【正文】 軌跡對于加工質(zhì)量和加工效率有著重要影響，所以有必要對刀具軌跡的生成及其優(yōu)化進行進一步的研究。 第二種方法并不直接構(gòu)造零件曲面的偏置面，而是通過迭代計算直接在約束面上求取刀具與被加工面相切的一系列刀位點，由此構(gòu)成刀具軌跡，即如圖 (c)所示。球頭銑刀切削力是選擇機床、刀具、夾具及實現(xiàn)銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。因此，刀頭縱向與法向的切削深度有所不同，我們分別以 pa 與 0pa 表示。 由以上圖 形可以知道，如球頭銑刀對稱切削，當(dāng) 0pa 大于 R時，即 0)( 0 ??? ZRap （ Z為微元面沿曲面法向所處位置的參數(shù) )時，銑削微元的半徑為 Rr? 。反之，當(dāng)大于 Rh 時，則為切削深度大于球頭半徑 R的情 形。曲面的局部形態(tài)可分為凸曲面、陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 22 凹曲面和平面。因此在曲面加工時，常常規(guī)劃出平行或環(huán)形的二維走刀路線，然后再將其投影到待加工曲面上得到刀觸點路徑，由此形成刀具路徑。它一般適用于參數(shù)線分布均勻的曲面加工。 (b)刀具偏置曲面 當(dāng)?shù)毒呓佑|點 (CC 點 )遍歷整個曲面時，由其相應(yīng)的刀位點 (CL)構(gòu)成的曲面稱為刀具偏置曲面。曲面加工可在三坐標(biāo)、四坐標(biāo)或五坐標(biāo)數(shù)控機床上完成，其中三坐標(biāo)曲面加工應(yīng)用最為普遍。環(huán)切法加工刀具運動軌跡的計算，在一定意義上可以歸結(jié)為平面封閉輪廓曲線的等距線計算。 切削內(nèi)腔區(qū)域時，環(huán)切和行切等兩種走刀路線在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。例如，圖 所示為銑削外圓可采取的走刀路線，其切向進退刀采取的是直線段。 滿足這兩個條 件所生成的刀位點數(shù)最少，刀具路徑長度最短，可大大提高加工效率。 數(shù)控切削加工刀具的切削運動 刀具軌跡生成是復(fù)雜曲面零件數(shù)控加工中的重要內(nèi)容。不能顧此 失彼。不能不考慮它們之間的內(nèi)在聯(lián)系而孤立地選擇某一參數(shù)。擴孔鉆的刀體強度高、剛性好，能采用較大的進給量和切削速度，其導(dǎo)向性好，切削平穩(wěn)，但不能很好地糾正鉆孔留下的加工誤差。在加工中心上大約有 20～30%的工時用來進行鉆削加工。此外，刀具前角也將減小，這樣可穩(wěn)定工作壓力。切削刃的幾何參數(shù)對切削效率的高低和加工質(zhì)量的好壞有很大影響。 (c)工件自身或工件的固定剛性 :像一些較小、較 薄的部件由于其自身的剛性不足，或由于工件形狀等原因無法使用合理的夾具進行充分的固定。這便成了完全自動化加工的一個很大的障礙。通常，推薦鐘削最 大孔深為四倍刀桿直徑，對于較深孔地粗鐘和精鐘，應(yīng)選用具有防振鐘削地刀具。 (c)選擇剛性盡可能大的夾緊，以減少振動的危險。刀片的形狀有三角形、正方形、六邊形等，它們根據(jù)相應(yīng)的刀夾系統(tǒng)而定。數(shù)控車床能兼作粗、精車削，粗車時切削用量較大，要求粗車刀強度高、耐用度好 。因為逆銑時，刀片切入前產(chǎn)生強烈摩擦，造成加工表面硬化，使下一個刀齒難以切入。切削力也更容易將工件從工作臺上抬起。過高的進給量會引起材料的堆積，而進給量 過低又會使刀具與工件發(fā)生摩擦，也會導(dǎo)致過熱。因為當(dāng)切入金屬時，切削的熱量使 TiAlN 表面發(fā)生化學(xué)變化，使表明硬度更高。由于密齒銑刀同時有較多的齒參與切削，當(dāng)用較大切削深度 (～ 5mm)時，要注意機床功率和剛性是否足夠，銑刀容屑槽是否夠大。這種振顫會導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀片的崩刃，從而縮短刀具壽命。 作為另一種組合，可以將壓制刀片裝在大多數(shù)銑刀的刀片座內(nèi)，再配置一磨制的刮光刀片 。但是壓制的刀片 表面不像磨制刀片那么緊密，尺寸精度較差，在銑刀刀體上各刀尖高度相差較多?？偟膩碇v，面銑刀常用于端銑較大的平面 。銑削主要通過旋轉(zhuǎn)的多切削刃 刀具，沿著工件在幾乎任何方向上執(zhí)行可編程的進給運動，從而完成金屬切削。包括用 MATLAB 求解的數(shù)控車削切削參數(shù)單目標(biāo)優(yōu)化。 本文研究的主要內(nèi)容 由于在數(shù)控加工過程中，切削條件不是一成不變的，但在現(xiàn)在的數(shù)控加工中還大都是人為的選擇保守的切削參數(shù)，并且在加工過程中這些參數(shù)保持不變，從而大大降低了數(shù)控機床的生產(chǎn)效率。 在數(shù)控加工在線參數(shù)優(yōu)化發(fā)展的同時，隨著計算機仿真技術(shù)的口趨成熟，離線加工過程參數(shù)優(yōu)化的方法近年來也在迅速發(fā)展。美國 Mayland大學(xué)開發(fā)了用于培訓(xùn)數(shù)控操作人員的虛擬數(shù)控機床仿真器 。 OMAT 技術(shù)在 全國己得到了一定程度的推廣，受到了客戶的好評。 1993 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)對鉆床和銑床的恒功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)進行了較系統(tǒng)的分析，并研制出一套實用的功率檢測系統(tǒng)。