【文章內容簡介】 研究熱點在于刀具姿態(tài)的優(yōu)化。刀軸的變化是三軸聯(lián)動加工與多軸聯(lián)動加工的本質區(qū)別，在三軸加工情況下，刀具軸線在工件坐標系中是固定的，總是平行于Z坐標軸：而五軸加工的情況下，刀具軸線一般是變化的。刀軸控制方式的定義決定了刀具的軌跡，從而從根本上決定影響了數控加工程序的優(yōu)劣。刀軸的控制方式是刀具切削過程中相對于加工表面的變化方式。其定義方法的原則是在保證加工質量要求的情況下實現高的切削效率，同時避免加工中的干涉問題和控制零件的欠切在可接受的程度。多軸加工的對象零件結構往往非常復雜，因此其刀軸的控制方式也多種多樣。常見的刀具軸線控制方式：垂直于刀軸驅動面，平行于刀軸驅動面，傾斜于刀軸驅動面。刀軸驅動面是指刀具在加工過程中，控制其軸線變化方式的曲面。理想情況下，刀具軸線應隨驅動面的變化而相應地實現小幅度變化并且實現優(yōu)良的切削姿態(tài)，高的切削效率，無干涉和欠切． 一般情況下，選擇加工表面作為刀軸驅動面是能夠滿足要求的，但對于復雜的零件曲面(如雕塑曲面)，零件表面作為刀軸驅動面將會難以使刀具處于最佳的切削狀態(tài)或容易引起刀軸的劇烈變化。從而引起過切和欠切。因此，刀軸驅動面的合理設置是多軸數控編程的關鍵因素。垂直于刀軸驅動面垂直于刀軸驅動面是指刀具軸線始終平行于刀軸驅動面相應點的表面法向矢量?？梢詫崿F大直徑刀具的端部銑削，從而獲得較大的切削寬度和行間切削殘余高度。能夠減小刀具軌跡長度和高的加工效率。平行于刀軸驅動面平行于刀軸驅動面是指刀具軸線始終垂直于刀軸驅動面相應點的表面法向矢量。一般采用刀具側刃銑削的方式，主要應用于直紋面的加工。傾斜于刀軸驅動面傾斜方向是五軸加工的一般控制方法。垂直于刀軸驅動面和平行于刀軸驅動面均為其特殊形式．復雜曲面加工過程中往往通過改變角度來避免刀具，工件，夾具，機床問的干涉和優(yōu)化數控程序。五軸數控銑削加工的切削方式可以根據實際產品的加工來進行合理的刀具軌跡設計規(guī)劃。 2)五軸數控加工的刀具運動軌跡控制 在復雜曲面的多坐標數控加工過程中，刀具軌跡的優(yōu)劣直接影響到其加工 精度和加工效率。同一曲面加工所選刀具軌跡的不同，其精度和效率是有很大 區(qū)別的．刀具軌跡優(yōu)劣評價的要素： l刀具軌跡的長度：即對零件加工的刀具軌跡的總長度，包括刀具的有效 路徑的長度和不進行切削的空行程長度。顯然，刀具軌跡越短，其加工效率越高． 2刀具軌跡的連續(xù)性：不連續(xù)的軌跡會因經常性的抬刀使刀具往返時間增 加而降低加工效率，而且零件的加工質量也會因為系統(tǒng)誤差而降低。所以在曲 面精加工時盡可能實現一刀切削。 3刀具軌跡方向的一致性：加工軌跡的不同選擇使曲面得法矢量的變化幅 度和變化頻率有很大的區(qū)別，從而影響了加工效率和質量。軌跡方向的一致性 包括刀具運動切線方向的變化情況。編程過程中，刀具軌跡的規(guī)劃應該沿著曲 面曲率變化較小的方向，從而使其切線方向和法矢量方向的變化盡可能?。勺冚S曲面輪廓銑是五軸加工的主要方式，常用于零件曲面的精加工。通 過控制刀具軸線，投射方向和驅動方法，可以復雜曲面的加工刀具軌跡。刀具軌跡創(chuàng)建一般要包括兩個步驟：第一是從驅動幾何體上產生驅動點，第二是將驅動點沿投射方向投射到零件幾何體上。 驅動點的產生取決于驅動方法的設定，可變軸銑削的驅動方法主要有曲線點驅動，邊界驅動，螺旋驅動和曲面驅動等方法。根據其驅動方法的不同，其 刀具軸控制的方法也不同。 3．2．4數控加工刀具的選擇 1)數控刀具特點 數控加工刀具應該適應數控機床高速，高效和自動化程高的特點，一般采 用模塊化結構，刀片多為可轉位機夾刀片，已經形成了標準化，系列化的特點。 一般來說與普通機床所用刀具相比，數控加工刀具具有以下特點： l互換性好，多采用可轉位機夾刀片，便于更換． 2切削性能穩(wěn)定，剛性好，抗振及紅硬性好。 3鏜削精加工刀具具有微調結構，便于調整刀具尺寸． 4刀具結構能夠可靠地斷屑。 5刀具標準化，系列化以便于加工程序編制 2)數控加工刀具的材料 數控加工刀具要適應高速，高效的自動化加工，其材料選取的原則是應該 具有高的硬度和韌性。通常情況下，刀具材料有一下幾種： 1硬質合金刀具。