【正文】 陜西科技大學(xué)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。 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(dǎo)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?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中 R遠(yuǎn)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(biāo)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。在三坐 標(biāo)曲面加工中，導(dǎo)動主要應(yīng)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(dǎo)動面的等距面的交線。如圖 (a) ,圖 (b)和圖 (c)所示。 (2)三坐標(biāo)曲面刀具軌跡的生成方法 實(shí)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(yùn)動。 (1)相關(guān)概念 (a)刀位點(diǎn)和刀具接觸點(diǎn) 刀位點(diǎn)即 CL 點(diǎn) (Cutter Location)，就是刀具加工時在空間 的位置點(diǎn)，所謂的刀具軌跡也就是刀位點(diǎn)軌跡。各等距線的長度之和為刀具切削運(yùn)動軌跡的長度 。行切法加工刀具運(yùn)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(yùn) 動軌跡，然后將各行刀具運(yùn)動軌跡線段有序地連接起來。 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(jī)床的“顫振”要選擇合理的進(jìn)退刀位置，盡可能選在不太重要的位置。 二維數(shù)控切削加工刀具切削運(yùn)動軌跡為平面二維曲線。再由曲線的不斷移動形成所加工工件的輪廓及型腔。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。一般粗加工時，要著重考慮保證刀具最高耐用度 。 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)。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。所以在鐘孔時，應(yīng)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。但增大前角，同時會降低切削刃的強(qiáng)度，減小刀頭的散熱體 積。 (e)切削條件 :包括切削速度、進(jìn)給量、進(jìn)刀量以及給切削液方式及種類等。 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。和其它機(jī)械加工相比，鐘孔加工是相對較難的一種加工方法。 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(yù)加工、鑄造、鍛造、擠壓以及氣割的孔。 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(xué)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。數(shù)控車床使用的刀具有焊接式和機(jī)夾式之分，為減少換刀時間和方便對刀，應(yīng)盡可能采用機(jī)夾刀 (目前數(shù)控機(jī)床除經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床外，其他的己廣泛地使用機(jī)夾式刀具 )。如果小于 1/2 銑刀直徑，則刀片又開始“摩擦”工件，因?yàn)榍腥霑r切削厚度變小，每齒進(jìn)給量也將因徑向切削寬度的變 窄而減小。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。因此，應(yīng)避免使用冷卻液，以便觀察飛濺的切屑，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整切削速度和進(jìn)給量。當(dāng)速度進(jìn)一步提高，褐色切屑將變成藍(lán)色。 切削時冷卻和涂層的選擇 平面銑削是否要冷卻，存在爭議。 粗齒銑刀多用于粗加工，因?yàn)樗休^大的容屑槽。而應(yīng)用刮光刀片可減小循環(huán)時間、降 低成本。 對于精銑，最好選用磨制刀片。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(bǔ)加工 。 數(shù)控銑削刀具應(yīng)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 。應(yīng)根據(jù)機(jī)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。 (a)基于加工工藝參數(shù)的刀具選擇。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(shè)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。韓國 TurboTEK 公司開發(fā)出面向培訓(xùn)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 。如果我們能夠建立起一個基于產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)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(jìn)行驗(yàn)證 。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(diǎn)是該系統(tǒng)目前還不能推廣應(yīng)用的主要原因?？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(yīng)控制機(jī)床，以實(shí)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(shè)，因此限制了機(jī)床的實(shí)用性。 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(jì)效益問題，提高機(jī)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。王知行等詳細(xì)分析了一種新的刀具運(yùn)動軌跡生成算法一自適應(yīng)等參數(shù)曲線。 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(jī)械制造業(yè)中極為重要的經(jīng)濟(jì)問題 之一。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(jī)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(shí)現(xiàn)整個切削過程優(yōu)化的關(guān)鍵。因此，數(shù)控技術(shù)的水準(zhǔn)、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(biāo)志。