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1、加工过程优化过程优化 Economics机电及自动化学院机电及自动化学院 机制专业 专业课 老师：黄辉老师：黄辉 2010年12月主要内容刀具合理几何参数的选择切削用量的选择切削用量的选择金属切削过程最佳化刀具的合理几何参数刀具合理几何参数是指在保证加工质量 和刀具寿命的前提下，能够获得最高刀 具耐用度，从而能够达到提高切削效率 ，降低生产成本的几何参数。刀具合理几何参数包括：刀具切削角度 切削刃的形状（直线形折线形圆、切削刃的形状（直线形、折线形、圆 弧形）、刀面型式（平前刀面、带倒棱 的前刀面带卷屑槽的前刀面）的前刀面、带卷屑槽的前刀面）前角的选择刀具材料的强度及韧性较高时可选择较大的前
2、角 刀具的前角与工件材料的种类和性质有关刀具的前角与工件材料的种类和性质有关加工塑性材料时，应选较大的前角；加工脆性材料 时，应选较小的前角时，应选较小的前角。工件材料的强度或硬度较小时，切削力不大，刀具 不易崩刃，对刀具强固的要求较低，宜选较大的前 角角。用硬质合金车刀加工强度很大金属时，从刀具破损 的角度，常选用负前角。选择合理的前角还要考虑具体加工条件：粗加 工宜选小前角，精加工宜选大前角，机床刚性 差宜选大前角自动机床上为了保证刀具差，宜选大前角，自动机床上，为了保证刀具 切削性能稳定，宜选小前角。后角的选择增大后角可减小弹性恢复层与后刀面的接触长 度，可减小后刀面的摩擦与磨损。后角增
3、大，楔角减小，刀刃易切入工件，可减后角增大楔角减小刀刃易切入件可减 小工件表面的弹性恢复，在后刀面磨损标准VB相同时，后角较大的刀在后刀面磨损标准VB相同时，后角较大的刀 具，用到磨钝时，所磨去的金属体积较大，从 而提高了刀具耐用度。而提高了刀具耐用度。合理后角大小的选择取决于切削厚度的大小合理后角大小的选择取决于切削厚度的大小。主偏角的功用与选择优势： 主偏角减小使切削厚度减小切削宽度增加切削刃长度主偏角减小，使切削厚度减小，切削宽度增加，切削刃长度 增加，单位长度切削刃上的负荷减轻，散热条件改善。主偏角减小，刀尖角增大，刀尖强度提高，刀尖散热体积增 大大。主偏角较小，先是以远离刀尖的地方接
4、触工件，减少了因切 入冲击而造成的刀尖损坏。减小主偏角还可以减小加工表面粗糙度。问题： 减小主偏角会导致径向力增加切削减小主偏角会导致径向力增加，切削 的挠度增大，降低加工精度工艺系统刚性不足时，会引起振 动使得刀具耐用度显著下降动，使得刀具耐用度显著下降， 表面粗糙度增加。副偏角的功用与选择副偏角过小会增加副切削刃参加切削工 作的长度，增大副后刀面与已加工表面 的摩擦和磨损，因此刀具耐用度较低， 同时容易引起振动。副偏角过大会使刀尖强度降低，散热条副偏角过大会使刀尖强度降低，散热条 件恶化，刀具耐用度也较低。使用副偏角为0带有修光刃的刀使用副偏角为0，带有修光刃的刀 具可以获得好的加工表面质
5、量，但 是要求工艺系统刚性必须很好是要求工艺系统刚性必须很好。刃倾角的选择控制切屑流出方向影响刀头强度及断续切削时切削刃上受影响刀头强度及断续切削时切削刃上受 冲击的位置影响切削刃的锋利程度影响切削分力的大小影响切削分力的大小选择刀具合理几何参数的一般选择刀具合理几何参数的般 原则要考虑工件的实际情况：主要是工件材料的化 学成分制造方法热处理状态物理机械性学成分、制造方法、热处理状态、物理机械性 能及毛坯表层情况、工件的形状、尺寸、精度 和表面质量要求等和表面质量要求等。要考虑刀具材料和刀具结构：主要是刀具材料 的化学成分物理机械性能及刀具结构型式的化学成分、物理机械性能及刀具结构型式。要注意
6、各个几何参数之间的联系：刀具的刃形 刃区刀面和角度之间是相互联系的应该、刃区、刀面和角度之间是相互联系的。应该 综合起来考虑它们之间的作用与影响，分别确 定其合理数值。定其合理数值。选择刀具合理几何参数的一般选择刀具合理几何参数的般 原则要考虑具体的加工条件：机床、夹具的情况， 工艺系统刚度及功率大小，切削用量和切削液 性能等。粗加工时，着重考虑保证最长的刀具使用寿命；精加工时，主要考虑保证加工精度和已加工表面质 量的要求；对于自动线生产用的刀具，主要考虑刀具工作的稳 定性有时需要着重解决断屑问题定性，有时需要着重解决断屑问题；机床刚性和动力不足时，刀具应力求锋利，以减小 切削力和振动切削力和
7、振动。切削用量的选择确定具体切削序的切进给量确定具体切削工序的切深ap，进给量f，考虑的因素生产率P=A0v f ap(P.171)0 p ()刀具耐用度:首先尽量选用大的切削深度，然后根据加 工条件和加工要求选取允许的最大进给量最后才在工条件和加工要求选取允许的最大进给量，最后才在 刀具使用寿命或机床功率允许的情况下选取最大的切 削速度削速度。加工质量:从切削力和切削功率来考虑加大进给量比加工质量:从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比 加大切削深度有利。CvvfaAPv3/23/10favvfaAPppf保持不变，ap增至3ap，如仍保持刀具合理的耐 用度，则v必须降为0 7v，此时生产率
