基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法技术

本发明专利技术涉及基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法，包括如下步骤：1）试切；2）由试切选取的切削参数和试验测得的主轴功率拟合得到切削能力特性曲线，即功率与材料去除率的关系式，得到切削能力系数k和空转功率损耗系数a；3）计算满功率对应的材料去除率；4）满扭矩切削验证；5）将步骤1）至步骤3）计算结果分别填写测试表，由第2）步所建立的材料去除率和功率的函数关系，将机床主轴电机额定功率输入函数模型，得到对应的材料去除率，作为评价机床能力极限，对机床进行切削能力评价。使用本方法，有助于了解被测机床的切削能力，即单位时间可去除的最大材料体积。能够评价和比较不同机床的切削性能。并依据机床最大MRR，合理选择切削参数。

【技术实现步骤摘要】
基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法
本专利技术创造一种数控车床满扭矩切削检验和评价方法，属于通用型数控车床切削负荷检验和评价领域
技术介绍
数控机床的切削负荷试验一般也称为重切削试验，是检验机床实际切削能力的重要检验试验。试验目的是为了了解机床生产后的真实加工能力，检验机床是否达到设计指标，重点关注主轴电机的功率、扭矩、主轴相对工作台的切削抗力以及主要部件的切削抗振性，有时也关注近满负荷加工时的振动量以及加工质量。我国对机床切削负荷的检验方法主要依据1988年建立的国家标准GB9061《金属切削机床通用技术条件》，其内容主要包括机床的空运转试验、主传动系统的扭矩试验、机床切削抗力试验、主传动系统达到的最大功率试验，以及抗振性切削试验等。其中涉及主传动系统的扭矩试验包括机床注传动系统最大扭矩试验和机床短时间超过最大扭矩25％的试验两项内容，标准中规定“试验时在小于或等于机床技术转速的转速范围内选一适当转速，逐级改变进给量或取消深度，时机床达到规定扭矩。检验机床传动系统各传动原件和变速机构是否可靠，以及机床是否平稳和运动是否准确。”另外，对于成批生产的机床“允许在2/3倍最大扭矩下进行试验，但应定期进行最大扭矩和短时间超出最大扭矩25％的抽查性试验”。随后，机械行业标准《JBT4368.3-1996数控卧式车床技术条件》、《JB4368.4－1996数控卧式车床性能试验规范》、《JBT8325.2-1996简式重型卧式车床技术条件》、《JBT9895.2-1999数控立式卡盘车床技术条件》、《JBT9934.2-1999立车技术条件》、《JBT9934.2-2006数控立式车床第2部分：技术条件》陆续建立起来，其内容主要围绕GB9061的检验项目、检验方法给出了较为详细的规定。北京机床研究所于2006年更新了GB9061标准的《GB9061-2006金属切削机床通用技术条件》，但其中有关切削负荷检验的检验内容几乎没有变化。另外，美国《ASMEB5.57-1998Methodsforperformanceevaluationofcomputernumericallycontrolledlathesandturningcenters》中涉及切削负荷检验的内容主要围绕主轴的空运转损耗和切削颤振机械两个方面做了简略的说明，其中并未对主轴驱动能力和切削去除量的检验。尽管我国国家标准和机械行业标准有着众多与机床切削负荷检验有关的标准，但是，上述方法存在一定的不足，主要表现在三个方面：1.检验流程不具体，检验中需要用到的刀具不明确，切削参数没有明确规定等，造成不同的机床制造企业在理解和应用标准时，难以做到相同条件进行试验，其检测和验收结果不能作为统一依据进行类比，验收可信性出现偏差；2.最大扭矩和超出最大扭矩25％的试验检测会对新机床造成破坏，一旦新机床无法通过满扭矩检验，势必会引起主轴憋停，导致机床精度丧失和关键部件的损伤。3.标准主要服务于普通车床，传统普车由于当时技术条件限制，加工不同零件对切削扭矩、主轴转速的需求还主要停留在离合器换挡调速层面上。随着数控机床技术的发展，上述标准很难继续服务于数控车床，并且有些标准还明文规定其检测项目要求“数控机床除外”。