運(yùn)用現(xiàn)代切削理論、數(shù)學(xué)建模和模型分析方法尋求切削參數(shù)的最優(yōu)組合，是切削參數(shù)選擇的一個重要方向。刀具運(yùn)動軌跡設(shè)計質(zhì)量的好壞，將直接影響零件的加工質(zhì)量及加工成本。由于球頭銑刀是復(fù)雜曲面加工的主要刀具，球頭銑刀切削力是選擇機(jī)床、刀具、夾具及實(shí)現(xiàn)銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。 這里主要討論了在數(shù)控機(jī)床上的切削加工中，求取優(yōu)化的切削用量的方法。 隨著社會的多樣化需求和其相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控加工將向更廣 領(lǐng)域和更深層次發(fā)展。 在數(shù)控加工中，正確合理地選擇切削參數(shù)對確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本起著十分重要的作用。因此，以提高數(shù)控切削加工效率、降低加工成本、獲得高質(zhì)量產(chǎn)品為目的而進(jìn)行的數(shù)控切削加工優(yōu)化的研究，對提高數(shù)控加工經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義 本課題旨在通過對數(shù)控切削加工參數(shù)優(yōu)化的研究而自動獲得最佳切削參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到提高數(shù)控切削加工效率，降低加工成本，并獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的目的。該算法具有等參數(shù)法生成刀具運(yùn)動軌跡簡單的優(yōu)點(diǎn)，同時克服了用等參數(shù)法生成刀具運(yùn)動軌跡可能產(chǎn)生的刀具運(yùn)動軌跡冗余的缺點(diǎn)。 數(shù)控加工在線參數(shù)優(yōu)化的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 在線加工參數(shù)優(yōu)化技術(shù)是自適應(yīng)控制理論在數(shù)控加工領(lǐng)域的應(yīng)用，也稱為自適應(yīng)控制 ((Adaptive Control)。 我國對自適應(yīng)數(shù)控加工技術(shù)的研究開發(fā)起步較晚。 1998 年華中理工大學(xué)研制成功恒功率切削的自適應(yīng)數(shù)控銑削加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用智能控制理論建模，克服了傳統(tǒng)自適應(yīng)控制理論對時變非線性系 統(tǒng)建模的局限性，為智能自適應(yīng)數(shù)控加工的實(shí)用化提供了理論途徑。另一方面又可以對加工過程中任意時刻的幾何信息進(jìn)行提取 (如切屑厚度，切屑幾何形狀，刀刃與工件嚙合部分 )?？诒?SONY 公司研制的 FREDAM 系統(tǒng)可對球頭銑刀加工自由曲面進(jìn)行三維仿真，并進(jìn)行干涉、碰撞檢查 。定參數(shù)優(yōu)化方法主要適用于零件在該工序中切削條件變化不大的情況。分別對數(shù)控車削、銑削刀具及數(shù)控銑削刀具的優(yōu)選進(jìn)行了闡述。刀具選擇總的原則是 :安裝調(diào)整方便，剛性好，耐用度和精度高。此外，數(shù)控銑床還可以進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、攻絲等加工。而成形銑刀一般都是為特定的工件或加工內(nèi)容專門設(shè)計制造的，適用于加工平面類零件的特定形狀(如角度面、凹槽面等 )，也適用于特殊形狀的孔及臺的加工。這種刀片具有較好的尺寸精度，所以刀刃在銑中的 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 7 定位精度較高，可得到較好的加工精度及表面粗糙度。 銑刀刀體的選擇 首先，在選擇一把銑刀時，要考慮它的齒數(shù)。如果容屑槽不夠大，將會造成卷屑、排屑困難或切屑與刀體、工件的摩擦加劇。當(dāng)用一個大直徑面銑刀銑削時，冷卻液難以噴到整個銑 刀。如果切屑變黑，表明切削溫度過高，此時應(yīng)降低切削速度。熱切屑意味著熱量沒有傳到零件和刀具上，不會發(fā)生熱裂紋，從而延長了刀具壽命。應(yīng)用最大切屑厚度非常有利，并且切削力更容易將工件推入銑刀，以使刀片進(jìn)行切削作用?！澳Σ痢钡慕Y(jié)果使刀 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 9 具壽命縮短，對于硬質(zhì)合金刀具，增加每齒進(jìn)給量和減小切削深度是比較有利的。機(jī)夾刀主要由刀體、刀片和刀片緊固系統(tǒng)三部分組成，機(jī)夾車刀按刀片緊固方式的不同又可分為杠桿式、楔塊式、螺釘式、上壓式，采用何種刀夾系統(tǒng)則根據(jù)不同用途來定。 內(nèi)孔車刀桿的選擇基本原則 (a)選擇盡可能大的直徑。通常粗加工可以應(yīng)用在公差要求范圍大的擴(kuò)孔工序，并可為精加工做準(zhǔn)備，從而使加工出的孔具有小公差和高表面質(zhì)量。它只靠調(diào)節(jié)一枚刀片 (或刀片座 )要加工出象 H7, H6 這樣的微米級的孔。 刀具的顛振 鐘孔加工時最常出現(xiàn)的、也是最令人頭疼問題是顛振。 (f)機(jī)器的主軸系統(tǒng) :機(jī)器主軸自身的剛性、軸承及齒輪的性能以及主軸和刀柄之間的連接剛性。 (b)當(dāng)?shù)毒吆蠼菧p小時，刀片相對于工件的前角也增大，從而引起刀具刮削工件，引起刀具振動并損 壞刀具。 切屑的排出 在鐘孔時，切屑的有效排出至關(guān)重要。以麻花鉆為例，它的柄部有錐柄與直柄之分，較大規(guī)格的麻花鉆多為錐柄，小直徑的麻花鉆多為直柄 。刀具的幾何參數(shù)包含以下的內(nèi)容 : (a)切削刃的形狀 :如直線刃、折線刃、圓弧刃、刀尖的形狀等。精加工時，著重考慮保證加工質(zhì)量要求 。在精加工中，為了保證零件的表面質(zhì)量，應(yīng)該盡可能保持穩(wěn)定的恒表面進(jìn)給速度。刀具軌跡的生成有著各種各樣的算法，但最終都是將復(fù)雜曲面的理論軌跡進(jìn)行離散化。數(shù)控銑削加工時，刀具運(yùn)動軌跡一般為垂直于刀軸的 xy 平面上的曲線。 圖 銑削外圓時的加工路線 圖 銑削內(nèi)圓時的加工路線 (2)二維型腔數(shù)控銑削加工 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 16 型腔是指具有封閉邊界的平底凹坑，而且可能具有一個或多個島嶼 (如圖 所示 )，當(dāng)型腔底面為平面時即為二維型腔。刀具切削運(yùn)動軌跡的長度為各行刀具運(yùn)動軌跡的長度之和。環(huán)切法加工，各等距線之間的距離為行距。原則上可定義刀具上任意一點(diǎn)作為刀位點(diǎn)。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。 CL 路徑截面線法生成刀具軌跡的計算方法有以下兩種 : 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 也稱為偏置面法，即由圖 (a)和圖 (b)所示。 （ a) 導(dǎo)動面法生成刀具軌跡 （ b) 導(dǎo)動面法生成刀具軌跡 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