但該系統(tǒng)并未得到推廣應(yīng)用，其主要原因是系統(tǒng)要求對刀具磨損進行在線測量，而迄今為止還沒有工業(yè)界廣泛接受的直接測量刀具磨損的方法。楊光友等針對數(shù)控車削加工的特點，結(jié)合被加工零件的特征，提出了數(shù)控車削加工刀具運動軌跡自動生成的算法。 Yong Seok Suhand Kunwoo Lee 提出以雕塑曲面為約束面的任意型腔數(shù)控銑削加工刀具運動軌跡生成方法。 金屬切削加工切削參數(shù)中包括三要素 :切削速度、進給量和背吃刀量，該三要素是切削加工中最活躍的因素，它們是數(shù)控切削加工的基本控制量。 本文選題目的及意義 傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)往往需要工藝編程人員手工選擇切削速度、進給速度等加工切削參數(shù)，才 能自動生成數(shù)控加工程序，加工程序的質(zhì)量較大地依賴于工藝編程人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控加工設(shè)備是制造系統(tǒng)的核心設(shè)備，是現(xiàn)代制造系統(tǒng)的重要組成部分。因此縮短切削加工時間，對提高生產(chǎn)效率起著非常重要的作用。因此，為提高數(shù)控機床的自動化生產(chǎn)程度，以精度和效率為目標(biāo)，優(yōu)化各種數(shù)控加工的參數(shù)，并把優(yōu)化的參數(shù)進行優(yōu)選，是一個既緊迫又極具有實際意義的問題。 由于在數(shù)控加工過程中，特別是復(fù)雜曲面加工過程中，切削條件不是一成不變的，但在目前的數(shù)控加工中大都是人為的選擇保守的切削參數(shù)，并且在加工過程中保持切削參數(shù)不變，從而大大降低了數(shù)控機床的生產(chǎn)效率。提出一種切削加工藝參數(shù)優(yōu)化的方法，采用該方法獲得的切削參數(shù)能有效地提高加工效率，將工藝人員從大量的手工重復(fù)勞動中解放出來，并實現(xiàn)切削參數(shù)選取的科學(xué)化、合理化、規(guī)范化，為企業(yè)創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟效益。 數(shù)控加工切削參數(shù)是數(shù)控切削加工過程中的基本控制量。 切削參數(shù)的選擇是制定機械零件加工工藝的一個重要方面，選擇的恰當(dāng)與否，將直接影響到成品的質(zhì)量、生產(chǎn)率、加工成本等，然而由于影響切削參數(shù)的因素繁多，影響因素之間又相互交叉、相互制約，因而確定最佳的切削參數(shù)較為困難。 數(shù)控加工刀具運動軌跡的研究 多坐標(biāo)數(shù)控加工刀具運動軌跡生成是數(shù)控編程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，近幾年來，國內(nèi)外許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對此進行了大量的研究工作 ，針對不同的加工對象提出了許多實用的刀具運動軌跡生成方法，并得到了廣泛的應(yīng)用。它的目的是使一般的刀具運動軌跡生成方法適合加工含有分解的曲線、曲面或雕塑曲面的零件。從美國本迪克斯公司 1964 年研制開發(fā)了第一個優(yōu)化自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)以來，數(shù)十年間，隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成更容易、簡潔和廉價，從而極大地促進了數(shù)控加工在線參數(shù)優(yōu)化的研究。 1980 年上海交通大學(xué)對以扭矩為約束目標(biāo)的數(shù)控車削自適應(yīng)控制進行了試驗研究。 二十世紀(jì)九十年代末，以色列分別研制出了適用于數(shù)控車床和數(shù)控銑床 (OMAT 優(yōu)銑陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 4 裝置 )的金屬切削自適應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)降低生產(chǎn)成本最高可達 40%，還具有自學(xué)習(xí)功能，可以說是數(shù)控加工中的一項革命性突破。通過建立一個這樣的仿真系統(tǒng)，在實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)依照手冊或經(jīng)驗的保守選擇，充分發(fā)揮了機床的潛能，大大提高了生產(chǎn)效率，而且可以對加工產(chǎn)品的精度進行預(yù)測，給出滿足加工要求的誤差補償方法，設(shè)計出合理的切削工藝方案。目前，數(shù)控加工過程仿真，尚屬以理想幾何圖形來檢驗數(shù)控代碼是否正確的幾何仿真，此時刀具和工件均被 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切削加工的影響 。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)。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。