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高速铣削加工效率的计算与分析 |
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作者：南京理工大学 张雷 |
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随着高速切削技术的发展，高速铣削工艺的应用日益广泛，越来越受到制造业的企业和科研工作者的关注。信息产业部某研究所自1999年7月从瑞士MIKRON公司购进第一台HSM-700型高速立式铣削中心后，2001年10月又购进三台HSM-700型高速铣床用于生产。笔者通过对这批先进高速铣床的加工效率进行深入、细致的调查研究，对比了不同铣床的加工效率，推导了高速铣削加工效率的计算公式。
1 加工效率的计算
按照传统切削理论，切削加工效率ZW(cm3/min)可通过下列公式计算：
式中v---切削速度；f---进给量；ap---切削深度
根据分析与研究，我们认为式(1)不适用于高速铣削加工效率的计算，原因主要有两点：
1）高速铣床的主轴转速相当高(如HSM-700型高速铣床最高转速达42000r/min,，加工平面时转速也在35000r/min,以上)，如此高的转速使刀具并非每一转都在切削金属；
2）在实际加工中，设定的转速和进给量只是最大转速和最大进给量，实际的刀具转速和进给量时刻都在变化(HSM-700机床的自测功能可以显示整个切削过程中的变化情况)，切削过程中的实际转速和进给量总是从较低值迅速达到较高值又很快降到较低值，如此反复变化，这是铣削过程的客观反映，而不像车削过程中可以保持转速和进给量恒定不变。
因此，我们提出用单位时间内的金属去除量Z(cm3/min)表示加工效率，即
式中W---切削过程总的金属去除量(cm3)t---切削时间(<0,)
式(2)更符合高速铣削的实际情况，用式(2)很容易实现对高速铣削加工效率的计算，同时也便于不同铣床加工效率的比较。
例如，原来在普通铣床上加工图1所示零件，为了缩短生产周期，一部分零件现采用高速铣床加工。这样，可通过该零件的加工来比较两种加工设备的加工效率。由于该零件的表面质量要求不高，高速铣削和普通铣削均能达到要求。事实上，高速铣削加工出的零件表面粗糙度要比普通铣削加工低1~2个等级。
图1 零件示意图
用单位时间内的金属去除量Z=W/t(cm3/min) 表示加工效率。试验中取铣削加工过程中的几个时间段，记录加工时间，测量在各个时间段零件加工前后的体积差，通过式(2)计算得到Z值。通过多次测量计算取Z的平均值，该平均值即可视为较准确的Z值。对于图1所示零件的高速铣削过程，由式(2)算得的Z值为
按照传统切削理论即按式(1)计算得
| ZW= | pDn | ×100× | Vf | ×0.1×ap×0.1=376.8cm3/min | | | | 1000 | n |
比较Z高速和ZW，显然ZW与该零件实际的高速铣削加工效率相差很大。
2 不同铣床加工效率的比较
某研究所目前用于生产的铣 床除HSM-700型高速铣床外，还有国产的立式铣床和进口的铣削中心。国产铣床是二十世纪九十年代初购进的北京第一机床厂生产的XK5040-1型立式升降台铣床(以下简称国产普通铣床)，目前主要用于零件粗加工及少量铸铁件和钢件的加工；进口铣削中心是美国产VF-0 HAAS型铣削中心(以下简称进口普通铣床)，可用于粗加工和精加工。
对于图1所示零件，在国产普通铣床上加工的切削效率为
在进口普通铣床上加工的切削效率为
将Z高速分别与Z国普和Z进普进行比较，有
由上述计算和比较可以看出，在高速铣床上加工该零件的金属去除率相当高，与国产普通铣床相比其优势更为明显(据操作工人反映，甚至出现过高速铣床加工效率比国产普通铣床快10倍以上的情况)。当然，对于不同材质、不同形状和不同加工要求的零件，不同铣床的加工效率并不相同。对于加工面积较大的大型零件或形状特别复杂的零件，高速铣床具有更为显著的加工效率优势。高速铣床的效率优势主要体现为高的刀具转速n和高的进给速度Vf。在实际加工中，进给速度Vf 对加工效率的影响往往更大。
3 考虑成本因素的加工效率比较
比较加工效率必须带有一定的约束条件，应结合企业的实际情况，考虑加工效率与生产成本的关系。用式(2)求得的加工效率Z除以加工成本C来表示考虑了成本因素的加工效率E(cm3/min•万元)，即
