【正文】 制造業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變 化，各種先進制造技術(shù)正逐漸地應用于制造系統(tǒng)中。因此，數(shù)控技術(shù)的水準、擁有和普及程度，己經(jīng)成為衡量一個國家綜合國力和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志。數(shù)控加工切削參數(shù)規(guī)優(yōu)化是數(shù)控切削加工工藝過程優(yōu)化的基礎，它不僅決定著數(shù)控加工技術(shù)水平和效率，也決定著產(chǎn)品的制造質(zhì)量和使用效果。所以切削參數(shù)的合理選擇與優(yōu)化，直接關(guān)系到能否合理地使用刀具與機床，對提高生產(chǎn)率，提高加工精度及表面質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本 都有重要作用，是實現(xiàn)整個切削過程優(yōu)化的關(guān)鍵。隨著各種新型加工材料的不斷涌現(xiàn)，以及數(shù)控加工機床、加工中心和柔性 制造系統(tǒng)的廣泛運用，僅依靠個人經(jīng)驗來確定切削參數(shù) 陜西科技大學畢業(yè)論文 2 己遠不能適應時代的發(fā)展。 切削加工中，優(yōu)化選擇切削參數(shù)的問題己成為現(xiàn)代化機械制造業(yè)中極為重要的經(jīng)濟問題 之一。由于目前生成刀具運動軌跡的方法是沿刀具運動軌跡采用不變速率，它不能滿足沿雕塑曲面所要求的速度， Chincling Lo提出了一種生成刀具運動軌跡的新方法。王知行等詳細分析了一種新的刀具運動軌跡生成算法一自適應等參數(shù)曲線。 D. C. H. Yang, Z. Han 結(jié)合干涉檢查和刀具優(yōu)選提出了適合于自由曲面三軸數(shù) 控加工的刀具運動軌跡生成方法 。 工藝參數(shù)優(yōu)化的研究 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 3 為了解決加工系統(tǒng)的經(jīng)濟效益問題，提高機床的利用效率，各種加工參數(shù)優(yōu)化的方法相繼提出，主要包括在線和離線參數(shù)優(yōu)化方法兩大類。第一個優(yōu)化自適應系統(tǒng) ((ACD)是美國本迪克斯公司于 1964 年在美國空軍技術(shù)監(jiān)督下研制開發(fā)成功的?？诒竟?司、意大利公司的研究所也都相繼研制出公約數(shù)自適應控制機床，以實現(xiàn)恒力矩加工，但由于在力矩信號的處理和轉(zhuǎn)換方面都做了不同程度的條件假設，因此限制了機床的實用性。 1983 年北京航空航天大學研制出銑床的微機自適應數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)實測的主軸電機電樞電流來確定主軸力矩。但對于非線性的數(shù)控加工過程，其工程近似度畢竟有限，這一點是該系統(tǒng)目前還不能推廣應用的主要原因。該系統(tǒng)己經(jīng)實現(xiàn)了市場化。如果我們能夠建立起一個基于產(chǎn)品質(zhì)量預測與分析的數(shù)控仿真系統(tǒng)，一方面它既可以對工件及刀具做出精確的幾何描述，對數(shù)控程序進行驗證 。只有這樣，數(shù)控仿真系統(tǒng)才會發(fā)揮更大的作用，才能成為完善的、真正意義上的仿真系統(tǒng)。韓國 TurboTEK 公司開發(fā)出面向培訓的虛擬數(shù)控車削及銑削加工環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控加工的幾何仿真并配有聲音信息 。