從多數(shù)企業(yè)數(shù)控機床使用的現(xiàn)狀而言，切削參數(shù)的選擇是困擾數(shù)控加工的一個大問題。目前，數(shù)控加工切削參數(shù)的選用尚無標準可循，其選用受到個人技術(shù)水平影響甚大。這是因為切削過程中，工件材質(zhì)硬度的變化、切削深度的不同、刀具磨損狀況、切削液流量變化等因素，都將導(dǎo)致實際切削工況偏離理想狀態(tài)。而這種偏離程度也不是保持在一個穩(wěn)定的水平上。為了避免或減少這種偏離對刀具、對加工工件質(zhì)量的影響，數(shù)控編程人員在實際工作中往往采用比較保守的參數(shù)設(shè)置，來應(yīng)對復(fù)雜、多變的切削加工。即使在大量使用數(shù)控機床的企業(yè)，也存在著工藝管理水平不高，缺乏典型零件NC加工工藝指導(dǎo)文件和NC切削參數(shù)等突出問題。實踐證明，正確合理地選擇切削參數(shù)和優(yōu)化切削過程，對確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率，降低制造成本、保證數(shù)控機床安全運行和提高綜合效益是十分重要的。
1.CNC加工優(yōu)化技術(shù)難題
優(yōu)化NC程序的作用可以概括為：加工時問優(yōu)化、加工路徑優(yōu)化、切削條件優(yōu)化等等。加工時問優(yōu)化是生產(chǎn)中遇到最多的情況。例如使用φ12mm立銑刀銑削圖1所示零件。從圖1中可以看到，加工時長、短邊的材料去除率是不一樣的。也就是講，如果給定一個切削進給速度，則刀軸切削載荷是不一樣的。銑削短邊時，材料去除率高，刀具切削載荷大；而銑削長邊時，材料去除率低，刀具切削載荷小。既然刀軸能正常銑削掉短邊的材料(設(shè)定此時刀軸切削載荷為100％)，則銑削長邊時刀軸則沒有發(fā)揮出全部功率，尚有提高生產(chǎn)效率的余地。
為了提高加工效率，編程者可以考慮到使銑四邊時的刀軸切削載荷都保持一個較高的水平。如將銑短邊的進給速度設(shè)為120mm/min，銑長邊的進給速度設(shè)為160mm/min，這樣可以縮短銑削時間。
簡單的二維輪廓加工，為盡可能使材料等體積去除率保持在較好水平上，可以通過手工編寫在不同線段的進給速度。然而，在較復(fù)雜的二維加工中，由編程者來考慮如何分配進給速度，其工作量是很大的，即使在NC程序中分別編輯不同的進給速度，實際刀軸切削載荷也會有較大波動。若要人工在三維零件的NC程序中為每個切削程序段分配不同的進給速度，將是一件很困難的事。
CNC機床的加工過程受加工形狀和切削狀況的限制。這樣，在每個加工階段，必須采用程序設(shè)定的轉(zhuǎn)速和進給速率，沒有足夠的靈活性以適應(yīng)加工時的動態(tài)變化。實際上，由于以下幾個方面的原因，切削條件傾向于動態(tài)變化。這些原因包括：
(1)無論胚料還是棒料、鍛件還是鑄件，工件表面經(jīng)常不平整。
(2)加工中刀具逐漸磨損。
(3)工件間材料不同和工件內(nèi)材料硬度不均勻，產(chǎn)生硬點和軟點。
(4)工件的形狀、尺寸變化。
(5)加工中冷卻效果不同產(chǎn)生表面硬度變化。
研究切削參數(shù)和加工刀具軌跡優(yōu)化的目的就是使數(shù)控機床發(fā)揮出最優(yōu)的加工效率，使產(chǎn)品具有最佳的加工品質(zhì)。切削參數(shù)與刀具壽命、機床參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩)等因素有關(guān)�？紤]到以上原因，為保證加工安全，程序員除了采取最保守的切削參數(shù)外別無選擇，這就導(dǎo)致加工效率降低。相反，想要縮短加工時間，程序員不得不設(shè)定較大的加工參數(shù)，這樣會導(dǎo)致對刀具工件和機床的破壞。無論數(shù)控程序多么優(yōu)化，它們不能把加工中的動態(tài)變化考慮進去，遠不能滿足根據(jù)實際切削情況來實時調(diào)整切削參數(shù)的需要。
