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【摘 要】本项研究的目的就是通过工艺试验，采用正交试验设计分析方法对试验结果进行研究，获取并确定加工过程中切削三要素的最佳选择方案，得到最佳的工艺参数。提高刀具使用寿命，提高加工前对成本的预估能力，降低加工成本。
【关键词】切削速度；切深；主轴转速；正交试验；刀具寿命
1 试验背景
在铣削加工中，数控设备得到了广泛应用。相比普通铣床有零件加工的适应性强、灵活性好、一次装卡定位后能进行多道工序加工、生产自动化程度高等优点。
数控铣削加工的通用工艺为：
（1）熟悉零件的各部位尺寸，了解加工中重点、难点；
（2）设计工装卡具，选择零件的定位方式；
（3）以零件定位点为原点进行编程；
（4）编程过程中选择合理的切削三要素和加工轨迹；
（5）模拟程序的可执行性；
（6）实际加工零件。
从以上工艺流程可知，在第4步中加工轨迹和切削三要素的选择是根据操作人员的个人经验确定。在规定加工轨迹的情况下，切削三要素（进给速度、切深、主轴转速）的不同选择，导致批量加工中的刀具使用寿命存在很大差异。
在我单位承担的箱体壳体类零件中，绝大部分任务涉及到数控铣削加工。因此，在这种情况下，造成了刀具使用量很难控制，导致加工成本不易预估，加工成本较高的问题。
2 研究目的
本项研究的目的就是通过工艺试验，采用DOE方法对试验结果进行分析，获取并确定加工过程中切削三要素的最佳选择方案。提高刀具使用寿命，提高加工前对成本的预估能力，降低加工成本。
3工艺试验
3.1 试验保障条件要求
（1）本试验所采用壳体零件加工过程中，第6-2工序数控铣削中的第二步（用Ф6镀铬钨钢铣刀精加工台阶面）作为试验研究对象，采用相应专用工装。
（2）试验的零件及刀具必须是经检验合格的。
（3）试验中应准备辅助零件：工装连接螺栓、螺母、垫贴。
（4）试验中应准备辅助工具：测量平台、螺栓拧紧工具、刀具统计表、切削三要素记录表、游标卡尺等。
3.2 试验要求
（1）试验过程中，不应出现操作人员误操作现象。
（2）试验过程中，在每次装夹刀具过程中保证刀具夹紧程度符合加工要求。
（3）试验过程中和试验后，必须检查加床各部件是否损坏，发现故障要进行排除。
（4）试验后，由专业检测人员对加工尺寸及相关数据进行检验，保证零件加工符合图纸要求。
3.3 试验内容
（1）按照作业要领书的内容如图1所示，对零件进行装卡，并按照其要求加工相关尺寸，使用相同的加工轨迹；
图1 作业要领书
（2）记录切削三要素的不同选择，并统计与之相对应的刀具使用数量，从而确定刀具的使用寿命。
4 试验分析
问题：数控铣削加工中刀具使用寿命不稳定。
因素：影响刀具使用寿命的因素有：切削三要素（切削速度、切深、主轴转速）、加工轨迹、操作人员是否误操作等；经过分析认为，主要问题是切削三要素（切削速度、切深、主轴转速）的选择。
水平：根据生产经验，每个因素选择了三个水平如表1所示：
指标：刀具使用寿命
表1 试验因素水平表
4.1 试验方案
根据试验因素水平表选用正交表安排试验，试验数据如表2所示，指标与因素关系图如图2所示。
表2 试验结果统计表
图2 指标与因素关系图
4.2 初步结论
第6、9两个试验条件（200，1，600）、（300，1，750）得出数据最高，分别是37、38，是比较好的条件。
A因素切削速度的第二水平（200mm/min）相应的平均刀具使用寿命较高，B因素切深的第三水平（1mm）相应的平均刀具使用寿命较高，C因素主轴转速（950r/min）相应的平均刀具使用寿命较高，因此，（200，1，950）可能是一个比较好的条件。
B因素切深的极差最大，表明它的水平变化时，平均刀具使用寿命变化最大；C因素主轴转速次之；A因素切削速度的极差最小，它对平均刀具使用寿命的影响最小。因此，这三个因素的主次顺序是：B切深、C主轴转速、A切削速度。
在100mm/min-300mm/mim之间，增加切削速度时刀具使用寿命先升后降，但200mm/min与300mm/min的差别不大；在3mm-1mm之间，减少切深时刀具使用寿命呈提高趋势；在600r/min-950r/min之间，增加主轴转速时刀具使用寿命呈提高趋势，但750r/min与950r/min的差别不大。
4.3 试验验证
为了考察上述三个条件，又做了四个试验，结果（含第6、9号试验）如表3所示：
表3 追加试验结果统计表
4.4 结论
三个因素中切深对刀具使用寿命影响最大，是主要因素；其次是主轴转速；切削速度对刀具使用寿命的影响较小；在所考察的范围内，切深越小，刀具使用寿命越长；最好的试验条件时：切削速度200mm/min，切深1mm，主轴转速950r/min。
5 优化后工艺路线
优化后的工艺路线如下：熟悉零件的各部位尺寸，了解加工中重点、难点；设计工装卡具，选择零件的定位方式；以零件定位点为原点进行编程；编程过程中选择合理的切削三要素（切削速度200mm/min，切深1mm，主轴转速950r/min）和加工轨迹；模拟程序的可执行性；实际加工零件。
6 实施效果
