【正文】 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。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。 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。本文則側(cè)重于前一種情形的研究，即 Rp ha ?0 。 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。 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。 (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。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。 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。對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。行切法加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 , 所示。而對于內(nèi)輪廓的加工，如圖 其切向進(jìn)退刀可采用圓弧段。 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。曲面加工最基本的因素就是曲線的加工過程。 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。 (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。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?？梢娿@削刀具在切削加工中的重要性。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。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。 (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。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)必須在微米級調(diào)節(jié)。 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。 (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。 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 。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。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。 在進(jìn)行順銑時(shí)，刀片從最大切屑厚度處開始切削。 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。 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) 。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。選用粗齒銑刀可以降低對機(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。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。由于壓制刀片便宜，所以在生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。立銑刀廣泛用于加工平面類零件 。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。 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。課題的任務(wù)是采用通過對數(shù)控加工刀具，走刀軌跡的優(yōu)選，以及對數(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，找到一種相對簡單的切削參數(shù)優(yōu)化方法。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。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 。 數(shù)控加工離線參數(shù)優(yōu)化的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 在現(xiàn)代加工生產(chǎn)中，為提高生產(chǎn)效率，獲得較高的加工精度，關(guān)鍵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 )的合理評判及對產(chǎn)品質(zhì)量的合理預(yù)測。該系統(tǒng)對從刀具到電機(jī)的傳動(dòng)鏈作了較大的結(jié)構(gòu)模型上的工程近似，并在此基礎(chǔ)上用傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制理論進(jìn)行在線自學(xué)習(xí)控制。 1970 年德國西門子公司研制成一臺(tái)可控制 X, Y 軸方向進(jìn)給速度的約束自適應(yīng)控制車床，該車床可在加工過程中利用傳感器直接測量力矩信號(hào)。馬宏余等進(jìn)行了基于銑削特征的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法的研究。湯進(jìn)等提出了覆蓋點(diǎn)集及其相關(guān)的概念，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于等參線離散裁剪的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法，可在滿足 指定精度的情況的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化，顯著提高效率。如果選擇不當(dāng)，不僅難以保證工件加工精度及控制加工成本，而且可能因切削力過大等原因造成機(jī)床被迫停機(jī)，影響數(shù)控機(jī)床效能的正常發(fā)揮。同時(shí)隨著市場競爭的口趨激烈，具有復(fù)雜曲面的產(chǎn)品越來越多，零件復(fù)雜度也不斷的增加，例如復(fù)雜曲面在加工過程中工件的幾何形狀不斷改變，僅憑人的經(jīng)驗(yàn)和查閱資料很難合理給出進(jìn)給速度，為安全起見，工藝人員往往根據(jù)最壞的切削條件選擇切削參數(shù)，并在整個(gè)工序中基本維持不變，較大的冗余造成數(shù)控機(jī)床利用率不高，限制了機(jī)床效能的充分發(fā)揮。數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)代自動(dòng)化、柔性化及數(shù)字化生產(chǎn)加工技術(shù)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，它的發(fā)展和運(yùn)用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代，使普通機(jī)械被數(shù)控機(jī)械所代替，全球制造業(yè)發(fā)生了根本性變化。 