【文章內(nèi)容簡介】 內(nèi)；不論是順銑還是逆銑，要保持恒定；機(jī)床要有承受切削速度和加速度 能力；減少空程移動；避免突變的材料切除率；最短化切削時間。 針對實(shí)際的高速加工零件，在路徑路徑編制過程中要參考文獻(xiàn) [7]中給出的原則設(shè)計(jì)刀具路徑，主要內(nèi)容有 : （ 1）進(jìn)刀方式采用螺旋式或者圓弧式，并且是緩慢切入，其目的其盡量避免突變力的產(chǎn)生和延長刀具的使用壽命。 （ 2）切削要連續(xù)平穩(wěn)，速度上要擇取適當(dāng)且要連續(xù)。目的是避免突變出現(xiàn)。 （ 3）為保障切削過程產(chǎn)熱少、切削力度小和排屑順暢，需選擇小軸向切深。 (4)順銑是高速切削的首選，其所具有的特點(diǎn)有，加工過程穩(wěn)定，對刀具損害小，加工出來的工件的見面質(zhì)量最好！ 機(jī)械化時代的到來，對生產(chǎn)效率有了一定程度上的要求，這是供求關(guān)系導(dǎo)致的，針對提高一個零件加工速度，主要從兩個時間來提高，即實(shí)際切削時間和刀具空行程時間，若想減少一個零件的加工時間，提高生產(chǎn)率，需要同時將兩種時間縮小，其可實(shí)行的策略其合理安排刀具加工路徑，也就是說要 盡量的優(yōu)化路徑，盡量減少空行程時間。充分研究和優(yōu)化刀具路徑對大量加工構(gòu)件有相當(dāng)重要的意義。 路徑優(yōu)化問題是一個數(shù)學(xué)問題，其 優(yōu)化 的目的是讓道具在所有的路徑中選擇長度最 短 的走，在刀具加工的區(qū)域是點(diǎn)集，這樣問題就可以利用數(shù)學(xué)上的旅游商問題來解決這個刀具路徑有話問題。 數(shù)學(xué)上對旅游商問題的描述是這樣的：有一盒旅行售貨商要從他所在的城市出發(fā)，到周圍的幾個城市出售貨物，每個城市去一次，最后回到出發(fā)點(diǎn)，求他的一條最短路徑。對TSP(traveling salesman problem)做擴(kuò)展，就可以形成一種節(jié)點(diǎn)可變的廣義 的旅行商問題（ generalized traveling salesman problem，簡稱 GTSP）。 文獻(xiàn) [8][9][10][11]在對路徑有話方面的研究都是采取了旅行商問題模型，并且尋找到了解決刀具加工是存在的諸如路徑冗長、效率低下等問題。在文獻(xiàn) [9]中利用平面多輪廓加工路徑優(yōu)化模型，實(shí)時的對目標(biāo)函數(shù)做了優(yōu)化，并給出結(jié)束條件。 針對路徑有話的方法，除了使用旅行商模型，還有其他的模型可以進(jìn)行有話。在文獻(xiàn) [12]中，是運(yùn)用一種遺傳算法對刀具路徑排布的有話，文獻(xiàn) [13]是空群規(guī)律性排布下的正交優(yōu)化方法 。并且提出此種方法可以提高加工精度。文獻(xiàn) [14]給出可以解決切削槽加工中刀具路徑有話的問題的奇數(shù)偶數(shù)點(diǎn)圖作業(yè)法和最小權(quán)對集法。文獻(xiàn) [15]則針對孔加工路徑問題將其分為兩類做路徑優(yōu)化，分別是同類孔加工的路徑優(yōu)化和非同類的混合加工路徑優(yōu)化。同類的采用路徑最短化優(yōu)化和 X 方向優(yōu)化路徑等，針對不同類型的混合加工的則是從工序上和路徑雙方向來考慮。 構(gòu)件加工中的裝夾技術(shù) 裝夾技術(shù)的發(fā)展對工件的加工精確度有很大的幫助，在加工過程中，裝夾就是對毛構(gòu)件定位和夾緊工件。針對鋁合金薄壁構(gòu)件高速加工時所需的夾具，設(shè)計(jì)時除了 要有基本的功能外，還有考慮到鋁合金本身剛性差的缺點(diǎn)。正是由于這一不足，加工過程中產(chǎn)生的裝夾力、殘余應(yīng)力等都非常容易使構(gòu)件變形，除此之外，對于薄壁構(gòu)件，其裝夾位置、裝夾順序及其方式也是產(chǎn)生工件變形的原因，但是，在眾多影響工件變形的因素中，裝夾時產(chǎn)生的應(yīng)力對變形的影響大約占據(jù) 20－ 60％。對此，大部分學(xué)者把鋁合金構(gòu)件加工過程中變形問題視為瓶頸問題。但是，對夾具的設(shè)計(jì)也是加工鋁合金薄壁構(gòu)件必須要做的一項(xiàng)工作，也是重中之重的工作。 