【文章內(nèi)容簡介】 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 )。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。只有這樣，數(shù)控仿真系統(tǒng)才會發(fā)揮更大的作用，才能成為完善的、真正意義上的仿真系統(tǒng)。 國外在數(shù)控加工過程仿真方面做了許多工作。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 。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 。韓國 TurboTEK 公司開發(fā)出面向培訓(xùn)的虛擬數(shù)控車削及銑削加工環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控加工的幾何仿真并配有聲音信息 ?？诒?SONY 公司研制的 FREDAM 系統(tǒng)可對球頭銑刀加工自由曲面進(jìn)行三維仿真，并進(jìn)行干涉、碰撞檢查 。意大利 Bologn,大學(xué)用 B樣條曲面建立端銑刀與工作臺模型，采用真實(shí)感圖形顯示銑床精加工過程。目前，數(shù)控加工過程仿真，尚屬以理想幾何圖形來檢驗(yàn)數(shù)控代碼是否正確的幾何仿真，此時(shí)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 。迄今為止，國內(nèi)外絕大多數(shù)己開發(fā)研制出的數(shù)控仿真系統(tǒng)只能稱為一個(gè)幾何仿真系統(tǒng)。清華大學(xué)與華中理工大學(xué)共同開發(fā)的加工過程仿真器 HMPS 和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的數(shù)控加工過程三維動(dòng)態(tài)圖形仿真器 NCMP 雖然己較好地解決了加工過程圖形的描述及數(shù)控代碼驗(yàn)證問題，但并沒有模擬仿真出數(shù)控切削加工時(shí)機(jī)床、刀具、工件所實(shí)際表現(xiàn)出的物理特性。 在數(shù)控加工在線參數(shù)優(yōu)化發(fā)展的同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)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。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。離線的參數(shù)優(yōu)化又可分為定參數(shù)優(yōu)化及變參數(shù)優(yōu)化，所謂定參數(shù)優(yōu)化是指設(shè)計(jì)參數(shù) 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 5 在一道工序中保持不變，反之稱為變參數(shù)優(yōu)化。定參數(shù)優(yōu)化方法主要適用于零件在該工序中切削條件變化不大的情況。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。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)。目前，變參數(shù)優(yōu)化研究內(nèi)容主要是以最短加工時(shí)間為目標(biāo)、以切削力為約束的進(jìn)給量的優(yōu)化。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(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(shí)也取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。 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。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。 (a)基于加工工藝參數(shù)的刀具選擇。分別對數(shù)控車削、銑削刀具及數(shù)控銑削刀具的優(yōu)選進(jìn)行了闡述。 (b)確定加工工藝參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)。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。 (c)建立正確的數(shù)學(xué)模型和恰當(dāng)?shù)募s束條件。 (d)軟件分析與計(jì)算。包括用 MATLAB 求解的數(shù)控車削切削參數(shù)單目標(biāo)優(yōu)化。 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。應(yīng)根據(jù)機(jī)床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相關(guān)因素正確選用刀具及刀柄。刀具選擇總的原則是 :安裝調(diào)整方便，剛性好，耐用度和精度高。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。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。 數(shù)控銑削刀具優(yōu)選 現(xiàn)代銑削是種非常普遍的加工方式。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。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。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。 數(shù)控銑削刀具應(yīng)用十分廣泛，各種平面輪廓和立體輪廓的零件，如凸輪、模具等都采用數(shù)控銑床加工 。此外，數(shù)控銑床還可以進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、攻絲等加工。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。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 )。一般而言，平面類的零件廣泛采用立銑刀，也常用面銑刀銑較大的平面 。傾斜角類零件和曲面類零件則常采用球頭銑刀。總的來講，面銑刀常用于端銑較大的平面 。立銑刀廣泛用于加工平面類零件 。球頭銑刀適用于加工空間曲面零件，有時(shí)也用于平面類零件較大的轉(zhuǎn)角或圓弧的差補(bǔ)加工 。而成形銑刀一般都是為特定的工件或加工內(nèi)容專門設(shè)計(jì)制造的，適用于加工平面類零件的特定形狀(如角度面、凹槽面等 )，也適用于特殊形狀的孔及臺的加工。 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。粗加工最好選用壓制的刀片，這可降低加工成本。壓制刀片的尺寸精度及刃口鋒利程度比磨制刀片差，但是壓制刀片的刃口強(qiáng)度較好，粗加工時(shí)耐沖擊并能承受較大的切深和進(jìn)給量。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。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。由于壓制刀片便宜，所以在生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。 