【正文】 刀具幾何參數(shù)的合理選擇 ........................................... 12 刀具合理幾何參數(shù) ........................................... 12 刀具合理幾何參數(shù)選擇的一般原則 ............................. 13 3 數(shù)控切削加工工藝參數(shù)優(yōu)化走刀模型的建立 ................................ 14 引言 ............................................................. 14 數(shù)控切削加工刀具的切削運動 ....................................... 14 二維數(shù)控切削加工刀具切削運動軌跡 ........................... 14 三維型腔數(shù)控銑削加工 ....................................... 17 V 球頭銑刀加工平、曲面切削力建模 ................................... 21 球頭銑刀銑削參數(shù) ........................................... 21 球頭銑刀銑削 行距與殘留高度的相互關(guān)系 ....................... 21 球頭銑刀切削加工的微元法分析 ..................................... 23 球頭銑刀切削微元的切削層參數(shù) ..................................... 25 切削層厚度 ................................................. 25 切削層寬度 Db ............................................... 26 切削面積 .................................................... 26 銑削力的一般計算方法 ....................................... 27 4 數(shù)控切削加工工藝 參數(shù)優(yōu)化目標的研究 .................................... 29 單目標函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立 ......................................... 29 單件平均生產(chǎn)時間的計算 wt ................................... 29 單件平均加工成本 ((C)的計 算 ................................. 30 優(yōu)化目標之間的關(guān)系及其合理選擇 ............................. 31 多目標函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立 ......................................... 32 主要目標法多目標優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立 .......................... 32 基于線性加權(quán)法的多目標優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 ......................... 33 數(shù)控銑削、車削目標函數(shù)的建立 ..................................... 33 5 數(shù)控切削加工工藝參數(shù)優(yōu)化約束的研究 .................................... 36 約束的來源 ....................................................... 36 制約條件函數(shù) ..................................................... 36 6 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化設(shè)計實例 .......................................... 39 切削參數(shù)單目標優(yōu)化 ............................................... 39 優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的建立 ..................................... 39 基于 MATLAB 優(yōu)化工具箱實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型求解 ...................... 41 7 結(jié)論 .................................................................. 48 致 謝 ................................................................... 49 參考文獻 ................................................................ 50 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 1 1 緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，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(yīng)用于制造系統(tǒng)中。 I 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 摘 要 近年來，數(shù)控技術(shù)正向著高效率、高精度和高智能化方向快速發(fā)展。制造系統(tǒng)正向著數(shù)字化、集成化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化及柔性化的方向發(fā)展。而運用現(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，則是切削參數(shù)優(yōu)化的一個重要發(fā)展方向。 Alan C. Lin, and HaiTerng Liu 提出通過由接觸或非接觸測量裝置得到的大量的數(shù)據(jù)點直接生成 3軸數(shù)控加工的刀具運動軌跡生成方法和算法。 西安交通大學(xué)于 1989 年研制了用 TP801 單 板機作為自適應(yīng)控制器的恒功率、恒扭矩的最優(yōu)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 國外在數(shù)控加工過程仿真方面做了許多工作。對銑削加工來說，長期以來，離線變參數(shù)優(yōu)化的研究主要集中在銑削力模型的建立上，從早期的 Wang 到最近的Fussell 和 Jeong，銑削力計算模型經(jīng)歷了平均剛性力模型 (根據(jù)材料去除率估算平均銑削力，即 MMR 模型 )到瞬時剛性力模型的過程，并己口趨完善，但采用這些現(xiàn)代優(yōu)化算法對切削參數(shù)的研究還都處于初級階段，并在特定的條件下具有一定的可行性和有 效性，同時也取得了一定的經(jīng)濟效益。過去幾年以來，伴隨著機床的不斷發(fā)展，銑 削發(fā)展己經(jīng)成為可加工大量不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的通用方法。壓制的刀片有時前刀面上有卷屑槽，可減小切削力，同時還可減小與工件、切屑的摩擦，降低功率需求。 在進行重負荷粗銑時，過大的切削力可使剛性較差的機床產(chǎn)生振顫。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 8 現(xiàn)代的刀具涂層能使溫度裂紋產(chǎn)生的概率大大降低，更加促進了干式切削的發(fā)展，特別是 TiAlN 涂層刀具很適合于干式切削。刀片被強行推入切口后，通常會與由正在切削的刀片所導(dǎo)致的加工淬硬表面接觸，同時在摩擦力和高溫的作用下產(chǎn)生摩擦和拋光效果。 數(shù)控車削刀具優(yōu)選 數(shù)控車床是目前應(yīng)用較廣的數(shù)控機床，主要用于旋轉(zhuǎn)體零件的車、鏜、鉆、鉸、攻絲等加工，一般能自動完成內(nèi)外圓柱面 、圓錐面、球面、端面等工序的切削加工。刀桿懸伸在 4 倍到 7倍桿徑時，可以使用重金屬刀桿或者整體硬質(zhì)合金刀桿。也不可能像數(shù)控車床那樣可以只調(diào)節(jié)數(shù)控按扭就可以改變加工 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 11 直徑。 主要表現(xiàn)在以下幾方面 : (a)切削刃相對于工件的主后角減小，導(dǎo)致刀具的后刀面與工件接觸，使刀片與工件之間發(fā)生摩擦，當(dāng)?shù)镀D(zhuǎn)時，這種摩擦進一步會使刀尖發(fā)生偏離，導(dǎo)致刀具更深地切入工件。 在金屬切削中，鉆 頭的消耗量約占刀具總消耗量的 23。 刀具合理幾何參數(shù)選擇的一般原則 在選擇刀具合理幾何參數(shù)時應(yīng)注意以下幾個問題 : (a)注意各個幾何參數(shù)之間的聯(lián)系 :刀具的刃形、刃區(qū)、刃面和角度之間是相互聯(lián)系的，應(yīng)該綜合起來考慮它們之間的作用與影響，分別確定其合理的 數(shù)值。反之為了生成加工所需的刀具運動軌跡，必須很清楚的了解工藝基本知識，并在此基礎(chǔ)上合理地確定加工工藝參數(shù)。對于二維銑削，無論是外輪廓或內(nèi)輪廓，要安排刀具從切向進入輪廓進行加工，當(dāng)輪廓加工完畢之后，要安排一段沿切線方向繼續(xù)運動的距離退刀，這樣可以避免刀具在工件上的切入點和退出點處留下接痕。其優(yōu)點是銑刀的銑削方式不變。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。 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。 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 。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。 (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。 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。環(huán)切法加工一般是刀具沿型腔邊界走等距線，如圖 , 所示。 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)。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。 (c)刀面型式 :如前刃面上磨出斷屑槽等。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。在小孔鐘削中，刀具的中心高是導(dǎo)致刀具失效的重要因素。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。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 。當(dāng)然，精銑需要工件表面光潔，所以應(yīng)限制走刀量。 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。這種很快地加熱、冷卻，極易引起熱裂紋。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。粗加工最好選用壓制的刀片，這可降低加工成本。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。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)尋找特定目標的最優(yōu)化加工參數(shù)。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。 1980 年上海交通大學(xué)對以扭矩為約束目標的數(shù)控車削自適應(yīng)控制進行了試驗研究。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。 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。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。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，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。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。 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。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。 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)。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 。 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。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。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。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。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。切削力也更容易將工件從工作臺上抬起。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 。 (c)選擇剛性盡可能大的夾緊，以減少振動的危險。這便成了完全自動化加工的一個很大的障礙。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