4 在國內(nèi)針對薄壁構(gòu)件裝夾方案的研究有很多，主要的研究的內(nèi)容是對其做進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)， 如為避免部分變形過大，并且讓其趨于變形均勻化，改變支撐力的數(shù)目，讓處在集中作用力的支撐分散受力；改變力的作用位置，合理分配夾緊力和支撐力的作用面，具體說，在剛性良好的表面盡量受夾緊力作用，在剛性差的表面讓其受支撐力作用；改變力的大小，在力的數(shù)目和位置確定以后，盡量選取小的夾緊力。 針對裝夾方法問題上，有多數(shù)的學(xué)者提出了不同于傳統(tǒng)意義上方法。文獻(xiàn) [21]中提到的射流法，其主要是用來加工大型薄壁構(gòu)件時控制變形的，工作機(jī)理是，在切削敏感方向使用高壓液體，對準(zhǔn)正在加工的工件部分噴射，這樣以來，可以起到浮動支撐作用， 進(jìn)而可以有效的減少切削力產(chǎn)生的加工變形。文獻(xiàn) [3]提出在加工過程中使用一種輔助支撐的方法。文獻(xiàn)[22]則是針對航空薄壁構(gòu)件加工而提出使用拉伸裝夾方法，并且結(jié)合有限元軟件對其過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力做數(shù)據(jù)模擬。文獻(xiàn) [24]是直接利用有限元分析方法，對加工工件時使用的裝夾方式做模擬來觀察其對加工造成的影響?；厩疤崾羌庸すぜ砻嫠璧臍堄鄳?yīng)力存在，從控制構(gòu)件加工變形的角度出發(fā)，對裝夾方案做優(yōu)化。如此所得到的結(jié)論是，框類零件的加工采用拉伸式裝夾是可以的，但是，若想將構(gòu)件變形控制在要求范圍內(nèi)，需要在操作中將拉伸力盡可能 取小，模具的拉伸距離盡可能取大，并且拉伸位置最好不要超出剛性良好的位置，除此之外，也要考慮到拉伸裝夾位置和順序、拉伸力等對工件精度的影響。在另外一部分學(xué)者中提出使用柔性夾具，就是在加工構(gòu)件時將型腔內(nèi)注入液體，進(jìn)而提高構(gòu)件剛度。在文獻(xiàn)[24]中，提出并且論證了在加工薄壁構(gòu)件時使用磁流變夾具可以達(dá)到預(yù)期效果，其工作流程是：加工構(gòu)件外部，其內(nèi)部需要注入磁流變液，然后通磁，此時，內(nèi)部液體會變成固體，將工件夾緊，達(dá)到減小工件變形的效果。完畢后，斷磁，去除磁流液體，完成構(gòu)件的加工。 有限元分析在構(gòu)件加工中的 應(yīng)用 在國際上，針對金屬構(gòu)件的加工過程進(jìn)行有限元分析的研究早已存在。 1940 年，關(guān)于金屬切削機(jī)理的研究， Mechant， Pilspanen 等人對其建造了金屬切削剪切角模型，同時給出了剪切角和前角關(guān)系。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有 限 元軟件不斷額成熟，并且在當(dāng)前逐漸成為模擬金屬加工過程的有力工具。 Lajczok 于 1980年建立正交切削模型，并且從實(shí)驗(yàn)中得到，在忽略切屑的前提下獲得了切削力。 1984 年，人們對工件材料進(jìn)行假設(shè)，將其理想化為鋼塑體，然后利用有限元對其進(jìn)行模擬，內(nèi)容是低速切削和低應(yīng)變下的穩(wěn)定切削過 程。另外一批人諸如Strenkowski和 Carroll等人則是將其定義為彈塑體，并且定義切屑和刀具的接觸面為絕熱面，通過分離原則為等效塑型應(yīng)變切屑，分析刀具、構(gòu)件、切屑之間的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的變化。 有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，所作用的領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)大，普通切削加工和精度要求比較高的切削加工都可以使用。 1993 年 Moriwaki等人使用有限元方法對無氧銅的微切削過程做了模擬，主要研究內(nèi)容是刀具與工件之間溫度的分布情況。在最近，臺灣科技大學(xué)的 Ship－ Peng Lo 等人對超精度切削過程中切削熱對切削力和工件變形 的影響做了研究。 起步晚的中國當(dāng)前正處在探索階段，其科研成果也是顯著的。