技术实现思路
为了解决上述存在的技术问题，本专利技术提供一种数控车床满扭矩切削检验的评价方法。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法，其理论依据如下：(1)扭矩的计算实际测试中，机床扭矩的测量需要较复杂的仪器和工装，相比之下，功率的测量较容易获得。因此，通过测量切削功率，并由公式(1)电机扭矩与功率关系可以计算出机床扭矩；式中T——扭矩，单位NmP——切削时电动机的输入功率，kWP0——机床装有工件时的空运转功率，kWn——机床主轴转速，rpm(2)材料去除率的计算由式(2)计算对应参数下的材料去除率：MRR＝ap×fr×π×D×n/1000(2)式中MRR——材料去除率，单位cm3/mimap——工件单边径向切削深度，mmfr——进给率，mm/r；(3)车削力理论公式式(3)为车削加工中的切削力计算理论公式：F＝Kcapfr+Kefr(3)其中，Kc为车削加工的切削力系数，Ke为刃口力系数。(4)建立数控车床切削能力关系模型由扭矩与切削功率关系公式(1)、和的切削力计算公式(3)，可得将式(4)结合材料去除率计算公式(2)可得功率和材料去除率两者之间的联系，如式(5)。其中，对于任意一台机床，主轴电机功率与材料去除率都存在一条关系曲线，且对应唯一的k和a值。这里定义斜率k为数控机床的切削能力系数。另外，由式(6)可发现，空转功率P0与切削能力特性曲线的截距a有关系，定义截距a为数控机床的空运转功率损耗系数。空转功率与主轴转速有关和工件直径有关，由于车削加工中刃口力系数Ke远小于切削力系数Kc，一般Kc＝102Ke，并且Ke一般只有10～100，因此，一般很小，改变切削参数ap、fr、n对P0影响较小。由式(5)发现，若通过试切试验得到至少两组MRR及其对应的Power，即可计算得到相应的k和a，并初步确定下来函数。此时，由额定功率Power_r可计算得到对应的MRR，即为达到额定功率时的最大材料去除率，该值即为被测机床的最大切削能力。这时，无论切削用量中的各个参数如何匹配，只有满足其乘积MRR低于MRR_r，机床就能够满足切削要求。具体的测试方法包括如下步骤：第一步、试切：选取不同切削参数进行试切操作，试切次数不少于5次，记录切削参数直径，转速、切削深度、进给量，并测试获取功率数据；第二步：由试切选取的切削参数和试验测得的主轴功率拟合得到切削能力特性曲线，即功率与材料去除率的关系式(5)，得到切削能力系数k和空转功率损耗系数a。第三步：计算满功率对应的材料去除率：将机床主轴电机额定功率或超出额定功率30％的功率代入式(5)分别计算在满功率或超出30％满功率时对应的理论最大材料去除率；第四步：满扭矩切削验证：按照第三步计算得到的理论去除率按不同的切削参数选取目的分解，并进行切削试验验证，以检验计算得到的理论材料去除率是否正确。第五步：将步骤一至步骤三计算结果分别填写测试表，表中参数包括(直径D，转速n、切削深度ap、进给量fr、材料去除率MRR)。由前述第二步所建立的材料去除率和功率的函数关系，将机床主轴电机额定功率输入函数模型，得到对应的材料去除率，即认为是被评价机床在额定功率输出下的理论切削材料去除率，并以此作为评价机床能力极限。在进行实际切削验证时，考虑到切削振动、刀具和工件的安装状况等因素，实际切削能力会与理论值间存在一些误差，因此，建议将理论切削能力的80％～90％作为评价机床切削能力的指标，并对机床进行切削能力评价。同理，可评价机床超出额定功率30％时的切削能力。本专利技术的有益效果：使用本方法，有助于了解被测机床的切削能力，即单位时间可去除的最大材料体积。能够评价和比较不同机床的切削性能。并依据机床最大MRR，合理选择切削参数。附图说明图1切削功率和材料去除率的关系图。