迄今為止，國內(nèi)外絕大多數(shù)己開發(fā)研制出的數(shù)控仿真系統(tǒng)只能稱為一個幾何仿真系統(tǒng)。離線的參數(shù)優(yōu)化又可分為定參數(shù)優(yōu)化及變參數(shù)優(yōu)化，所謂定參數(shù)優(yōu)化是指設計參數(shù) 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 5 在一道工序中保持不變，反之稱為變參數(shù)優(yōu)化。目前，變參數(shù)優(yōu)化研究內(nèi)容主要是以最短加工時間為目標、以切削力為約束的進給量的優(yōu)化。 (a)基于加工工藝參數(shù)的刀具選擇。 (c)建立正確的數(shù)學模型和恰當?shù)募s束條件。應根據(jù)機床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相關(guān)因素正確選用刀具及刀柄。 數(shù)控銑削刀具優(yōu)選 現(xiàn)代銑削是種非常普遍的加工方式。 數(shù)控銑削刀具應用十分廣泛，各種平面輪廓和立體輪廓的零件，如凸輪、模具等都采用數(shù)控銑床加工 。一般而言，平面類的零件廣泛采用立銑刀，也常用面銑刀銑較大的平面 。球頭銑刀適用于加工空間曲面零件，有時也用于平面類零件較大的轉(zhuǎn)角或圓弧的差補加工 。壓制刀片的尺寸精度及刃口鋒利程度比磨制刀片差，但是壓制刀片的刃口強度較好，粗加工時耐沖擊并能承受較大的切深和進給量。 對于精銑，最好選用磨制刀片。磨過的大前角刀片，可以用來銑削粘性的材料 (如不銹鋼 )。而應用刮光刀片可減小循環(huán)時間、降 低成本。每個銑刀生產(chǎn)廠 家都有它自己的粗齒、密齒銑刀系列。 粗齒銑刀多用于粗加工，因為它有較大的容屑槽。由于精銑中金屬切除率總是有限，密齒銑刀容屑槽小些也無妨。 切削時冷卻和涂層的選擇 平面銑削是否要冷卻，存在爭議。如果刀片出現(xiàn)裂紋，并且在切削時從刀片座中落下，刀體還將會受到嚴重的損壞。當速度進一步提高，褐色切屑將變成藍色。有時，為避免刀瘤，加工不銹鋼的切削熱又是需要的。因此，應避免使用冷卻液，以便觀察飛濺的切屑，適當?shù)卣{(diào)整切削速度和進給量。 順銑和逆 銑的選擇 在進行逆銑時，刀片從零切削厚度處開始切削，這會產(chǎn)生很高的切削力，從而推動銑刀和工件彼此遠離。此舉可通過降低熱量和減弱加工淬硬趨勢來避免拋光效果。而進行順銑時，同樣的斷屑會一分為二，從而不會損壞切削刃。如果小于 1/2 銑刀直徑，則刀片又開始“摩擦”工件，因為切入時切削厚度變小，每齒進給量也將因徑向切削寬度的變 窄而減小。試調(diào)整徑向銑削寬度，確定銑刀直徑與徑向銑削寬度之比的工作，最好在高精度機床上進行，以便在調(diào)整比率的同時，觀察其工件表面粗糙度的變化。數(shù)控車床使用的刀具有焊接式和機夾式之分，為減少換刀時間和方便對刀，應盡可能采用機夾刀 (目前數(shù)控機床除經(jīng)濟數(shù)控車床外，其他的己廣泛地使用機夾式刀具 )。一般根據(jù)加工零件的加工精度、加工材料的軟硬程度、加工的間斷、連續(xù)、振動傾向等進行選擇，刀片的材料種類有硬質(zhì)合金、涂層刀片、陶瓷、氮化硼等，一般采用涂層硬質(zhì)合金刀片 (涂層可增加刀片的耐用度，因為一般數(shù)控加工的切削速度較高，而涂層在較高切削速度時能體現(xiàn)其優(yōu)越性，這也是普通車床使用硬質(zhì)合金刀片一般不涂層的原因。 