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提高数控加工效率与潜能的研究(二)

2017/9/29    来源:互联网    作者:王华侨  张颖  孙焕军      
关键字:数控加工  设备潜能  刀具管理  工艺试验  后处理程序开发  仿真模拟  
提高数控机床加工的效率和潜能一直是各企业所追求的目标。针对军工企业现有数控机床应用潜能发挥所存在的共性问题,通过开展提高数控加工效能关键技术的研究,挖掘数控机床设备潜能、发挥机床的性能,提高现有数控机床的有限切削时间比例、产品数控加工效率、产品质量和检测效率,探索出提高数控加工效能的模式。

    3.5 数控加工产品的高效检测

    由于研制产品的加工状态变化较快,无法收集用于统计分析的样品数据,在方法优选上存在一定的困难。因此,考虑采用先进的测量设备,如三坐标测量机、柔臂测量机、气浮量仪、便携式粗糙度仪及万能工具显微镜等检测设备投入到了生产现场,实现了在线检测,并配合制作检验工装的方式来提高检验质量和效率。

    柔臂测量机是一种便携式三坐标测量机,它使用方便,操作简单,能直接出具检测报告,主要用于生产现场的在线测量。如通用几何元素形位公差的测量、曲线曲面测量与扫描、逆向工程应用等。某舱段数控加工检测情况统计见表1。从记录情况可以看出,其检验效率提高37.5倍。

    表1 某舱段工作量的情况对比统计表

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    3.6 数控机床优化切削系统

    通常数控机床在加工中都是以程序设定的恒进给率进行,面对实际切削条件的变化,机床本身不能进行灵活的自动调节,如切削深度与切削宽度的变化、工件材料硬度不均匀、切削过程中刀具磨损、设备不稳定性等。数控机床识别和处理切削过程中不可预知的,模糊和不确定性情况的能力低下,为避免或减少机床加工中可能出现的异常,在实际加工时切削参数选择一般都比较保守,或通过人工的经验进行的调节,通过这种经验的方式难以应对千变万化的切削状态,因而不利于数控潜力和切削效率的提高。

    数控机床加工时刀具与材料之间的冲击、切削深度过大、材料中存在硬块、刀具磨损过度、冷却液供给中断等会使主轴负载突然增大,进而极有可能导致刀具破损。通过优化切削控制系统,机床进给率会自动地减少到安全范围内的最大允许值,以防止刀具破损。OMAT采用的切削过程实时监测,最优进给速率的计算以及用计算所得的最优进给速率对切削过程进行实时控制。因此尤其擅长解决粗加工占加工比例比较大、工件表面状况变化比较大而且变化幅度也比较大的情况,为优化程序提供依据。该系统在提高加工效率的同时可有效解决加工过程中刀具磨损的监测,为刀具磨损进行自动进给调节、主轴驱动保护、刀具与零件的冲击保护等,图8为优化切削系统运行的原理图。

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    图8 优化切削系统原理图

    针对现有普通数控铣床特性,通过引进集成OMAT数控优化切削系统到中低速数控机床,结合其主轴切削功率与扭矩、刀具振动冲击状况,实现机床的高效率自适应切削。利用OMAT系统,通过对切削过程中刀具、主轴功率和负荷的实时监测,用最优的进给速率对切削过程进行控制,提高数控机床加工效率,并对机床、刀具、工件进行保护。课题研究通过选择一台转速在10000rpm的加工中心,安装该优铣控制系统,通过该系统进行进给速率调整,从而提高加工效率、优化数控程序。

    从实际应用情况来看,工艺人员给定的进给速度值是以加工中最大的负载境况给定的,然而实际处于一次走刀中的最大负载的位置只占实际生产时间的5%~15%,绝大多数时间机床是处于非饱和加工状态。应用OMAT自适应控制器实时优化进给速度,使机床加工状态始终处于饱和状态。从切削实际应用情况来看,优控系统提高加工效率可达15%~30%以上,最高可达到40%~50%。应用优铣控制器进行了某产品的加工,从表2可以看出,原零件总加工时间为3799s,使用优铣控制器后加工时间为3372s,表面质量较好,且零件粗加工时效率提高26.79%。优切控制系统能根据加工状态的变化实时调整进给速度,从而保护刀具、主轴和工件质量,提高产品加工效率,优化加工程序,具有较大的经济效益和应用价值。如同时与铝合金极限切削参数研究配合,意义更加明显。

    表2 端框切削情况记录表

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    3.7 铝合金极限切削参数

    由于目前国内没有成熟的铝合金数控加工极限切削工艺参数可利用,因此结合不同档次和性能的数控机床,不同结构特征的铝合金零件,在保证产品质量的前提下,摸索出铝合金材料数控加工极限切削工艺参数,达到最大材料去除率,解决了数控加工铝合金切削参数不合理和效率低的现象。

    试验材料为铝合金2A12和2A14,数控设备选用主轴转速在20000r/min以上的高速铣削加工中心,和主轴转速在10000r/min以下的普通加工中心。主要针对切削参数中的切削速度、进给量和吃刀量进行研究。极限切削参数是针对一定的机床、一定的刀具和一定的加工材料,在满足零件加工品质的前提下,使材料的切除率达到最大的一组切削参数。而对具体情况来说,刀具的种类是有限的,几把常用的刀具基本上能完成90%的加工量,在这种情况下,利用正交试验法和切削试验来获取这些刀具的正确切削参数是比较现实的手段。

    正交试验方法是利用数理统计学的正交性原理,从大量试验点中挑选出具有代表性、典型性的试验点。对加工效率影响的主要因素有主轴转速、进给量及切削深度,因此选择该3个主要因素作为切削试验的因素。试验在一定机床、刀柄、刀具、刀具长度、工件材料、切削宽度和轴向进给量的组合下,找到了平稳切削的最佳转速,它的转速并没有达到最高。所以说提高金属切除率,一味地提高转速是不现实的,只有找到一组比较合理的参数组合才是最实际的。试验建立的一组铝合金极限切削参数如表3所示。针对不同的目标如最大金属去除率,从表中选择一组最合理的参数是具有非常现实意义的。在切削加工时,使用切削数据库推荐的、经过优化的切削用量,可显著提高工件的加工质量和生产效率,降低加工成本。

    表3 铝合金极限切削参数表

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责任编辑:张纯子
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