复杂舵机壳体孔系加工参数的优化研究

1　研究背景

根据国际生产工程学会提供的资料，在所有的加工工时中，孔加工操作占22%；在某些机械行业中，钻孔工序可占总工序量的30%～40%；在柔性生产线和加工中心上，钻削工序占总加工时间的30%～35%［1-4］。 对于复杂的舵机壳体零件，孔加工任务更为繁重，甚至占整个零件加工量的80%以上［5-6］。孔加工所占比例虽大，但其效率和高速化却明显滞后于其它切削加工。为了实现零件的高效生产，孔加工技术必须沿着高效率和高速化的方向发展［7-8］。

钻削是应用最为广泛的孔加工工艺之一。钻削加工由于自身经济性和高效性等特点，在机械、电子等生产领域中起重要作用。长期以来，钻削加工的切削参数都是从有关切削手册中查取或凭经验确定的，但在实际生产中，由于所使用的机床、刀具及工件材料等具体条件不同，有时无法凭借手册或经验确定最合理的切削参数，而通过大量试验来获取参数又不经济［9-13］，可见，通过切削参数的理论优化，并配以适当的试验优选，是一种比较经济可行的方法［14］。

笔者结合生产实际，通过优化计算及工艺试验，旨在探索适用于复杂舵机壳体类零件油路孔系高效钻削的切削参数，并建立优化型切削参数库来提高实际生产效率，为数控加工过程的标准化、规范化及自动编程奠定基础。

2　切削参数储备

综合考虑加工设备、加工条件、工件加工精度要求等对切削参数的影响，选取4种工艺加工路线长、油路孔系复杂、涉及数控机床多的复杂舵机壳体作为切削参数统计对象。数据统计对象见图1。

  

▲图1 数据统计对象

2.1　参数收集

参数统计主要针对7050铝合金材料的舵机壳体加工过程展开，数据源于DMG-UCP600、DMU-60P、MAG等多种设备型号，涉及4种壳体12个工序中的孔系加工，表1、表2列举了部分统计结果。

2.2　数据提取

由于生产现场的多因素影响，为减小孔系种类多、刀具种类多对数据分析的影响，最终选取舵机壳体上加工数量多的油路孔钻削加工为切入点，以麻花钻钻削参数为研究重点进行数据提取。将从不同设备上采集的切削参数按油路孔尺寸及加工工艺流程列表汇总，如图2、表3所示。

在活动结束后，我们利用问卷星调研了读者对活动的满意度 [2]。问卷共设置6个题目：通过矩阵题调查读者对活动组织形式、工作人员及持续时间等的满意度，通过多选题调查读者通过活动有哪些收获，通过单项选择题调查读者是否会再次参与活动及宣传推广活动，最后通过两个填空题调研本次活动有哪些不足及读者希望有哪些好的活动形式，为以后活动做铺垫。问卷题目设置比较简单，大致需要两分钟可以完成，共收回57份。

 

表1　舵机壳体30工序、DMU-60P机床孔系加工参数

  

零件信息刀具选用 刀具参数名称 代号 材料 工序号 加工内容 刀具类型循环模式*壳体刀具直径/mm刀具材料露出长度/mm转速/（r·min-1）进给量/（mm·min-1）切削深度/mm孔深/mm****** 7050 T2452 30SX 60P 1.按工序图所示，加工左侧面各孔；……ZXZ 1 硬质合金 54 3 000 60 1 1 Drilling ZT 1.5 高速钢 50 1 500 30 0.5 15.9 Drilling DZT 2 高速钢 38 1 200 40 0.5 15 Drilling CZT 2 高速钢 123 500 30 1 95∶85.01 001.H DZT 2.5 高速钢 37 500 40 1 14 Drilling

 

表2　舵机壳体35工序、DMG-UCP600机床孔系加工参数

  

