【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(yùn)動(dòng) ....................................... 14 二維數(shù)控切削加工刀具切削運(yùn)動(dòng)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(jì)算方法 ....................................... 27 4 數(shù)控切削加工工藝 參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)的研究 .................................... 29 單目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立 ......................................... 29 單件平均生產(chǎn)時(shí)間的計(jì)算 wt ................................... 29 單件平均加工成本 ((C)的計(jì) 算 ................................. 30 優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系及其合理選擇 ............................. 31 多目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立 ......................................... 32 主要目標(biāo)法多目標(biāo)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(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 ......................... 33 數(shù)控銑削、車削目標(biāo)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(jì)實(shí)例 .......................................... 39 切削參數(shù)單目標(biāo)優(yōu)化 ............................................... 39 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立 ..................................... 39 基于 MATLAB 優(yōu)化工具箱實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型求解 ...................... 41 7 結(jié)論 .................................................................. 48 致 謝 ................................................................... 49 參考文獻(xiàn) ................................................................ 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(jìn)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(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，則是切削參數(shù)優(yōu)化的一個(gè)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(diǎn)直接生成 3軸數(shù)控加工的刀具運(yùn)動(dòng)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(jī)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(duì)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(jì)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(shí)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(duì)切削參數(shù)的研究還都處于初級(jí)階段，并在特定的條件下具有一定的可行性和有 效性，同時(shí)也取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。過去幾年以來，伴隨著機(jī)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(shí)前刀面上有卷屑槽，可減小切削力，同時(shí)還可減小與工件、切屑的摩擦，降低功率需求。 在進(jìn)行重負(fù)荷粗銑時(shí)，過大的切削力可使剛性較差的機(jī)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(jìn)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(qiáng)行推入切口后，通常會(huì)與由正在切削的刀片所導(dǎo)致的加工淬硬表面接觸，同時(shí)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(jī)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(dòng)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(shí)，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(duì)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(shí)，這種摩擦進(jìn)一步會(huì)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(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題 : (a)注意各個(gè)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(yùn)動(dòng)軌跡，必須很清楚的了解工藝基本知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上合理地確定加工工藝參數(shù)。對(duì)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(jìn)入輪廓進(jìn)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(yùn)動(dòng)的距離退刀，這樣可以避免刀具在工件上的切入點(diǎn)和退出點(diǎn)處留下接痕。其優(yōu)點(diǎn)是銑刀的銑削方式不變。在生成刀具軌跡時(shí)，通常是先生成 CC 點(diǎn)，而后再計(jì)算生成相應(yīng)的 CL點(diǎn)。 盡管原則上作為約束曲面的類型是任意的 ，然而實(shí)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(diǎn) (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(diǎn)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(diǎn)，俗稱 CC 點(diǎn) (Cutter Contact)，通常又簡稱為刀觸點(diǎn)。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(yùn)動(dòng)軌跡，通常采用刀具半徑補(bǔ)償功能來實(shí)現(xiàn)。在數(shù)控加工中刀具運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，將 直接影響零件加工過程中切削力波動(dòng)的大小，進(jìn)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?yàn)檫@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(shí)，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(jìn)污物，否則會(huì)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(shí)同時(shí)參與切削的刀齒數(shù)目，影響到切削的平穩(wěn)性和對(duì)機(jī)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(shí)，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(biāo)的最優(yōu)化加工參數(shù)。通過建立一個(gè)這樣的仿真系統(tǒng)，在實(shí)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(cè)或經(jīng)驗(yàn)的保守選擇，充分發(fā)揮了機(jī)床的潛能，大大提高了生產(chǎn)效率，而且可以對(duì)加工產(chǎn)品的精度進(jìn)行預(yù)測，給出滿足加工要求的誤差補(bǔ)償方法，設(shè)計(jì)出合理的切削工藝方案。 1980 年上海交通大學(xué)對(duì)以扭矩為約束目標(biāo)的數(shù)控車削自適應(yīng)控制進(jìn)行了試驗(yàn)研究。它的目的是使一般的刀具運(yùn)動(dòng)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(jī)械零件加工工藝的一個(gè)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(dòng)中解放出來，并實(shí)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(jì)效益。因此，為提高數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)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(jìn)行優(yōu)選，是一個(gè)既緊迫又極具有實(shí)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(jìn)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(duì)數(shù)控車削加工的特點(diǎn)，結(jié)合被加工零件的特征，提出了數(shù)控車削加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)生成的算法。 1993 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)鉆床和銑床的恒功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析，并研制出一套實(shí)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(jī)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(jī)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)，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(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀片的崩刃，從而縮短刀具壽命。因?yàn)楫?dāng)切入金屬時(shí)，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(tái)上抬起。數(shù)控車床能兼作粗、精車削，粗車時(shí)切削用量較大，要求粗車刀強(qiáng)度高、耐用度好 。 (c)選擇剛性盡可能大的夾緊，以減少振動(dòng)的危險(xiǎn)。這便成了完全自動(dòng)化加工的一個(gè)很大的障礙。切削刃的幾何參數(shù)對(duì)切削效率的高低和加工質(zhì)量的好壞有