目前，大多數(shù)工廠在生產(chǎn)中 憑經(jīng)驗(yàn)或參考切削用量手冊來選擇切削用量，這往往達(dá)不到切削參數(shù)的最優(yōu)選。 數(shù)控加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡是確定數(shù)控加工工藝的重要環(huán)節(jié)。故本文對球頭銑刀的運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)選進(jìn)行了理論研究 。詳細(xì)給出了求取優(yōu)化的切削用量的框圖和實(shí)際例子。數(shù)控加工的不斷變革和創(chuàng)新，將給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的效益。目前，大多數(shù)工廠在生產(chǎn)中憑經(jīng)驗(yàn)或參考切削參數(shù)手冊來選擇切削參數(shù)，這往往達(dá)不到切削參數(shù)的最優(yōu)選。本課題在數(shù)控切削加工參數(shù)優(yōu)化方面主要進(jìn)行了基于數(shù)控切削加工參數(shù)優(yōu)化的過程及方法的研究。 logo YJ. Lin, T. S. Lee 提出了一種用于自由曲面零件精加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成算法。通過在加工過程中隨時(shí)檢測切削力、刀具溫度或機(jī)床主軸扭矩等變量，根據(jù)反饋的信息來實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)切削參數(shù)，以獲得最優(yōu)的切削效率，提高加工質(zhì)量。 1979 年清華大學(xué)在國內(nèi)率先對銑削過程的功率約束自適應(yīng)控制進(jìn)行了試驗(yàn)性研究。但該研究成果目前還存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即測力傳感器對加工工件尺寸及切削力的要求十分嚴(yán)格，而且所用的測力傳感器造價(jià)昂貴，使得該系統(tǒng)目前還難以達(dá)到完全實(shí)用化。根據(jù)數(shù)控加工過程的動(dòng)力學(xué)模型 ，對影響加工質(zhì)量的刀具、夾具及工件的彎曲、疲勞、振動(dòng)及溫升進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測來獲得優(yōu)化的加工過程參數(shù) (如合適的刀具進(jìn)給量等 )。意大利 Bologn,大學(xué)用 B 樣條曲面建立端銑刀與工作臺(tái)模型，采用真實(shí)感圖形顯示銑床精加工過程。定參數(shù)優(yōu)化研究內(nèi)容主要是利用己有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以加工效率、加工成本和加工質(zhì)量中的一個(gè)或多個(gè)為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，然后選用合適的尋優(yōu)算法為特定零件的某一道工序選擇一組固定的最佳參數(shù)，主要包括進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速等等。 (b)確定加工工藝參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。數(shù)控銑削常用刀具的種類有面銑刀 (采用在盤狀刀體上機(jī)夾刀片或刀頭組成 )、立銑刀、成形銑刀、球頭銑刀和玉米銑 刀等，它們的選用是根據(jù)加工的對象的情況來進(jìn)行選擇的。 銑刀刀片的選擇 某些加工場合選用壓制刀片是比較合適的，有時(shí)也需要選擇磨制的刀片。另外，精加工所用的磨制銑刀片發(fā)展趨勢是磨出卷屑槽，形成大的正前角切削刃，允許刀片在小進(jìn)給、小切深上切削。例如直徑為 100mm 的粗齒銑刀只有 6 個(gè)齒，而直徑為 100mm 的密齒銑刀卻可有 8個(gè)齒。在同樣進(jìn)給速度下，粗齒銑刀每齒切削負(fù)荷較密齒銑刀要大。特別是銑削屬于斷續(xù)加工，刀片在頻繁地切入、切出，實(shí)際上冷卻液達(dá)不到刀尖，而是刀尖切入時(shí)被加熱，切出時(shí)被冷卻。 不銹鋼的導(dǎo)熱率較低，其熱量不能很好地傳至切屑，所以加工不銹鋼應(yīng)選用適當(dāng)?shù)那邢魉俣?，使切屑帶有淡淡的棕褐色。但?dāng)加工易燃性的材料 (如鎂和欽 )時(shí)，應(yīng)注意冷卻并備好滅火設(shè)施。 在進(jìn)行銑削時(shí)，斷屑有時(shí)會(huì)粘接或焊接到切削刃上，并且會(huì) 聚集到下一刃切削的起始周圍。所以粗銑時(shí)，若徑向切削寬度小于銑刀半徑時(shí)，增加走刀量，其刀具壽命將會(huì)提高，加工時(shí)間隨之縮短。如外車削時(shí)則可考慮選用 杠桿式或楔塊式 。 (b)選擇盡可能小的刀桿懸伸 。 在加工中心上進(jìn)行鐘削加工通常是采用懸臂式的加工。隨著加工中心的普及，現(xiàn)在的鐘孔加工只需要進(jìn)行編程和簡單的按 扭操作就可完成。在加工中心上發(fā)生顛振的原因主要有以下幾點(diǎn) : (a)工具系統(tǒng)的剛性 :包括刀柄、鐘桿、以及中間連接部分的剛性。 刀具的裝夾 在鐘孔時(shí)，最重要的是在加工中心上正確裝夾刀具。這種情況在鐘削小孔時(shí)更為嚴(yán)重。加工時(shí)，由于刀具在孔內(nèi)，切削液很難到達(dá)切削刃，造成切屑排出困難，影響刀具壽命。同時(shí)，麻花鉆又有標(biāo)準(zhǔn)型與加長型兩種為了提高鉆頭剛性，應(yīng)盡可能選用較短的鉆頭。 (b)切削刃區(qū)的剖面型式 (簡稱為刃區(qū)型式 ):常用的是鋒刃，也可以在切削刃區(qū)磨出負(fù) 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 13 倒棱，消振棱等。對于自動(dòng)線生產(chǎn)用刀具，主要考慮刀具工作的穩(wěn)定性，有時(shí)需要著重解決斷屑問題 。同時(shí)要求切削負(fù)載的波動(dòng)小。由于數(shù)控系統(tǒng)上一 般只配備直線、圓弧等插補(bǔ)功能，因此必須將給定的理論軌跡按允許的逼近誤差進(jìn)行離散逼近，并以其組合來近似描述刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡「 30,川。二維數(shù)控加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡因加工對象不同而常分為輪廓加工和型腔加工兩 種形式。型腔的加工包括型腔區(qū)域的加工與輪廓的加 工， 一般采用立銑刀或環(huán)形刀進(jìn)行加工。行切法加工，各切削行之間的距離為行距。 從加工效率 (走刀路線長短 )、代碼質(zhì)量等方面衡量，行切與環(huán)切走刀路線哪個(gè)較好要取決于型腔邊界的具體形狀與尺寸以及島嶼數(shù)量、形狀尺寸與分布情況。然而，一般地為了方便研究和計(jì)算，均將銑刀刀軸的頂點(diǎn)作為刀位點(diǎn)，稱為標(biāo)準(zhǔn)刀位點(diǎn)。由