刀片材料和切削線速度 (a)高速鋼車刀 :20～ 30m/min 車削 HB260 普通鋼材； 陜西科技大學畢業(yè)論文 10 (b)硬質(zhì)合金 :70～ 90m/min 車削 HB260 普通鋼材； (c)TiN 涂層硬質(zhì)合金 :100～ 120m/min 車削 HB260 普通鋼材； (d)氧化鋁涂層硬質(zhì)合金 :200～ 400m/min 車削 HB260 普通鋼材； (e)金屬陶瓷 :200～ 350m/min 車削 HB260 奧氏體不銹鋼； (f)陶瓷刀片 :200～ 400m/min 車削 HB300 灰口鑄鐵； (g)CBN 刀片 :400～ 800m/min 車削灰口鑄鐵和淬硬鋼及耐熱合金； (h)金剛石刀片 :1000～ 3000m/min 車削鋁合金。普通鋼刀桿作內(nèi)孔車削刀桿最大懸伸為4 倍桿徑，做內(nèi)螺紋車削刀桿為 3倍桿徑，做內(nèi)槽與仿形加工為 2倍桿徑，超出會有振動發(fā)生 。 數(shù)控膛削刀具優(yōu)選 包含旋轉(zhuǎn)刀具的鐘削工序主要用于加工那些己經(jīng)過預加工、鑄造、鍛造、擠壓以及氣割的孔。目前常用的精 鐘孔鐘刀有精鐘微調(diào)刀頭，這種鐘刀的徑向尺寸可以在一定的范圍內(nèi)進行微調(diào)，通用性好。和其它機械加工相比，鐘孔加工是相對較難的一種加工方法。 刀具轉(zhuǎn)動 和車床加工不同，加工中心加工時由于刀具轉(zhuǎn)動，便不可能在加工中及時掌握刀尖的情況來調(diào)節(jié)進刀量等。 另外，加工中心鐘孔時由于切屑的流出方向在不斷地改變，所以刀尖、工件的冷卻以及切屑的排出都要比車床 加工時難的多。 (b)刀具系統(tǒng)的動平衡 :相對于刀具系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動軸心，刀具自身如有不平衡情況，在轉(zhuǎn)動時因不平衡的離心力的作用也會導致顛振的發(fā)生。 (e)切削條件 :包括切削速度、進給量、進刀量以及給切削液方式及種類等。如果刀具安裝低于中心高，將影響刀具的 加工性能。但增大前角，同時會降低切削刃的強度，減小刀頭的散熱體 積。這樣可使刀具相對于工件的法向后角增大，切削條件陜西科技大學畢業(yè)論文 12 得到改善，如果加工時產(chǎn)生振動，刀尖會向下和向中心偏斜，從而接近理想的中心高。所以在鐘孔時，應選取正前角的鐘刀，在鐘 lmm 的小孔時，鐘桿的直徑只有 0. 75mm 左右，使刀具承受的切削力減小。 數(shù)控鉆削刀具優(yōu)選 鉆頭的設計歷史經(jīng)歷了 1800 年單刃鉆頭 → 1820 年麻花鉆頭 → 1900 年高速鋼麻花鉆頭 → 1930 年硬質(zhì)合金鉆頭 → 1970 年可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金鑲片鉆頭 → 今天高性能硬質(zhì)合金鉆頭。一般使用刀具樣本上有的通用刀具，如中心鉆、麻花鉆、絲錐等，刀具的尺寸規(guī)格按零件圖及加工余量來選定。鉆大孔時，可采用剛度較好的硬質(zhì)合金扁鉆。 刀具幾何參數(shù)的合理選擇 刀具合理幾何參數(shù) 所謂合理的刀具幾何參數(shù)，是指在一定的切削條件下能保證刀具磨損最慢、刀具耐用度最高，保證被加工工件的表面質(zhì)量，并能滿足提高生產(chǎn)率、降低成本的刀具 幾何參數(shù)。 (d)刀具的切削角度。一般粗加工時，要著重考慮保證刀具最高耐用度 。 (c)處理好刀具鋒利性同強度和耐磨性的關(guān)系 :在保證刀具足夠強度和耐磨性的前提下，要力求刀具鋒利 。通常，零件的數(shù)控切削過程可以分為三個階段 :粗加工、半精加工和精加工。 為了對零件加工工藝參數(shù)的進行合理選擇，必須考慮刀具軌跡的影響 。再由曲線的不斷移動形成所加工工件的輪廓及型腔。