浅析数控铣削加工参数在线优化技术

从多数企业数控机床使用的现状而言，切削参数的选择是困扰数控加工的一个大问题。目前，数控加工切削参数的选用尚无标准可循，其选用受到个人技术水平影响甚大。这是因为切削过程中，工件材质硬度的变化、切削深度的不同、刀具磨损状况、切削液流量变化等因素，都将导致实际切削工况偏离理想状态。而这种偏离程度也不是保持在一个稳定的水平上。为了避免或减少这种偏离对刀具、对加工工件质量的影响，
数控编程人员在实际工作中往往采用比较保守的参数设置，来应对复杂、多变的切削加工。即使在大量使用数控机床的企业，也存在着工艺管理水平不高，缺乏典型零件NC加工工艺指导文件和NC切削参数等突出问题。实践证明，正确合理地选择切削参数和优化切削过程，对确保产品质量、提高生产率，降低制造成本、保证数控机床安全运行和提高综合效益是十分重要的。

1.CNC加工优化技术难题

优化NC程序的作用可以概括为：加工时问优化、加工路径优化、切削条件优化等等。加工时问优化是生产中遇到最多的情况。例如使用φ12mm立铣刀铣削图1所示零件。从图1中可以看到，加工时长、短边的材料去除率是不一样的。也就是讲，如果给定一个切削进给速度，则刀轴切削载荷是不一样的。铣削短边时，材料去除率高，刀具切削载荷大；而铣削长边时，材料去除率低，刀具切削载荷小。既然刀轴能正常铣削掉短边的材料(设定此时刀轴切削载荷为100％)，则铣削长边时刀轴则没有发挥出全部功率，尚有提高生产效率的余地。

为了提高加工效率，编程者可以考虑到使铣四边时的刀轴切削载荷都保持一个较高的水平。如将铣短边的进给速度设为120mm/min，铣长边的进给速度设为160mm/min，这样可以缩短铣削时间。

简单的二维轮廓加工，为尽可能使材料等体积去除率保持在较好水平上，可以通过手工编写在不同线段的进给速度。然而，在较复杂的二维加工中，由编程者来考虑如何分配进给速度，其工作量是很大的，即使在NC程序中分别编辑不同的进给速度，实际刀轴切削载荷也会有较大波动。若要人工在三维零件的NC程序中为每个切削程序段分配不同的进给速度，将是一件很困难的事。

CNC机床的加工过程受加工形状和切削状况的限制。这样，在每个加工阶段，必须采用程序设定的转速和进给速率，没有足够的灵活性以适应加工时的动态变化。实际上，由于以下几个方面的原因，切削条件倾向于动态变化。这些原因包括：

(1)无论胚料还是棒料、锻件还是铸件，工件表面经常不平整。

(2)加工中刀具逐渐磨损。

(3)工件间材料不同和工件内材料硬度不均匀，产生硬点和软点。

(4)工件的形状、尺寸变化。

(5)加工中冷却效果不同产生表面硬度变化。

研究切削参数和加工刀具轨迹优化的目的就是使数控机床发挥出最优的加工效率，使产品具有最佳的加工品质。切削参数与刀具寿命、机床参数(主轴转速、功率、转矩)等因素有关。考虑到以上原因，为保证加工安全，程序员除了采取最保守的切削参数外别无选择，这就导致加工效率降低。相反，想要缩短加工时间，程序员不得不设定较大的加工参数，这样会导致对刀具工件和机床的破坏。无论数控程序多么优化，它们不能把加工中的动态变化考虑进去，远不能满足根据实际切削情况来实时调整切削参数的需要。

2.OMAT机床自适应系统

日益加剧的市场竞争要求急剧降低成本，这就要求生产者减少不必要的成本消耗，包括：加工时间、机床保养、维护成本、刀具费用和长交货周期的费用。自适应系统中采用的实时最优化技术在解决这些经济问题时是不可缺少的。高效自适应控制系统是根据连续检测到的切削参数，对加工过程实现实时完全优化，使CNC机床发挥出最大潜力，刀具寿命达到最高。

20世纪90年代初期，0MAT公司开始把自适应控制技术应用到数控加工过程中，即把自适应控制技术与0MAT公司总结出的金属加工专家系统结合起来。O-MAT机床自适应系统最大的特点是根据特定主轴和工件材料的大部分参数，可以实现实时最优进给，这些参数可以被输入，也可以来自外来的刀具目录，操作者不需要知道具体负载极限，对每把刀具，内部专家系统已经确定了它的负载极限。如果将0MAT自适应控制器(优铣控制器OptiMil-XL，优车控制器0ptiTurn-XL，优钻控制器OptiDrill-XL)直接安装到数控机床上，实时监测切削状况并把每一步走刀的进给速率自动地调节到最合适的数值，这就保证了恒定的切削负载，这个恒定的负载是考虑到了切削条件的变化而得到的，从而保证加工时间最短以及刀具、机床所允许的最大能力工作。O-MAT的OptiMonitor-XL(监测控制器)连续地监测切削过程，只有在过载情况下才动作(停机或和报警)。

