【正文】 是在加工之前能夠給出加工參數(shù) (如合理選擇刀具、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率等 )的合理評(píng)判及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的合理預(yù)測。通過建立一個(gè)這樣的仿真系統(tǒng)，在實(shí)際加工之前不僅可以獲得優(yōu)化的切削加工參數(shù)，避免了傳統(tǒng)的加工參數(shù)依照手冊(cè)或經(jīng)驗(yàn)的保守選擇，充分發(fā)揮了機(jī)床的潛能，大大提高了生產(chǎn)效率，而且可以對(duì)加工產(chǎn)品的精度進(jìn)行預(yù)測，給出滿足加工要求的誤差補(bǔ)償方法，設(shè)計(jì)出合理的切削工藝方案。作為 AMT 計(jì)劃的一部分，美國 NST 也開展了虛擬機(jī)床的研究 。目前，數(shù)控加工過程仿真，尚屬以理想幾何圖形來檢驗(yàn)數(shù)控代碼是否正確的幾何仿真，此時(shí)刀具和工件均被 視為僅具幾何形狀的剛體，不考慮切削參數(shù)、切削力及其它因素對(duì)切削加工的影響 。與在線的自 適應(yīng)控制不同，離線的參數(shù)優(yōu)化是在實(shí)際加工之前，通過對(duì)加工狀態(tài)的預(yù)測并結(jié)合己有的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)來進(jìn)行加工參數(shù)優(yōu)化。變參數(shù)優(yōu)化主要是通過仿 真的手段預(yù)測加工過程中一些重要的數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)在約束范圍內(nèi)尋找特定目標(biāo)的最優(yōu)化加工參數(shù)。課題的任務(wù)是采用通過對(duì)數(shù)控加工刀具，走刀軌跡的優(yōu)選，以及對(duì)數(shù)控切削加工工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)、約束的研究，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，找到一種相對(duì)簡單的切削參數(shù)優(yōu)化方法。包括單目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立及多目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 6 2 基于加工工藝參數(shù)的刀具優(yōu)選 在數(shù)控加工中刀具的選擇是在數(shù)控編程的人機(jī)交互狀態(tài)下進(jìn)行的。選取刀具時(shí)，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸相適應(yīng)，加工工藝參數(shù)的優(yōu)化也要基于加工刀具的優(yōu)選。最常 見的應(yīng)用是平面銑削，伴隨著五軸加工中心和柔性制造單元的不斷增多，其它的加工 方式和表面加工方法也得到了長遠(yuǎn)的發(fā)展。從銑削加工的角度考慮，主要加工對(duì)象分為平面類零件 (加工面平行、垂直于水平面或加工面與水平面成定角的零件 )、傾斜角類零件 (加工面與水平面的夾角是連續(xù)變化的零件 )、曲面類 (立體類 )零件 (加工面為空間曲面的零件 )。立銑刀廣泛用于加工平面類零件 。粗加工最好選用壓制的刀片，這可降低加工成本。由于壓制刀片便宜，所以在生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。而沒有尖銳前角的硬質(zhì)合金刀片，當(dāng)采用小進(jìn)給小切深加工時(shí)，刀尖會(huì)摩擦工件，刀具壽命短。刮光刀片可清除粗加工刀痕，比只用壓制刀片能得到較好的表面粗糙度。齒距的大小將決定銑削時(shí)同時(shí)參與切削的刀齒數(shù)目，影響到切削的平穩(wěn)性和對(duì)機(jī)床功率的要求。