图2材料去除率和切削截面积关系图。图3(a)第一台机床斜率状态图。图3(b)第二台机床斜率状态图。图4实施实例试本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步、试切：选取不同切削参数进行试切操作，试切次数不少于5次，记录切削参数直径，转速、切削深度、进给量，并测试获取功率数据；第二步：由试切选取的切削参数和试验测得的主轴功率拟合得到切削能力特性曲线，即功率与材料去除率的关系式(5)，得到切削能力系数k和空转功率损耗系数a；所述的关系式(5)如下：P=KcqpfrDn2×9549+KefrDn2×9549+P0=k·MRR+a---(5)]]>k=1000Kc2×9549π]]>其中，a=KefrDn2×9549+P0;]]>第三步：计算满功率对应的材料去除率：将机床主轴电机额定功率或超出额定功率30％的功率代入式(5)分别计算在满功率或超出30％满功率时对应的理论最大材料去除率；第四步：满扭矩切削验证：按照第三步计算得到的理论去除率按不同的切削参数选取目的分解，并进行切削试验验证，以检验计算得到的理论材料去除率是否正确；第五步：将步骤一至步骤三计算结果分别填写测试表，表中参数包括直径D、转速n、切削深度ap、进给量fr、材料去除率MRR；由前述第二步所建立的材料去除率和功率的函数关系，将机床主轴电机额定功率输入函数模型，得到对应的材料去除率，即认为是被评价机床在额定功率输出下的理论切削材料去除率，并以此作为评价机床能力极限；在进行实际切削验证时，将理论切削能力的80％～90％作为评价机床切削能力的指标，并对机床进行切削能力评价；同理，可评价机床超出额定功率30％时的切削能力。...

【技术特征摘要】
1.基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步、试切：选取不同切削参数进行试切操作，试切次数不少于5次，记录切削参数直径、转速、切削深度、进给量，并测试获取功率数据；第二步：由试切选取的切削参数和试验测得的主轴功率拟合得到切削能力特性曲线，即功率与材料去除率的关系式(5)，得到切削能力系数k和空运转功率损耗系数a；所述的关系式(5)如下：其中，其中P为切削时电动机的输入功率；Kc为车削加工的切削力系数，Ke为刃口力系数；P0为车床装有工件时的空运转功率；第三步：计算额定功率对应的材料去除率：将车床主轴电机额定功率或超出额定功率30％的功率代入式(5)分别计算在额定功率或超出30％额定功率时对应的理论最大材料去除率；第四步：满扭矩切削验证：按照第三步计算得到的理论最大材料去除率按不同的切削参数选取目的分解，并进行切削试验验证，以检验计算得到的理论最大材料去除率是否正确；第五步：将步骤一至步骤三的计算结果分别填写测试表，表中参数包括直径D、车床主轴转速n、工件单边径向切削深度ap、进给率fr、材料去除率MRR；由前述第二步所建立的材料去除率和功率的函数关系，将车床主轴电机额定功率输入函数模型，得到对应的材料去除率，即认为是被评价车床在额定功率输出下的理论切削材料去除率，并以此作为评价车床能力极限；在进行实际切削验证时，将理论切削能力的80％～90％作为评价车床切削能力的指标，并对车床进行切削能力评价；评价车床超出额定功率30％时的切削能力。2.根据权利要求1所述的基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法，其特征在于，所述的材料去除率与功率两者呈线性分布，建立两者间的函数关系，过程如下：(1)扭矩的计算实际测试中，车床电机扭矩的测量需要较复杂的仪器和工装，相比之下，功率的测量较容易获得；因此，通过测量切削功率，并由公式(1)车床电机扭矩与功率关系计算出车床扭矩；

【专利技术属性】
技术研发人员：仇健，葛任鹏，
申请(专利权)人：沈阳机床集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21