2.OMAT機床自適應(yīng)系統(tǒng)
日益加劇的市場競爭要求急劇降低成本，這就要求生產(chǎn)者減少不必要的成本消耗，包括：加工時間、機床保養(yǎng)、維護成本、刀具費用和長交貨周期的費用。自適應(yīng)系統(tǒng)中采用的實時最優(yōu)化技術(shù)在解決這些經(jīng)濟問題時是不可缺少的。高效自適應(yīng)控制系統(tǒng)是根據(jù)連續(xù)檢測到的切削參數(shù)，對加工過程實現(xiàn)實時完全優(yōu)化，使CNC機床發(fā)揮出最大潛力，刀具壽命達到最高。
20 世紀90年代初期，0MAT公司開始把自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控加工過程中，即把自適應(yīng)控制技術(shù)與0MAT公司總結(jié)出的金屬加工專家系統(tǒng)結(jié)合起來。O- MAT機床自適應(yīng)系統(tǒng)最大的特點是根據(jù)特定主軸和工件材料的大部分參數(shù)，可以實現(xiàn)實時最優(yōu)進給，這些參數(shù)可以被輸入，也可以來自外來的刀具目錄，操作者不需要知道具體負載極限，對每把刀具，內(nèi)部專家系統(tǒng)已經(jīng)確定了它的負載極限。如果將0MAT自適應(yīng)控制器(優(yōu)銑控制器OptiMil-XL，優(yōu)車控制器 0ptiTurn-XL，優(yōu)鉆控制器OptiDrill-XL)直接安裝到數(shù)控機床上，實時監(jiān)測切削狀況并把每一步走刀的進給速率自動地調(diào)節(jié)到最合適的數(shù)值，這就保證了恒定的切削負載，這個恒定的負載是考慮到了切削條件的變化而得到的，從而保證加工時間最短以及刀具、機床所允許的最大能力工作。O-MAT 的OptiMonitor-XL(監(jiān)測控制器)連續(xù)地監(jiān)測切削過程，只有在過載情況下才動作(停機或和報警)。
此外，0MAT機床自適應(yīng)系統(tǒng)還允許NC程序員更大膽，像使用新刀具一樣來設(shè)定進給速率，根據(jù)刀具磨損程度，進給速率被相應(yīng)調(diào)節(jié)，所以，加工中系統(tǒng)可自動進行刀具監(jiān)測并將監(jiān)測結(jié)果應(yīng)用于進給。同時，系統(tǒng)也給操作者適時換下磨損的刀具，從而不會產(chǎn)生刀具斷裂或過早的更換刀具。0MAT機床自適應(yīng)系統(tǒng)不僅可以檢測刀具磨損，還能通過對主軸負載的監(jiān)測及相應(yīng)調(diào)節(jié)進給倍率，達到保護刀具，減少廢料和減少重復(fù)工作時間的目的。當(dāng)切削中出現(xiàn)急劇超載時，報警系統(tǒng)發(fā)出警報，必要時自動停止機床。
3.OptiMil-XL優(yōu)銑器功能
下面以O(shè)ptiMil-XL優(yōu)銑器為例，說明OptiMil-XL優(yōu)銑器的工作原理及使用方法。
(1) OptiMil-XL優(yōu)銑器的工作原理 在OptiMil-XL優(yōu)銑器(以下簡稱優(yōu)銑器)中儲存了每一步切削加工參數(shù)，這些切削參數(shù)用一個惟一的加工代碼來標識。切削參數(shù)按工序進行編組。對于每把將由優(yōu)銑器控制或監(jiān)測的刀具，準備好加工操作所需要設(shè)置的參數(shù)。這些參數(shù)可以通過優(yōu)銑器上的鍵盤輸入到優(yōu)銑器的儲存器中，與NC程序相對應(yīng)，設(shè)置新的工序或選擇已有的工序。讓優(yōu)銑器進人自動模式，然后在機床上運行NC序。在此模式下優(yōu)銑器已經(jīng)準備好接受來自NC序的命令，以啟動其自適應(yīng)控制功能或監(jiān)測特性。