選用粗齒銑刀可以降低對(duì)機(jī)床功率的要求所以，當(dāng)主軸孔規(guī)格較小時(shí) (如 R8, 30, 40錐孔 )，可以用粗齒銑刀有效地進(jìn)行銑削加工。 精銑時(shí)切削深度較淺，一般為 ～ ，每齒的切削負(fù)荷小，所需功率不大，可以選擇密齒銑刀，而且可以選用比較大的進(jìn)給量。排屑情況需要試驗(yàn)來驗(yàn)證，如果排屑有問題，應(yīng)及時(shí)調(diào)整切削用量。這種很快地加熱、冷卻，極易引起熱裂紋。 干式切削的優(yōu)點(diǎn)是操作者可以看清切屑實(shí)際的形狀和顏色，為操作者提供了評(píng)定切削過程的信 息，由于工件的化學(xué)成分不同，發(fā)出的信息也不一樣 :當(dāng)加工碳鋼時(shí)，形成暗褐色切屑，說明采用切削速度適當(dāng) 。如果切屑變成深褐色，表明其切削速度己達(dá)最高限度。 干切的目標(biāo)是要調(diào)整切削速度與進(jìn)給量，使切削產(chǎn)生的熱量傳到切屑上而不是工件或銑刀上。 值得一提的是，當(dāng)干切時(shí)，在螺釘與銑刀體的結(jié)合面應(yīng)涂少量防止“咬死” (難以拆卸 )的化合物也很重要，但要注意不要帶進(jìn)污物，否則會(huì)影響銑刀的安裝精度。 在進(jìn)行順銑時(shí)，刀片從最大切屑厚度處開始切削。進(jìn)行逆銑時(shí)，斷屑比較容易被截留或楔入到刀片和工件之間，從而會(huì)導(dǎo)致刀片破裂。當(dāng)順銑時(shí)應(yīng)使銑削寬度大約等于 2/3 銑刀直徑，這可保證刀刃一開始就能立即切入工件，幾乎沒有摩擦。當(dāng)然，精銑需要工件表面光潔，所以應(yīng)限制走刀量。精車時(shí)直接決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而為了保證加工精度，要求刀具的精度高、耐用度好。用于內(nèi)孔加工則可考慮選擇螺釘式。 車刀的選用步驟 (a)確定工序類型 :外圓 /內(nèi)孔； (b)確定加工類型 :外圓車削 /端面車削 /仿型車削 /插入車削； (c)確定刀具夾緊系統(tǒng) :M 類夾緊 /S 類夾緊 /P 類夾緊； (d)確定刀具形式； (e)確定刀具中心高 :16/20/25/32/40； (f)選擇刀片 :形狀、型號(hào)、槽型、刀尖半徑、牌號(hào)； (g)推薦切削參數(shù) :切削速度 cv 、切削深度 pa 、進(jìn)給量 f 。普通鋼刀桿表面處理 HRC42 左右，刀桿夾持的最小長度為 2倍刀桿直徑，最佳長度為 3}4倍刀桿直徑 。 (d)冷卻液 (或壓縮空氣 )可提高排屑能力和表面質(zhì)量，特別是在深孔加工中。因而對(duì)鐘刀剛性與精度要求較高。 孔加工刀具包括鉆頭、擴(kuò)孔鉆、鐘刀、鉸刀和內(nèi)表面拉刀等。正因?yàn)檫@樣，就需要有更簡單、更方便、更精密的刀具來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。也正因?yàn)檫@樣所以就要求鐘刀必須具有微調(diào)機(jī)構(gòu)或自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)能，特別是在精鐘時(shí)根據(jù)公差要求有時(shí)必須在微米級(jí)調(diào)節(jié)。因?yàn)槭菓冶奂庸に蕴貏e是小孔、深孔及硬質(zhì)工件的加工，工具系統(tǒng)的剛性尤為重要。 (d)刀片的刀尖形狀 :刀片的前角、刀尖半徑、斷屑槽形狀的不同所產(chǎn)生的切削抗力也不同。在小孔鐘削中，刀具的中心高是導(dǎo)致刀具失效的重要因素。增大前角，可減小前刀面擠壓切削層時(shí)的塑性變形，減小切屑流經(jīng)前面的摩擦阻力，從而減小切削力和切削熱。為此建議刀具安裝應(yīng)略高于中心高 (但應(yīng)盡可能接近中心高 )。如果前角減小到 ?0 ，就會(huì)產(chǎn)生太大的工作壓力，導(dǎo)致刀具失效。為解決這一難題，一些刀具制造商開發(fā)出一種沿切削刃帶冷卻槽的刀片，使切削液直接流向切削刃，防止切屑堵塞和刀具損壞?？梢娿@削刀具在切削加工中的重要性。在加工中心上鉆孔都是無鉆模直接鉆孔，因而對(duì)鉆頭的要求較高，鉆頭的兩主切削刃必須有較高的對(duì)稱度，在鉆孔前最好先用中心鉆鉆一中心孔 ，以保證位置精度。