式(3)中，为计算简便，设加工成本C 主要为制造费用(包括设备成本、设备维护费用、刀具损耗费用等)，并假设高速铣床、国产普通铣床、进口普通铣床的日常维护费用相等。为了能客观地反映实际加工效率，对2001年1月到2002年5月这一较长时间段内的机床使用情况进行比较：
瑞士MICRON HSM-700型高速铣床每台价值人民币C0高速=200万元；由于机床零部件价格昂贵，用于机床非日常维护的费用(包括故障检修、更换零部件等)为C2高速=9.5万元；在高速铣床上使用的刀具均为进口铣刀，价格较为昂贵，再加上缺少针对不同刀具和零件材料的切削用量规范，使得高速铣刀的使用成本较高，因此，从去年初至今，高速铣刀损耗费用为C3高速=14,548.13元。
美国产VF-0 HAAS型铣削中心是1998年进口的普通铣削中心，当时价值人民币C0进普=80万元 ；机床使用性能较好，除日常维护外，至今没有出现需要维修的故障，C2进普=0.45万元；与高速铣床一样，所使用的刀具均为进口铣刀，除正常的刀具磨损外，很少出现刀具非正常损耗，铣刀损耗费用为C3进普=2,195.26元。
1992年从北京第一机床厂购进的XK5040-1型立式升降台铣床，当时价值人民币C0国普=60万元 ；目前主要用于零件粗加工，虽然精度不高，但性能还比较稳定，除日常维护外，未出现大故障。2000年对其操作系统进行了改造(换装了西门子操作系统)，改造和检修的费用为C2国普=6.45万元；在 此机床上既使用进口刀具也使用国产刀具，铣刀损耗费用为C3国普=1,377.62元。
设机床的使用年限为20年，按照直线折旧法，机床每年折旧5%，则到2002年，三种铣床的当前成本分别为：
| C1高速= | 1 | C0 高速[(1-5%×3)+3(1-5%)]=185(万元) | | | 4 |
C1进普=C0进普(1-5%×4)=64(万元)
C1国普=C0国普(1-5%×10)=30( 万元)
由式(3)可求得考虑成本时三种不同铣床 的加工效率分别为| E高速= | Z高速 | =0.1291cm3/min•万元 | | | C1高速+C2高速+C3高速 |
| E进普= | Z 进普 | =0.1125cm3/min•万元 | | | C1进普+C2进普+C3进普 |
| E国普= | Z国普 | =0.0840cm3/min•万元 | | | C1国普+C2国普+C3国普 |
由计算结果可以看出，考虑成本 因素后，高速铣削不再具有显著的效率优势(与进口普通铣削中心的加工效率接近)。这一比较结果说明，目前高速铣削的使用成本还比较高(其设备成本、维护费用和刀具损耗费用都比普通机床高出很多)。
尽管目前采用高速铣削还达不到经济的切削效率，但并不说明高速铣削不具优势。首先，上文对铣削效率经济性的分析仅考虑了生产成本，并没有考虑时间效益。在技术飞速发展的今天，时间往往是更重要的经济因素。高速铣削加工在缩短加工工时方面的优势是很明显的。其次，上文所作加工效率比较是在高速铣床和普通铣床均能加工同一种零件的前提下进行的，事实上许多不适合(或不能)在普通铣床上加工的零件(如薄壁零件或对加工表面质量要求较高的零件)只能用高速铣床加工。第三，高速铣削技术作为一种新的加工技术在我国正经历不断发展的过程，为了获得高速铣削的经济加工效率，必须深入研究高速铣削机理，加快进行高速铣削工艺的科研开发，同时加强生产管理，提高操作者素质。相信随着对高速铣削技术研究的不断深入，加工的经济性等问题将得到很好解决。
4 结论
1) 生产实践表明，高速铣床加工零件覆盖面广，特别适用于加工面积较大、形状复杂的精密零部件。零件加工精度高，废品率低。
2) 传统的切削加工效率公 式不适用于高速铣削，用单位时间内的金属去除量来表述高速铣削的加工效率更为准确。
3) 单从机床的切削效率来看，高速铣床 要高出普通铣床好几倍，但目前高速铣床的使用成本较高。在选择工艺方案时，可以考虑用普通铣床进行粗加工，用高速铣床进行半精加工和精加工。
4) 只有深入开展高 速铣削技术的科研开发，才能充分发挥高速铣床的加工效率优势。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(12/13/2004) |
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