(2)優(yōu)銑器的主要特性 圖2說明了優(yōu)銑器控制的銑削過程。在優(yōu)銑器控制的銑削過程中，當(dāng)切削狀態(tài)超過正常范圍時，將切削進給倍率減小到低于加工程序設(shè)定值以下，并在必要的時候?qū)C床停車，避免對切削刀具、工件和機床造成損壞。而當(dāng)切削狀態(tài)允許節(jié)約時間時，優(yōu)銑器就增加進給倍率使其高于加工程序設(shè)定值。最終結(jié)果相當(dāng)于得到一個最優(yōu)的平均進給倍率，這個進給倍率要比加工程序設(shè)定的進給率效率高。在多軸機床的情況下，優(yōu)銑器連續(xù)檢測每個主軸上的負載，然后根據(jù)作用負載最大的主軸情況調(diào)節(jié)進給速率。
(3) 優(yōu)銑器的兩種操作方法①預(yù)先設(shè)置方法(缺省方法)。當(dāng)采用這種方法的時候，優(yōu)銑器內(nèi)部的專家系統(tǒng)使用用戶輸入的操作參數(shù)計算出每步走刀的最大負載容許值，并且通過對整個走刀過程連續(xù)地優(yōu)化實際進給速率來達到這一負載。②訓(xùn)練方法這個方法包括“學(xué)習(xí)”和“再學(xué)習(xí)”兩個階段，以備特殊情況之用，包括夾具問題、特殊的刀具、應(yīng)用舊刀具和在優(yōu)銑器的材料庫中不包含的特殊工件材料。
在每步走刀的學(xué)習(xí)階段，優(yōu)銑器不進行自適應(yīng)的進給速率控制。根據(jù)程序設(shè)定的進給速率，系統(tǒng)僅僅監(jiān)測負載的變化，并記下了在這步走刀中所能達到的最大負載。這個學(xué)習(xí)到的最大負載值于是被應(yīng)用在了“再學(xué)習(xí)”階段(見圖3)，這樣在什么地方檢測到的負載最大，自適應(yīng)控制下的進給速率在這個地方就等于程序設(shè)定的進給速率的100％。結(jié)果在負荷比較輕的情況下，切削的速度就比程序設(shè)定的進給速率高。在最大負載點優(yōu)銑器將以程序設(shè)定的進給速率進行切削。
4.實驗結(jié)論
近幾年來，我們針對不同的零件進行了切削試驗，通過試驗數(shù)據(jù)證明：在粗加工中工件毛坯去除量較大，零件精度要求一般相對較低，使用優(yōu)銑器的優(yōu)化效果比較好；精加工中，由于已經(jīng)考慮到對零件精度的要求，所留的加工余量比較均勻，切削載荷變化不大，優(yōu)化效果不一定十分明顯。一般來說，在粗加工和半精加工中，當(dāng)材料切削量變化、材料硬度變化或工件表面有較大變化時，自適應(yīng)控制是非常有效的。在典型切削工況下，根據(jù)加工情況的不同，加工周期可縮短10％～40％。
使用優(yōu)銑器時，我們認為還應(yīng)注意以下幾點：
(1)首先必須從刀具的選擇人手，建議盡可能選用硬質(zhì)合金刀具等先進刀具。因為同樣規(guī)格的高速鋼刀具與硬度合金刀具相比，其允許的切削速度相差幾十倍，主軸轉(zhuǎn)速也相差很多。從刀具壽命上看，高速鋼刀具的壽命較低。選用高速鋼刀具來提高機床加工效率是非常困難的。
(2)一般來說采用刀具供應(yīng)商推薦的參數(shù)值是一個選用上限值。超過推薦參數(shù)值，會縮短刀具壽命，增加刀具成本；低于推薦數(shù)值過多，刀具的性能得不到充分發(fā)揮。
(3) 數(shù)控機床刀軸具有功率轉(zhuǎn)矩特性，在一個特定轉(zhuǎn)速下，機床為恒扭矩輸出，輸出功率逐漸增大，到達該轉(zhuǎn)速以后，機床為恒功率輸出。在使用優(yōu)銑器時，一旦刀具切削參數(shù)確定以后，必須驗證切削參數(shù)是否在機床所能輸出的功率和轉(zhuǎn)矩的范圍之內(nèi)。優(yōu)銑器輸出的功率轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)與被優(yōu)化的刀軸電動機特性相匹配，以防止過載。