曲線的直線段逼近是通過逼近誤差控制步長來實現(xiàn)的，而相鄰的兩條路徑的行間距由殘留高度來控制。 二維數(shù)控切削加工刀具切削運動軌跡為平面二維曲線。即將刀具中心由工件輪廓線向待加工零件輪廓指定的一側(cè)偏移一個刀具半徑值。 此外，在 銑削加工零件輪廓時，要考慮盡量采用順銑加工方式，這樣可以提高零件表面質(zhì)量和加工精度，減少機床的“顫振”要選擇合理的進退刀位置，盡可能選在不太重要的位置。切輪廓通常分為粗加工和精加工兩步。行切法加工刀具運動軌跡的計算比較簡單，首先根據(jù)走刀路線計算各切削行的刀具運 動軌跡，然后將各行刀具運動軌跡線段有序地連接起來。環(huán)切法加工刀具既可以由內(nèi)向外環(huán)切也可以由外向內(nèi)環(huán)切。各等距線的長度之和為刀具切削運動軌跡的長度 。對于一具體型腔，采用各種不同的走刀方式，并以加工時間最短 (走刀軌跡長度最短 )作為評價目標進行比較，原則上可獲得較優(yōu)的走刀方案，但更具智能化的型腔加工方案優(yōu)化方法 (如基于模糊式識別的方法 )仍有待進一步研究。 (1)相關(guān)概念 (a)刀位點和刀具接觸點 刀位點即 CL 點 (Cutter Location)，就是刀具加工時在空間 的位置點，所謂的刀具軌跡也就是刀位點軌跡。是指刀具表面與曲面相切接觸的點。 (2)三坐標曲面刀具軌跡的生成方法 實際加工時刀具不可能遍歷整個的偏置曲面，而只可能沿其上面的一些有限的曲線軌跡運動。它是以被加工曲面的 參數(shù)線作為刀具接觸點路徑而生成刀具軌跡的一種方法，如圖 所示。如圖 (a) ,圖 (b)和圖 (c)所示。如圖 (a)及圖 (b)所示。在三坐 標曲面加工中，導動主要應用于球頭刀的計算，此時的刀具軌跡本質(zhì)上是零件面的等距面與導動面的等距面的交線。 球頭銑刀銑削參數(shù) 球頭銑刀主要用于復雜曲面的半精加工及精加工，銑削參數(shù)為 :刀具轉(zhuǎn)速 n 、銑削深度 pa 、銑削行距 ea 、銑刀每 齒進給量 zf 、進給速度 cv 、銑刀齒數(shù) Z,銑刀球面半徑 R。 平面加工行距計算 凸面加工行距計算 凹面加工行距計算 圖 3. 12導動面法生成刀具軌跡 殘留高度力與行距 Z 之間的關(guān)系為 : 222 22)(2 hRhhRRl ????? () 因為在實際應用中 R 遠大于力，所以上式可以簡化為 : Rhl 22? 2)凸曲面加工的行距計算 :己知凸曲面加工時的殘留高度 h，先建立圖 的局 部坐標系，若曲面曲率半徑為 Rb，刀具半徑為 R，行距為 1，則球頭刀的輪廓圓弧所在 的方程為 : 222 )s in()c o s Rqyqx ???? ??（ （ ） 其中 : bRRqRlRl ??????????? ,2s in,21c o s2 ?? （ ） 解方程組： 0)()21( 2222??????????????yRRqlyRlqxbb （ ） 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 23 解得： RR RRhl b ?? 22 （ ） 3)凹曲面加工的行距計算 :對于凹曲面加工的殘留高度，如圖 3. 12 所示。 圖 3. 13球頭銑刀切削時的微元法分析 0n — 刀具處于前一位置時的曲面法向矢量； 1n — 刀具處于后一位置時的曲面法向矢量 pa — 刀頭沿 Z方向的縱向切深； 0pa — 曲面上 CC 點處的法向切深； h — 法向切深達到刀頭半徑邊緣時的法向切削深度； zd — 球頭銑刀刀頭進行微分處理后的微元厚度； r — 切削微元的半徑； zf — 球頭銑刀的每齒進給量。 陜西科技大學畢業(yè)論文 24 球頭銑刀任意橫截面的銑削微元的參數(shù) Rp ha ?0 ，如圖 , 所示。 因此，可根據(jù)以上設定進行如