選取刀具時，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。從銑削加工的角度考慮，主要加工對象分為平面類零件 (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 )。粗加工最好選用壓制的刀片，這可降低加工成本。而沒有尖銳前角的硬質(zhì)合金刀片，當(dāng)采用小進給小切深加工時，刀尖會摩擦工件，刀具壽命短。齒距的大小將決定銑削時同時參與切削的刀齒數(shù)目，影響到切削的平穩(wěn)性和對機床功率的要求。 精銑時切削深度較淺，一般為 ～ ，每齒的切削負荷小，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給量。這種很快地加熱、冷卻，極易引起熱裂紋。如果切屑變成深褐色，表明其切削速度己達最高限度。 值得一提的是，當(dāng)干切時，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，但要注意不要帶進污物，否則會影響銑刀的安裝精度。進行逆銑時，斷屑比較容易被截留或楔入到刀片和工件之間，從而會導(dǎo)致刀片破裂。當(dāng)然，精銑需要工件表面光潔，所以應(yīng)限制走刀量。用于內(nèi)孔加工則可考慮選擇螺釘式。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 。因而對鐘刀剛性與精度要求較高。正因為這樣，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。因為是懸臂加工所以特別是小孔、深孔及硬質(zhì)工件的加工，工具系統(tǒng)的剛性尤為重要。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。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 )。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。在加工中心上鉆孔都是無鉆模直接鉆孔，因而對鉆頭的要求較高，鉆頭的兩主切削刃必須有較高的對稱度，在鉆孔前最好先用中心鉆鉆一中心孔 ，以保證位置精度。 (c)刀面型式 :如前刃面上磨出斷屑槽等。機床的剛性和動力不足時，刀具應(yīng)力求鋒利，以減小切削力。在數(shù)控加工中刀具運動軌跡設(shè)計質(zhì)量的好壞，將 直接影響零件加工過程中切削力波動的大小，進而影響精加工的表面質(zhì)量。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。 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)控銑削加工刀具運動軌跡，通常采用刀具半徑補償功能來實現(xiàn)。型腔的切削分兩步，第一步切內(nèi)腔，第二步切輪廓。環(huán)切法加工一般是刀具沿型腔邊界走等距線，如圖 , 所示。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 )。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 18 刀具接觸點，俗稱 CC 點 (Cutter Contact)，通常又簡稱為刀觸點。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。 (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 (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路徑來生成刀具軌跡的方法。建立球頭銑刀切削力模型具有重要的現(xiàn)實意義。同時，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)個微元，其厚度用 zd 表示。當(dāng) 0pa 小于 R時，亦即 RZ??0 時，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 ? 。 0pa 的 含義為當(dāng)切削深度小于或等于 Rh 時，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 。 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。 盡管原則上作為約束曲面的類型是任意的 ，然而實際上約束表面一般是平面或面。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。在生成刀具軌跡時，通常是先生成 CC 點，而后再計算生成相應(yīng)的 CL點。 圖 型腔類零件示意圖 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 17 圖 沿 X方向行切示意圖 圖 沿 Y方向行切示意圖 圖 由內(nèi)而外的環(huán)切方式 圖 由外而內(nèi)的環(huán)切方式 三維型腔數(shù)控銑削加工 曲面加工在模具、飛機、動力設(shè)備等眾多制造部門中具有重要地位，一直是數(shù)控加工技術(shù)的主要應(yīng)用對象。其優(yōu)點是銑刀的銑削方式不變。粗加工的刀具運動軌跡是從型腔邊界輪廓向里及從島嶼輪廓向外偏置銑刀半徑 R并且留出精加工余量而形成，它是計算內(nèi)腔區(qū)域加工刀具運動軌跡的依據(jù)。對于二維銑削，無論是外輪廓或內(nèi)輪廓，要安排刀具從