进行调整。（4）切削速度的考虑。切削速度一般是指主轴刀具在旋转时的线速度。切削速度的设置会受到刀具本身的品质和材料零件的性质、耐用度、加工条件、冷却条件的影响。一般高速钢的切削速度都是设置在20m/min～130m/min，硬质合金的切削速度一般设置在20m/min～160m/min，钨钢的切削速度一般控制在30m/min～150m/min，根据材料性质的不同，切削的速度也会根据实际情况进行适当的调整。进给量的控制：一般是指在一分钟的情况下，刀具沿着进给的方向发生位移的距离，而影响进给量的因素主要为刀具强度、机床性能、加工精度控制以及零件表面光滑度，这些因素的叠加也会直接影响到进给量的控制，通常加工机床的进给量都是控制在30mm/min～1400mm/min，一些高速和性能精良的加工机床，可以达到150mm/min～2000mm/min。
4结语
总的来看，在零件材料加工过程中，影响切削参数的因素主要为刀具、机床性能、工件环境等，各个因素对于切削参数都会产生不同程度的影响，文章在总结了部分影响切削参数的因素之上，对于切削使用的刀具、工件材料等因素进行分析，明确其对切削参数产生的具体影响。未来机械加工将会不断朝着高精度、高效率方向发展，在对技术设备不断优化的同时，还需要重点关注切削数据模型的建立使用，促进材料零件加工质量和效率提升。
作者:张立荣 单位:唐山工业职业技术学院