對于精銑，最好選用磨制刀片。這種刀片具有較好的尺寸精度，所以刀刃在銑中的 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 7 定位精度較高，可得到較好的加工精度及表面粗糙度。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。而沒有尖銳前角的硬質(zhì)合金刀片，當(dāng)采用小進(jìn)給小切深加工時(shí)，刀尖會摩擦工件，刀具壽命短。磨過的大前角刀片，可以用來銑削粘性的材料 (如不銹鋼 )。通過鋒利刀刃的剪切作用， 減少了刀片與工件材料之間的摩擦，并且切屑能較快地從刀片前面離開。 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 。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。而應(yīng)用刮光刀片可減小循環(huán)時(shí)間、降 低成本。 銑刀刀體的選擇 首先，在選擇一把銑刀時(shí)，要考慮它的齒數(shù)。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。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)性和對機(jī)床功率的要求。每個(gè)銑刀生產(chǎn)廠 家都有它自己的粗齒、密齒銑刀系列。 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。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。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。 粗齒銑刀多用于粗加工，因?yàn)樗休^大的容屑槽。如果容屑槽不夠大，將會造成卷屑、排屑困難或切屑與刀體、工件的摩擦加劇。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。 精銑時(shí)切削深度較淺，一般為 ～ ，每齒的切削負(fù)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(jìn)給量。由于精銑中金屬切除率總是有限，密齒銑刀容屑槽小些也無妨。 對于錐孔規(guī)格較大、剛性較好的主軸，也可以用密齒銑刀進(jìn)行粗銑。由于密齒銑刀同時(shí)有較多的齒參與切削，當(dāng)用較大切削深度 (～ 5mm)時(shí)，要注意機(jī)床功率和剛性是否足夠，銑刀容屑槽是否夠大。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。 切削時(shí)冷卻和涂層的選擇 平面銑削是否要冷卻，存在爭議。當(dāng)用一個(gè)大直徑面銑刀銑削時(shí)，冷卻液難以噴到整個(gè)銑 刀。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。這種很快地加熱、冷卻，極易引起熱裂紋。如果刀片出現(xiàn)裂紋，并且在切削時(shí)從刀片座中落下，刀體還將會受到嚴(yán)重的損壞。 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。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。 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) 。當(dāng)速度進(jìn)一步提高，褐色切屑將變成藍(lán)色。如果切屑變黑，表明切削溫度過高，此時(shí)應(yīng)降低切削速度。 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)那邢魉俣龋骨行紟в械淖睾稚?。如果切屑變成深褐色，表明其切削速度己達(dá)最高限度。有時(shí)，為避免刀瘤，加工不銹鋼的切削熱又是需要的。 另外，冷卻液會使切屑冷卻太快而熔合在刀片上，導(dǎo)致刀具壽命降低。過高的進(jìn)給量會引起材料的堆積，而進(jìn)給量 過低又會使刀具與工件發(fā)生摩擦，也會導(dǎo)致過熱。 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。因此，應(yīng)避免使用冷卻液，以便觀察飛濺的切屑，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整切削速度和進(jìn)給量。熱切屑意味著熱量沒有傳到零件和刀具上，不會發(fā)生熱裂紋，從而延長了刀具壽命。但當(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。 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，否則會影響銑刀的安裝精度。 順銑和逆 銑的選擇 在進(jìn)行逆銑時(shí)，刀片從零切削厚度處開始切削，這會產(chǎn)生很高的切削力，從而推動(dòng)銑刀和工件彼此遠(yuǎn)離。刀片被強(qiáng)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(shí)在摩擦力和高溫的作用下產(chǎn)生摩擦和拋光效果。切削力也更容易將工件從工作臺上抬起。 在進(jìn)行順銑時(shí)，刀片從最大切屑厚度處開始切削。此舉可通過降低熱量和減弱加工淬硬趨勢來避免拋光效果。應(yīng)用最大切屑厚度非常有利，并且切削力更容易將工件推入銑刀，以使刀片進(jìn)行切削作用。 在進(jìn)行銑削時(shí)，斷屑有時(shí)會粘接或焊接到切削刃上，并且會 聚集到下一刃切削的起始周圍。進(jìn)行逆銑時(shí)，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。而進(jìn)行順銑時(shí)，同樣的斷屑會一分為二，從而不會損壞切削刃。 無論機(jī)床、夾具和工件的要求如何，順銑都是首選方法，這樣會取得更好的加工效果。因?yàn)槟驺姇r(shí)，刀片切入前產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，造成加工表面硬化，使下一個(gè)刀齒難以切入。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。如果小于 1/2 銑刀直徑，則刀片又開始“摩擦”工件，因?yàn)榍腥霑r(shí)切削厚度變小，每齒進(jìn)給量也將因徑向切削寬度的變 窄而減小。“摩擦”的結(jié)果使刀 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 9 具壽命縮短，對于硬質(zhì)合金刀具，增加每齒進(jìn)給量和減小切削深度是比較有利的。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，其刀具壽命將會提高，加工時(shí)間隨之縮短。當(dāng)然，精銑需要工件表面光潔，所以應(yīng)限制走刀量。試調(diào)整徑向銑削寬度，確定銑刀直徑與徑向銑削寬度之比的工作，最好在高精度機(jī)床上進(jìn)行，以便在調(diào)整比率的同時(shí)，觀察其工件表面粗糙度的變化。 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。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 。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。數(shù)控車床使用的刀具有焊接式和機(jī)夾式之分，為減少換刀