8、P3ap2P用度，则v必须降为0.7v，此时生产率P3ap2P ，即生产率提高至2倍。 ap保持不变，f增至3f，如仍保持刀具合理的耐ap保持不变，f增至3f，如仍保持刀具合理的耐 用度，则v必须降为0.5v，此时生产率P3f1.5P ，即生产率提高至1.5倍。即产率提高倍切削速度高过一定的临界值时，生产率反而会 降低。ap增大至某一数值时，因受加工余量的降低p增大某数值时因受加余的 限制而成为常值时，进给量f改变，把切削速度 v增至3v时，此时进给量必须降为0.192f，此时 生产率生产率大为降低生产率P3v0.58P,生产率大为降低。切削用量的合理选择原则根据零件加工余量和粗、精加工要求，
9、 选定切削深度ap。根据加工工艺系统允许的切削力其中根据加工工艺系统允许的切削力，其中 包括机床进给系统、工件刚度以及精加 工的表面粗糙度要求确定进给量f工的表面粗糙度要求，确定进给量f。根据刀具寿命，确定切削速度vc。根据刀具寿命，确定切削速度c所选定的切削用量应该是机床功率允许 的的。度切削深度的选定原则在粗加工时尽可能次切去粗加工全部加工余量即选在粗加工时，尽可能一次切去粗加工全部加工余量，即选 择切削深度值等于粗加工余量值。在毛坯粗大必须切除较多的余量时，应考虑机床-刀具-工在毛坯粗大必须切除较多的余量时，应考虑机床-刀具-工 件的系统刚性和机床的有效功率允许的情况下，尽可能选 取较大
10、的切削深度和最少的进给次数。切削表层有硬皮的铸锻件或切削不锈钢等冷硬较严重的材 料时，应尽量使切削深度超过硬皮或冷硬层厚度，以预防 刀刃过早磨损或破损刀刃过早磨损或破损。在半精加工时，如单面余量h2mm，则应分在两次行程中 切除；第一次约为（2/3-3/4）h；第二次为(1/3-1/4)h。如() h2mm，亦可一次切除。在精加工时，应在一次行程中切除精加工工序余量。给进给量的选定因素切削深度选定之后，进给量直接决定了 切削面积，因而决定了切削力的大小。机床的有效效率和转矩；机床进给机构传动链的强度；工件刚性；件刚性；刀具的强度与刚性； 图纸规定的加工表面粗糙度图纸规定的加工表面粗糙度。度切削
11、速度的选定根据刀具使用寿命来确定切削速度。粗车时，背吃刀量和进给量均较大，故选择 较低的切削速度；精加工时背吃刀量和进给较低的切削速度；精加工时背吃刀量和进给 量均较小，故选择较高的切削速度。 加工材料的强度及硬度较高时应选用较低加工材料的强度及硬度较高时，应选用较低 的切削速度，反之则选较高的切削速度。 刀具材料的切削性能愈好时切削速度也选刀具材料的切削性能愈好时，切削速度也选 得愈高。度切削速度的选定精加工时，应尽量避免积屑瘤和鳞刺产生的 区域。断续切削时，为了减小冲击和热应力，宜适断续切削时为了减小冲击和热应力适 当降低切削速度在易发生振动的情况下，切削速度应避开自在易发生振动的情况下，
12、切削速度应避开自 激振动的临界速度 加工大件细长件和薄壁工件时应选用较加工大件、细长件和薄壁工件时，应选用较 低的切削速度 加工带外皮的工件时应适当降低切削速度加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度金属切削过程的最佳化金属切削过程最佳化就是寻求使加工过 程获得最大经济效益的加工条件，首先 从经济的观点出发选择一个最佳化的目从经济的观点出发选择个最佳化的目 标，通常选最大利润率，最低成本或最 大生产率作为最佳化的目标此外还大生产率作为最佳化的目标。此外，还 要从技术的观点出发，对最佳化的范围 提出些制约条件提出一些制约条件。法金属切削最佳化的方法进行切削过程最佳化的基本方法是从研 究切削过程的基
13、本规律入手，探索最佳 化目标、制约条件与可控变量之间的关化目标、制约条件与可控变量之间的关 系，建立起最佳化目标函数的制约函数 将目标函数和制约函数结合起来构，将目标函数和制约函数结合起来，构 成一个最佳化数学模型，根据这个模型 按定的策略探求目标函数的极值，按一定的策略探求目标函数的极值 ， 从而确定相应的最佳加工条件，即最佳 切削速度、进给量和切削深度。标最佳化目标及其函数利用单件生产时间来表示，最高生产率 目标函数。利用单件生产所需成本表示最低生产利用单件生产所需成本表示，最低生产 成本目标函数。利用单位时间或单件生产获得利润表示 的，最大利润目标函数。的，最大利润目标函数束条约束条件机床方面：机床功率、机床运动参数和 机床薄弱机构的强度和刚性等。刀具方面刀具寿命刀杆强度和刚性刀具方面：刀具寿命，刀杆强度和刚性 、刀片的强度。工件方面：工件强度和刚性、加工表面 粗糙度等。粗糙度等切削数据库是指存储各种加工方法加工各种工程材 料的切削数据。其服务对象是机械制造 工厂。工厂。数据库管理机构进行专门的切削实验；工厂现场收集的实践经验；计算机的模糊断定。谢 谢！谢 谢！