由改善后工艺可知，通过合理分析和优化后，工艺路线中采用了量化的指标和完整的调整方法，极大的降低了数控加工工艺对操作人员专业技术的依赖程度，从技术方法上将刀具使用寿命延长至39.5件/把，提高了加工前对成本的预估能力，降低了加工成本。
【关键词】切削速度；切深；主轴转速；正交试验；刀具寿命
1 试验背景
在铣削加工中，数控设备得到了广泛应用。相比普通铣床有零件加工的适应性强、灵活性好、一次装卡定位后能进行多道工序加工、生产自动化程度高等优点。
数控铣削加工的通用工艺为：
（1）熟悉零件的各部位尺寸，了解加工中重点、难点；
（2）设计工装卡具，选择零件的定位方式；
（3）以零件定位点为原点进行编程；
（4）编程过程中选择合理的切削三要素和加工轨迹；
（5）模拟程序的可执行性；
（6）实际加工零件。
从以上工艺流程可知，在第4步中加工轨迹和切削三要素的选择是根据操作人员的个人经验确定。在规定加工轨迹的情况下，切削三要素（进给速度、切深、主轴转速）的不同选择，导致批量加工中的刀具使用寿命存在很大差异。
在我单位承担的箱体壳体类零件中，绝大部分任务涉及到数控铣削加工。因此，在这种情况下，造成了刀具使用量很难控制，导致加工成本不易预估，加工成本较高的问题。
2 研究目的
本项研究的目的就是通过工艺试验，采用DOE方法对试验结果进行分析，获取并确定加工过程中切削三要素的最佳选择方案。提高刀具使用寿命，提高加工前对成本的预估能力，降低加工成本。
3工艺试验
3.1 试验保障条件要求
（1）本试验所采用壳体零件加工过程中，第6-2工序数控铣削中的第二步（用Ф6镀铬钨钢铣刀精加工台阶面）作为试验研究对象，采用相应专用工装。
（2）试验的零件及刀具必须是经检验合格的。
（3）试验中应准备辅助零件：工装连接螺栓、螺母、垫贴。
（4）试验中应准备辅助工具：测量平台、螺栓拧紧工具、刀具统计表、切削三要素记录表、游标卡尺等。
3.2 试验要求
（1）试验过程中，不应出现操作人员误操作现象。
（2）试验过程中，在每次装夹刀具过程中保证刀具夹紧程度符合加工要求。
（3）试验过程中和试验后，必须检查加床各部件是否损坏，发现故障要进行排除。
（4）试验后，由专业检测人员对加工尺寸及相关数据进行检验，保证零件加工符合图纸要求。
3.3 试验内容
（1）按照作业要领书的内容如图1所示，对零件进行装卡，并按照其要求加工相关尺寸，使用相同的加工轨迹；
图1 作业要领书
（2）记录切削三要素的不同选择，并统计与之相对应的刀具使用数量，从而确定刀具的使用寿命。
4 试验分析
问题：数控铣削加工中刀具使用寿命不稳定。
因素：影响刀具使用寿命的因素有：切削三要素（切削速度、切深、主轴转速）、加工轨迹、操作人员是否误操作等；经过分析认为，主要问题是切削三要素（切削速度、切深、主轴转速）的选择。
水平：根据生产经验，每个因素选择了三个水平如表1所示：
指标：刀具使用寿命
表1 试验因素水平表
4.1 试验方案
根据试验因素水平表选用正交表安排试验，试验数据如表2所示，指标与因素关系图如图2所示。
表2 试验结果统计表
图2 指标与因素关系图
4.2 初步结论
第6、9两个试验条件（200，1，600）、（300，1，750）得出数据最高，分别是37、38，是比较好的条件。
A因素切削速度的第二水平（200mm/min）相应的平均刀具使用寿命较高，B因素切深的第三水平（1mm）相应的平均刀具使用寿命较高，C因素主轴转速（950r/min）相应的平均刀具使用寿命较高，因此，（200，1，950）可能是一个比较好的条件。
B因素切深的极差最大，表明它的水平变化时，平均刀具使用寿命变化最大；C因素主轴转速次之；A因素切削速度的极差最小，它对平均刀具使用寿命的影响最小。因此，这三个因素的主次顺序是：B切深、C主轴转速、A切削速度。
在100mm/min-300mm/mim之间，增加切削速度时刀具使用寿命先升后降，但200mm/min与300mm/min的差别不大；在3mm-1mm之间，减少切深时刀具使用寿命呈提高趋势；在600r/min-950r/min之间，增加主轴转速时刀具使用寿命呈提高趋势，但750r/min与950r/min的差别不大。
4.3 试验验证
为了考察上述三个条件，又做了四个试验，结果（含第6、9号试验）如表3所示：
表3 追加试验结果统计表
4.4 结论
三个因素中切深对刀具使用寿命影响最大，是主要因素；其次是主轴转速；切削速度对刀具使用寿命的影响较小；在所考察的范围内，切深越小，刀具使用寿命越长；最好的试验条件时：切削速度200mm/min，切深1mm，主轴转速950r/min。
5 优化后工艺路线
优化后的工艺路线如下：熟悉零件的各部位尺寸，了解加工中重点、难点；设计工装卡具，选择零件的定位方式；以零件定位点为原点进行编程；编程过程中选择合理的切削三要素（切削速度200mm/min，切深1mm，主轴转速950r/min）和加工轨迹；模拟程序的可执行性；实际加工零件。
6 实施效果
由改善后工艺可知，通过合理分析和优化后，工艺路线中采用了量化的指标和完整的调整方法，极大的降低了数控加工工艺对操作人员专业技术的依赖程度，从技术方法上将刀具使用寿命延长至39.5件/把，提高了加工前对成本的预估能力，降低了加工成本。