此外，0MAT机床自适应系统还允许NC程序员更大胆，像使用新刀具一样来设定进给速率，根据刀具磨损程度，进给速率被相应调节，所以，加工中系统可自动进行刀具监测并将监测结果应用于进给。同时，系统也给操作者适时换下磨损的刀具，从而不会产生刀具断裂或过早的更换刀具。0MAT机床自适应系统不仅可以检测刀具磨损，还能通过对主轴负载的监测及相应调节进给倍率，达到保护刀具，减少废料和减少重复工作时间的目的。当切削中出现急剧超载时，报警系统发出警报，必要时自动停止机床。

3.OptiMil-XL优铣器功能

下面以OptiMil-XL优铣器为例，说明OptiMil-XL优铣器的工作原理及使用方法。

(1) OptiMil-XL优铣器的工作原理　在OptiMil-XL优铣器(以下简称优铣器)中储存了每一步切削加工参数，这些切削参数用一个惟一的加工代码来标识。切削参数按工序进行编组。对于每把将由优铣器控制或监测的刀具，准备好加工操作所需要设置的参数。这些参数可以通过优铣器上的键盘输入到优铣器的储存器中，与NC程序相对应，设置新的工序或选择已有的工序。让优铣器进人自动模式，然后在机床上运行NC序。在此模式下优铣器已经准备好接受来自NC序的命令，以启动其自适应控制功能或监测特性。

(2)优铣器的主要特性　图2说明了优铣器控制的铣削过程。在优铣器控制的铣削过程中，当切削状态超过正常范围时，将切削进给倍率减小到低于加工程序设定值以下，并在必要的时候将机床停车，避免对切削刀具、工件和机床造成损坏。而当切削状态允许节约时间时，优铣器就增加进给倍率使其高于加工程序设定值。最终结果相当于得到一个最优的平均进给倍率，这个进给倍率要比加工程序设定的进给率效率高。在多轴机床的情况下，优铣器连续检测每个主轴上的负载，然后根据作用负载最大的主轴情况调节进给速率。

(3)优铣器的两种操作方法①预先设置方法(缺省方法)。当采用这种方法的时候，优铣器内部的专家系统使用用户输入的操作参数计算出每步走刀的最大负载容许值，并且通过对整个走刀过程连续地优化实际进给速率来达到这一负载。②训练方法这个方法包括“学习”和“再学习”两个阶段，以备特殊情况之用，包括夹具问题、特殊的刀具、应用旧刀具和在优铣器的材料库中不包含的特殊工件材料。

在每步走刀的学习阶段，优铣器不进行自适应的进给速率控制。根据程序设定的进给速率，系统仅仅监测负载的变化，并记下了在这步走刀中所能达到的最大负载。这个学习到的最大负载值于是被应用在了“再学习”阶段(见图3)，这样在什么地方检测到的负载最大，自适应控制下的进给速率在这个地方就等于程序设定的进给速率的100％。结果在负荷比较轻的情况下，切削的速度就比程序设定的进给速率高。在最大负载点优铣器将以程序设定的进给速率进行切削。

4.实验结论

近几年来，我们针对不同的零件进行了切削试验，通过试验数据证明：在粗加工中工件毛坯去除量较大，零件精度要求一般相对较低，使用优铣器的优化效果比较好；精加工中，由于已经考虑到对零件精度的要求，所留的加工余量比较均匀，切削载荷变化不大，优化效果不一定十分明显。一般来说，在粗加工和半精加工中，当材料切削量变化、材料硬度变化或工件表面有较大变化时，自适应控制是非常有效的。在典型切削工况下，根据加工情况的不同，加工周期可缩短10％～40％。

使用优铣器时，我们认为还应注意以下几点：

(1)首先必须从刀具的选择人手，建议尽可能选用硬质合金刀具等先进刀具。因为同样规格的高速钢刀具与硬度合金刀具相比，其允许的切削速度相差几十倍，主轴转速也相差很多。从刀具寿命上看，高速钢刀具的寿命较低。选用高速钢刀具来提高机床加工效率是非常困难的。

(2)一般来说采用刀具供应商推荐的参数值是一个选用上限值。超过推荐参数值，会缩短刀具寿命，增加刀具成本；低于推荐数值过多，刀具的性能得不到充分发挥。

(3)数控机床刀轴具有功率转矩特性，在一个特定转速下，机床为恒扭矩输出，输出功率逐渐增大，到达该转速以后，机床为恒功率输出。在使用优铣器时，一旦刀具切削参数确定以后，必须验证切削参数是否在机床所能输出的功率和转矩的范围之内。优铣器输出的功率转矩特性应与被优化的刀轴电动机特性相匹配，以防止过载。