當(dāng)孔的形位精度要求較高時(shí)，如果孔的深度不是太深可用鍵槽銑刀來進(jìn)行鉸孔前的擴(kuò)孔加工。 (c)刀面型式 :如前刃面上磨出斷屑槽等。 (b)要考慮具體的加工條件 :要考慮機(jī)床、夾具、系統(tǒng)剛度及功率大小，切削用量及切削液性能等情況。機(jī)床的剛性和動(dòng)力不足時(shí)，刀具應(yīng)力求鋒利，以減小切削力。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 14 3 數(shù)控切削加工工藝參數(shù)優(yōu)化走刀模型的建立 引言 近年來，隨著 CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展以及高性能加工中心的廣泛使用，在航空、航天、汽車、造船及模具制造等工業(yè)領(lǐng)域采用曲面造型及數(shù)控技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的情況己經(jīng)相當(dāng)普遍。在數(shù)控加工中刀具運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，將 直接影響零件加工過程中切削力波動(dòng)的大小，進(jìn)而影響精加工的表面質(zhì)量。曲面加工最基本的因素就是曲線的加工過程。所以，無論刀具路徑軌是由那一種方法產(chǎn)生的，最后它們都是通過一系列的直線段或者圓弧逼近的。 二維數(shù)控切削加工刀具切削運(yùn)動(dòng)軌跡 兩軸聯(lián)動(dòng)為主的二維數(shù)控切削加工在數(shù)控切削加工中所占的比重很大，不僅普通的二維輪廓零件需要采用二維數(shù)控切削加工，具有三維復(fù)雜曲面的零件在粗加工、半精加工中，因其主要任務(wù)是切除工件余量，一般也采用二維數(shù)控加工。 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 15 (1)二維輪廓數(shù)控銑削加工 二維輪廓數(shù)控銑削加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，通常采用刀具半徑補(bǔ)償功能來實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于內(nèi)輪廓的加工，如圖 其切向進(jìn)退刀可采用圓弧段。型腔的切削分兩步，第一步切內(nèi)腔，第二步切輪廓。行切法加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 , 所示。環(huán)切法加工一般是刀具沿型腔邊界走等距線，如圖 , 所示。對(duì)于包含有自由曲線的簡單封閉輪廓曲線及含有島嶼的封閉輪廓曲線的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算應(yīng)考慮等距線的自交與互交。而且，型腔加工還可采用其它走刀路線 (例如行切和環(huán)切的混合 )。 三坐標(biāo)曲面加工采用球頭刀、平底立銑刀、環(huán)形刀、鼓形刀和錐形刀，其特征是加工過程中刀具軸線方向始終不變，平行于 z坐標(biāo)軸。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 18 刀具接觸點(diǎn)，俗稱 CC 點(diǎn) (Cutter Contact)，通常又簡稱為刀觸點(diǎn)。它是全部 CL 點(diǎn)的集合，當(dāng)它遍歷整個(gè)偏置平面上時(shí) ，刀具的運(yùn)動(dòng)將包絡(luò)出理想的零件加工曲面。目前，較為常用的刀具軌跡生成方法有以下幾種 : (a)參數(shù)線法 參數(shù)線法是曲面加工中生成刀具軌跡的最基本的方法。 (b)CL 路徑截面線法 此方法是在走刀過程中，直接將 CL 點(diǎn)約束在另外一組平面內(nèi)，即用一組約束曲面與被加工曲面的刀具偏置面的截交線作為刀具軌跡。 (c)CC 路徑截面線法 CC 路徑截面線法即是在走刀過程中，將刀具與被加工曲面的接觸點(diǎn) (CC)始終約束在另外一組平面內(nèi)，用一種約束曲面與被加工曲面的截交線作為刀具接觸點(diǎn)路徑來生成刀具軌跡的方法。 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 19 圖 參考線法生成刀具軌跡 圖 （ a） CL路徑截面法生成軌跡（ 1） 圖 （ b） CL路徑截面法生成軌跡（ 2） 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 20 圖 （ c） CL 路徑截面法生成軌跡（ 3） 圖 （ a） CC路徑截面線法生成刀具軌跡 圖 （ b） CC路徑截面線法生成刀具軌跡 (e)導(dǎo)動(dòng)面法 這種方法是通過引入導(dǎo)動(dòng)面來對(duì)走刀過程進(jìn)行約束，在走刀過程中刀具始終與零件 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 21 表面和導(dǎo)動(dòng)面相切，如圖 (a)和 (b)所示。建立球頭銑刀切削力模型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 1）平面加工的行距計(jì)算 :當(dāng)用球頭刀 (注 :當(dāng)用平底立銑刀時(shí)，圖中的 R應(yīng)為平 底銑刀的有效切削半徑 )加工平面時(shí)，如圖 3. 12 所示。同時(shí)，沿刀頭與曲面接觸的法線方向依據(jù)微分法將球頭銑刀的刀頭分割成相互平行的無數(shù)個(gè)微元，其厚度用 zd 表示。本文則側(cè)重于前一種情形的研究，即 Rp ha ?0 。當(dāng) 0pa 小于 R時(shí)，亦即 RZ??0 時(shí)，銑削微元的半徑為 22 ZRr ?? ，銑削微元的銑削深度可用其層厚來代替，即 0pz dad ? 。 圖 圖 ea — 球刀的切削行距（當(dāng)為平面輪廓切削時(shí)， 0ee aa? ）； 0ea — 曲面法向的切削行距； ? — 刀具接觸角； zf — 球頭銑刀的每齒進(jìn)給量； 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 25 r — 球頭銑刀切削時(shí)刀頭所處平面的切削圓半徑。 0pa 的 含義為當(dāng)切削深度小于或等于 Rh 時(shí)，此切削方式即為切削深度 0pa 小于球頭銑刀的球頭半徑 R的情形 。用與凸 曲面類似的方法，可求得刀觸點(diǎn)之間的間距計(jì)算公式為 : RR RRhl b 22? （ ） 球頭銑刀切削加工的微元法分析 球頭銑刀的銑削方式見圖 所示，由分析可知，球頭銑刀進(jìn)行三軸銑削加工時(shí)刀軸的方向始終沿 Z軸豎直向下。 球頭銑刀銑削行距與殘留高度的相互關(guān)系 一般情況下，行距是殘留高度、刀具半徑及曲面的局部半徑的函數(shù)，在殘留高度和刀具半徑一定的情況下，行距由曲面的局部形態(tài)決定。 （ a) 導(dǎo)動(dòng)面法生成刀具軌跡 （ b) 導(dǎo)動(dòng)面法生成刀具軌跡 球頭銑刀加工平、曲面切削力建模 球頭銑刀是三維立體輪廓加工特別是三坐標(biāo)加工的主要刀具，因切削過程中被加工曲面與銑刀球面公法線過銑刀球面的球心，使干涉及過切現(xiàn)象易于監(jiān)測，切削運(yùn)動(dòng)軌跡易于控制而 得到廣泛的應(yīng)用。 盡管原則上作為約束曲面的類型是任意的 ，然而實(shí)際上約束表面一般是平面或面。 CL 路徑截面線法生成刀具軌跡的計(jì)算方法有以下兩種 : 第一種是直接構(gòu)造零件曲面的刀具偏置面，由約束面與偏置面求交來得到刀具軌跡，此方法有時(shí) 也稱為偏置面法，即由圖 (a)和圖 (b)所示。由于曲面上參數(shù)線分布不均勻，因此，這種方法加工效率不高。因此，刀具軌跡的生成方法也就是在刀具偏置面上確定刀具的運(yùn)動(dòng)路線或者是在零件曲面上確定刀具接觸點(diǎn)的切削路線的方法。在生成刀具軌跡時(shí)，通常是先生成 CC 點(diǎn)，而后再計(jì)算生成相應(yīng)的 CL點(diǎn)。原則上可定義刀具上任意一點(diǎn)作為刀位點(diǎn)。 圖 型腔類零件示意圖