零件信息刀具选用 刀具参数名称 代号 材料 工序号 加工内容 刀具类型刀具直径/mm刀具材料循环模式ZXZ 3 硬质合金 65 2 000 80 1 2 Drilling ZT 8 高速钢 90 800 50 1 60 Drilling DZT 8 高速钢 130 600 50 1 69.5 001.H CZT 8 高速钢 130 600 50 1 86.1 001.H露出长度/mm转速/（r·min-1）进给量/（mm·min-1）切削深度/mm孔深/mm*壳体****** 7050 T2452 30SX 60P 1.按工序图所示，加工左侧面各孔；……

  

▲图2 油路孔钻削刀具切削参数汇总

2.3　数据分析

为分析经验切削参数，选取源于不同设备上的数据，分析切削参数随刀具露出长度l的变化规律，图3、图4所示分别为φ2、φ5钻头切削参数的变化情况。通过对比发现，生产现场对切削参数进行选用时规律性不强，切削参数的变化与刀具参数的变化相关性差，实际加工过程受编程人员经验影响大。因此，拟对统计数据进行优化研究，以提高生产效率，降低参数波动。

3　研究方法

3.1　理论计算

参考 《切削用量简明手册》和 《机械加工工艺手册》，获得钻削线速度v的计算公式：

由线速度v来计算切削转速S：

从此以后，他们二人便经常私下里约会。二人每每见面，彼此生怕伤了和气，相互说着甜蜜的话语，发着海誓山盟。双方情投意合，感情如胶似漆。

由前文数据统计及分析结果可见，实际加工中切削参数随机性大，存在不合理性，应从理论和实际两方面入手进行切削参数优化，通过理论计算和实际评测为切削参数选择提供理论和实践指导。

 

式中：d0为刀具直径；f为进给量，通过查表获得；T为钻头寿命；k为相关修正因数；C、Z、Y、m为切削用量因数，可根据f的取值从手册中查得。

对于孔径≤φ6，将式（2）代入式（4），得：

1）基于智能手机的师星学堂平台在一定程度上促进了学生课堂的参与度和课下的自主学习。如在学生访问次数上（图1），除了两次课上，学生积极参与课堂活动，访问次数多外，在课下的访问次数也相对较多；从学生上课活动量（图2）和课程任务完成情况（图3）的统计结果可以看出，一些学生能够积极参与课堂活动，也能够在课下及时查看课程学习资料、查看通知、完成学习任务等。

对于孔径≤φ6，线速度为：

1.把好语音关。学生听不懂，很大一部分归结于读不准，没有正确的输入，自然没有有效输出。高一开学伊始，我就让学生重学48个音标，并强化自然拼读的学习，系统地学习语音变化的一些现象，如：连读、弱读、失去爆破、同化等。我将这些语音现象拆分成一个个小的知识点，每节课上课之前学一个知识点，这样既不耽误课程，也不会使学生一下子接受太多产生排斥心理。强化音标学习的同时让学生自己拼读每单元的新单词并在全班带读，这样学生会自己加强语音方面的学习，为后面的听力练习做好准备。

高质量的课堂教学不仅需要科学的设计，同时也需要做好现场生成工作。在信息化背景下很容易出现许多突发现象，这样也就需要教师具备一定的实践能力。为了保证课堂教学的有效开展，教师要运用好信息化设备，提升自身的操作能力，为学生的学习与发展提供服务。教师通过把握好使用信息化设备的方式与时机，以此来保证语文教学的有效开展，结合这一阶段学生的特点，最大限度地提升自身的管理能力，确保课堂教学的顺利进行，提高学生的学习质量。

 

对于孔径＞φ6，将式（3）代入式（4），得：

对于孔径＞φ6，线速度为：

 

 

表3　油路孔钻削刀具切削参数

  