文獻(xiàn) [33]是以鈦合金航空構(gòu)件為例，利用有限元方法，對周銑加工過程中切削力變化和表面變形的誤差分析做系統(tǒng)的研究，同時提出一些關(guān)鍵性的技術(shù)，如三維下非規(guī)則網(wǎng)格的刀具和工件變形的耦合疊加格式以及恒定網(wǎng)格下材料去效應(yīng)的變剛度處理方法等。 文獻(xiàn) [34]是研究薄壁構(gòu)件變形特點(diǎn)，將處在不同的切削區(qū)的切削模型做實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn) [35]是通過理論分析了航空薄壁構(gòu)件在加工時的變形機(jī)理，同時建立了銑削力學(xué)模型。文獻(xiàn) [36]是研究銑削過程中讓刀誤差和優(yōu)化銑削參數(shù)， 其例子是薄壁板，在高溫下拉伸或者壓縮獲取材料力學(xué)性能為前提，建立薄壁板銑削加工過程的熱力耦合有限元模型。通過模擬并且分析螺旋立銑削刀與零件加工時之間的作用力的關(guān)系，獲取銑削刀的力的變化曲線和因力所產(chǎn)生 銑削熱的分布狀況，進(jìn)而依據(jù)曲線分析得到在刀具與工件之間的物理作用對壁板隨刀具的旋轉(zhuǎn) 5 進(jìn)給運(yùn)動而產(chǎn)生讓刀變形，最終得到薄壁板在高速加工過程中產(chǎn)生的最大讓刀誤差。對此有限元模型的結(jié)果分析得，若要減小讓刀變形，需對薄壁件銑削用量和刀具的幾何形狀做優(yōu)化處理。 針對這方面的研究，其方法雷同，都是借助有限元軟件對其進(jìn)行分析 ，并且模擬出高速切削加工過程中出現(xiàn)的工件變形、切削、應(yīng)力分布、溫度場等。文獻(xiàn) [37]中，按照 ANSYS 軟件的使用要求，對工件做了諸如建模、網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件、添加荷載、求解器計(jì)算等步驟，然后分析了刀具和工件的受力情況。文獻(xiàn) [35]中是依據(jù)彈塑性理論為基礎(chǔ)，建立起材料的應(yīng)變硬化模型，然后借助有限元仿真技術(shù)，使用 ansys軟件可以生成二維正交金屬切削過程中剪切層及其切屑而進(jìn)行模擬仿真，且從其分析的結(jié)果中獲取了應(yīng)力應(yīng)變云圖和網(wǎng)格的變形圖，進(jìn)而找出切屑的形成過程和分析了剪切層的出現(xiàn)、刀具和工件的應(yīng)力以及切屑層的應(yīng)變變化情況。文獻(xiàn) [39]是借助 軟件對高速切削過程下加工的薄壁構(gòu)件用彈塑－熱耦合有限元方法進(jìn)行有效模擬，研究其變形區(qū)域內(nèi)的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力和切削力的分布。并且通過是結(jié)果得出結(jié)論是：在 2D 平面應(yīng)變結(jié)構(gòu)中，在熱禍合的情況下，其在刀具前方的變形區(qū)內(nèi)和刀具經(jīng)過的表面內(nèi)的主要應(yīng)力是殘余應(yīng)力，其數(shù)值是非常大。文獻(xiàn) [40]則是利用新拉格朗日方程對高速金屬切削加工過程做了模擬，并且在刀削接觸表面上建立兩類模型，即粘結(jié)滑移摩擦模型和庫倫摩擦模型。在兩種模型中，對切削力、切削厚度、刀削接觸長度和吃刀抗力做模擬獲 取預(yù)測數(shù)值，然后與相關(guān)文獻(xiàn)的檢測結(jié)果做比較分析，結(jié)論是粘結(jié)滑移模型優(yōu)于庫倫模型，更加與實(shí)際情況相吻合。也就是說，刀切屑接觸表面上在高速加工過程中會同時存在粘結(jié)和滑移摩擦。文獻(xiàn) [42]是采用 Johnson2Cook（ JC）模型對工件材料做模擬，采用的失效準(zhǔn)則是 JC 破裂模型，利用建立起來的有限元模型，分析了四種不同切削條件下的材料加工時切屑的形成過程，獲取了是相應(yīng)情況下的切削力，并且進(jìn)行對此分析，得到了相同加工條件下不同的不連續(xù)狀的切屑的形成，從切屑形成機(jī)理上，其不連續(xù)狀切屑的與在自由表面破裂的鋸齒狀切屑的是不 相同的。 本文主要研究目標(biāo)、內(nèi)容和方法 研究目標(biāo) 研究對象是波導(dǎo)器件 ，使用的方 法是通過理論分析、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值模擬和試驗(yàn)對高速加工中刀具選擇、走刀路徑、夾具設(shè)計(jì)和切削參數(shù)等基本加工工藝做一定程度的研究。 