刀具 直径/mm 材料 露出长度/mm转速/（r·min-1）进给量/（mm·min-1）切削深度/mm一级钻深/mm最终深度/mm循环模式ZT 4.6 ZXZ 1 硬质合金 30 1 000 30 1 1 Drilling 1 硬质合金 54 3 000 60 1 1 Drilling 1.5 硬质合金 92 2 000 50 0.5 0.8 Drilling高速钢 40 1 000 30 1 16 Drilling高速钢 38 1 200 40 1 15 Drilling高速钢 55 1 500 50 1 22 Drilling CZT 4.6高速钢 120 1 000 30 0.7 16 90 001.H高速钢 154 600 30 1 15 98 001.H高速钢 90 2 000 50 1 22 55.2 001.H KZ 5.45硬质合金 90 700 30 1 8.1 Drilling硬质合金 89 600 35 1 8 Drilling高速钢 95 800 50 1 8.1 Drilling JD 5.55硬质合金 70 300 30 8.1 Reaming硬质合金 90 200 20 8 Reaming硬质合金 70 800 15 8.08 Reaming

①中国互联网信息中心.第42次中国互联网发展状况统计报告[R].2018，8.http：//www.cnnic.net.cn/hlwfzyj/hlwxzbg/hlwtjbg/201708/t 20170803_69444.htm.

 

1.1.5 排除标准 非随机对照研究，患者为非慢性阻塞性肺疾病合并呼吸衰竭，对照组非无创正压通气治疗，两组常规治疗不一致，数据统计不完整，无有效数据提取，重复发表的研究，综述等。

 

  

▲图3 φ2钻头切削参数变化曲线

  

▲图4 φ5钻头切削参数变化曲线

式中：kl为与刀具露出长度相关的修正因数。

 

进给量F为：

 

3.2　工艺试验

理论优化后，开展相应的试验验证。工艺试验分为两组进行，对统计数据中相同规格刀具的参数进行归一化处理，作为实际加工切削参数，通过前文所得计算公式，计算所涉及的所有规格刀具相应的切削参数，作为优化数据。针对两组数据分别在DMU-60P机床进行加工试验，表4列举了部分试验数据。

式（1）中各参数的选取先参考经验值，同时考虑刀具的切削速度、耐用度、露出长度等因素，依据加工现场的实际情况查表获得相应的修正方案，乘以相应的修正因数。手册中各参数以φ6钻头为分界，分别将≤φ6与＞φ6 的参数代入公式（1）。

由表4可得，当前使用的经验切削参数选取都比优化后的切削参数保守，使用优化后的切削参数加工，切削效率至少提升20%。

本工艺试验充分验证了前文计算公式的适用性，所得的参数能提升加工效率。3.3 结果输出

切削参数选用差异性大的原因是缺少切削参数库的支持，造成产品质量波动、加工效率低及知识经验无法共享。

  

▲图5 切削参数优化逻辑

如图5所示，结合前文理论分析及工艺试验，对切削参数优化的逻辑进行整理。图5中，Klv为与 l/d0相关的修正因数矩阵，Klf为与 l/d0及 f（d0）相关的修正因数矩阵。

 

表4　工艺试验数据

  

钻头直径/mm切削效率比较4 90 1 000 50 1 5.5 提高21%露出长度/mm转速/（r·min-1）进给量/(mm·min-1)切深/mm钻削时间/min 1 431 50 1.5 4.33 4 180 800 25 1 12.37 提高27%978 29 1.5 9.05 8 160 800 30 1.5 提高36.5%737 52 1.5 11.47 7.28

以经过工艺试验验证的切削参数为依据，对矩阵进行计算，编写切削参数库人机交互界面，如图6所示，供工艺及编程人员查询与共享。其中，条件输入仅需要刀具长度、刀具直径及根据刀具直径与修正因数查得的进给量。

  

▲图6 切削参数库人机交互界面

4　结束语

笔者针对目前钻削加工现状，基于未来知识储备需求，开展复杂舵机壳体孔系加工参数研究，优化切削参数，建立切削参数库，促进工程应用。

通过对复杂舵机零件油路孔系加工切削参数的统计、提取、分析，运用科学研究方法对统计数据进行相应的优化计算及筛选，并在生产实际中进行多次工艺试验验证，最终形成钻削加工切削参数库，供工艺人员、加工人员共享及查询。

所建立的切削参数库能为实际生产提供高效、可靠的切削参数，从而实现数控加工的高效率和高可靠性。通过对本单位产品的加工，充分验证了优化方法的可行性，值得在钻削加工领域推广应用。

参考文献

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