研究內(nèi)容 （ 1） 銑刀在高速狀態(tài)下的選用及其參數(shù)的設(shè)置 在高速加工過程中，刀具各個部分的離心力同切削力作比，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，這就從側(cè)面說明處在這樣的狀態(tài)下加工構(gòu)件，需要刀具具備一定的要求，具體對刀具做出的規(guī)定要求要根據(jù)加工材料的不同而定，其規(guī)定做出要求的刀具方面是，構(gòu)成材料、制定的形狀、 尺寸的大小和加工過程的情況。之所以對刀具做諸多的要求，主要是因?yàn)樵诟咚偌庸み^程中刀具發(fā)揮著重要作用，高速加工過程中最重要的一步則是在有效合理的選擇刀具上。 刀具的決定因素如下：刀具的形狀要順從構(gòu)件特征； 其形狀由最小圓角確定 刀具的尺寸參數(shù)；刀具的品牌或者說刀具的類型，要依據(jù)當(dāng)時市場情況和使用壽命而定；最后組合與整個機(jī)床工作，這其中要在完成幾何特征加工的基礎(chǔ)上，讓其切削力和構(gòu)件變形最小化。 （ 2）合理的選擇走刀路徑 傳統(tǒng)意義上的 NC 程序不能滿足當(dāng)前處在高速加工下的路徑選擇，在高速加工下，其特殊環(huán)境下的銑削在控 制上具有復(fù)雜性，若想保證高速下切削設(shè)備的合理運(yùn)作，刀具的走刀路徑的合理制定是首要考慮的。 假設(shè)使用了不合理的走刀路徑，高速銑削會對刀具和機(jī)床造成重大的破壞性，刀具的壽命和機(jī)床的局部或者整體都會有很大的影響。因此，在此方面要注意以下幾點(diǎn)，刀具路徑要平穩(wěn)恒定，下刀要注意避免直入，而采用圓弧下刀或者斜下刀，端點(diǎn)處要連續(xù)等。 6 （ 3）專用夾具設(shè)計(jì)和工件安裝方案的制定 鋁合金構(gòu)件自身所具有的剛性差，受力諸如切削力、夾緊力和殘余應(yīng)力等的作用容易變形，因此，若想保證構(gòu)件的質(zhì)量，關(guān)鍵是要控制好其變形，而控制的主要措施是裝夾方 案的制定。 初步定位構(gòu)件和確定夾緊方案的依據(jù)是理論上的分析，然后借助 ansys 軟件對受力情況和工件變形情況做模擬分析，最后通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，確定方案，將加工的構(gòu)件變形控制在允許的范圍內(nèi)。 研究方法 （ 1）理論分析 依據(jù)是金屬加工原理，分析薄壁構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其加工難點(diǎn)，找出構(gòu)件變形原因，優(yōu)化刀具路徑和設(shè)計(jì)夾具等。 （ 2）數(shù)值模擬 通過數(shù)值模擬可以分析出工件的變形情況。存在的問題，如何簡化加工模型、如何建立有限元模型、 ansys 軟件中如何建模等一系列的操作。 （ 3）試驗(yàn)驗(yàn)證 最為有效的研究方法就是試驗(yàn) ，論文中所涉及到的此類研究有刀具路徑優(yōu)化、設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案、數(shù)控程序編制和現(xiàn)象分析，最終得到切削加工參數(shù)。通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得到控制構(gòu)件變形的有效措施！ 第 2 章 構(gòu)件工藝分析及其選擇刀具的研究 7 概述 刀具的選擇在高速加工中有些舉足輕重的地位，也是至關(guān)重要的一步。之所以要嚴(yán)格選擇刀具是因?yàn)楦咚偌庸ぶ械毒吒鱾€部位受到的離心力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出切削力的作用。如圖 所示，影響刀具選擇的因素主要有 12 種因素。 工件材料工件形狀工藝特征機(jī) 床 設(shè) 備趕 工 條 件加 工 要 求刀 具 品 牌刀 具 參 數(shù)刀具選擇原料刀具壽命理論分析切 削實(shí) 驗(yàn)刀 具 選 擇 圖 影響刀具 選擇的因素 零件材料與結(jié)構(gòu)特性 零件的材料屬性 表 的化學(xué)成分 合金元素 % 雜質(zhì) % 不大于 Cu Mg Al Mn Fe Si Zn Ni Ti Fe+Ni else 工件材料選