硬質合金刀具的特點是硬度高，紅硬性好，韌性一般，有一定的抗沖擊能力，是數控加工中應用最為廣泛的一種刀具材料，按其晶粒大小分為普通硬質合金，細顆粒硬質合金和微顆粒硬質合金；按其主要成分分為鎢基硬質合金和鈦基硬質合金；按其表面是否涂層可分為無涂層硬質合金和涂層硬質合金。 2陶瓷刀具。陶瓷刀具可分為氧化物陶瓷，氮化物陶瓷，立方碳化硼，金 剛石等，其特點是硬度高，韌性較差，難以用于沖擊力大的斷續(xù)切削。 3)數控加工切削刀具的種類 數控加工切削刀具的種類繁多，其中應用在數控銑削加工的刀具主要有平 底立銑刀，面銑刀，球頭刀，牛鼻刀和錐形刀。 3．3復雜曲面的數控加工誤差分析和補償 利用五軸數控機床加工復雜曲面時，平底立銑刀為其常用的加工刀具。刀 具運動常采用直線插補的方式。在加工過程中，刀具軸線矢量相對于曲面作相 應的變化，因此加工過程中的誤差為直線逼近誤差和刀具軸線擺動引起的誤 差6n。本文以平底立銑刀為例，分析復雜曲面的數控加工誤差【9】。下圖3．2所示： Y 圖3．2五軸聯(lián)動加工曲面刀具切削位姿圖 3．3．1五軸數控加工凸曲面時的誤差 1)線形逼近誤差6t 圖3．3所示為線性逼近誤差示意圖，編程時，通常用直線段AB來近似代替弧線AB，直線逼近誤差可以計算如下：在一查補直線段內，設弧線長為△S，對應的弧度為o，曲線曲率為k，則： 圖3．3五軸聯(lián)動加工直線逼近誤差 2)刀軸擺動誤差 如圖所示為數控加工過程中平底立銑刀刀具姿態(tài)與凸曲面的位置之間的關系。刀具擺動誤差是指編程過程中刀具軸線矢量的擺動所引起的誤差 1建立刀尖軌跡的直線方程。設刀具半徑為r’由兩點式直線方程可得： 2建立刀具切削點軌跡方程 在五軸數控加工曲面過程中，刀具是相對于刀具驅動曲面的法向成一定的 角度的，即存在一定的刃傾角和斜偏角。因此刀具軸線矢量在工件機床坐標系 中是不斷變化的，即。不斷變化的。所以切削點軌跡參數有兩個參數坐標：點 的坐標和刀軸矢量。在某一平面內，可用縱坐標y和刀具軸線矢量和y軸線的 夾角e。 由圖知： 3 分析五軸聯(lián)動數控加工凸曲面時，切削點軌跡的變化情況。 五軸聯(lián)動數控加工曲面時，數控控制系統(tǒng)大多采用直線插補，所以刀具中 心點的軌跡為直線，由數學知識可得，函數曲線的一階導數可以得到函數曲線 的單調性和極值情況，函數曲線的二階導數可以得到函數曲線的凸凹性。對上 式中函數對x求導得到下列關系： 可知，當刀具軸線矢量eO，yo時，切削點軌跡為凹曲線；當時，切削點軌跡為凸線；當時，切削點在此時為函數曲線的拐點。 4求解刀具軸線擺動誤差6 n，為了保證加工精度，其最大誤差MAx(6 n) 所求的值。 由上述可知，切削點軌跡曲線可能為凸曲線也可能是凹曲線，所以其值應 取絕對值。 5擺動誤差表達式的簡化 在五軸數控編程過程中，需要定義刀具軸線矢量相對于驅動面的方向，因 此，上式中，不是編程中所確定的關心的參數。五軸數控編程往往以加工曲 面作為刀軸的驅動曲面，因此刀具軸線矢量相對于曲面的切向角度為所求的關 聯(lián)參數。 如圖3．4示： 所以加工凸曲面的總編程誤差為： 3．3．2五軸聯(lián)動數控加工凹曲面時的誤差 五軸聯(lián)動加工凹曲面時，其編程加工誤差也分為直線逼近誤差和刀具軸線 矢量擺動誤差。 圖3．5五軸聯(lián)動加工凹曲面刀具位姿圖 1)直線逼近誤差分析 如圖3．5示：同數控加工凸曲面一樣，其直線逼近誤差為： 2)刀具軸線擺動誤差 刀具軸線擺動誤差的方向如圖，此時，其擺動誤差減小了直線逼近誤差的 影響，起到了修正的作用。由上分析可知：其誤差為： 3．3．3編程影響誤差因素分析補償 五軸聯(lián)動數控加工編程的誤差由直線逼近誤差和刀具軸線擺動誤差兩部分組成，其中，直線逼近誤差和加工刀具無關，只取絕于所加工的曲面曲率和插補段的弧長，正比例于加工曲面的曲率，正比例于插補段的弧長的平方。刀具軸線擺動誤差既相關于刀具的半徑，又相關于所加工曲面的曲率和插補段的弧長。 所以影響五軸聯(lián)動數控加工加工復雜曲面的編程誤差主要因素有：加工刀 具的半徑，被加工曲面的形狀，和插補步長等。在被加工對象一定的情況下， 選擇合適的加工刀具和刀具軌跡加工路線將有助于減少編程階段引進的誤差。 由上分析可知： 1)直線逼近插補誤差可通過控制走刀步長來控制。 加工曲面過程中，加工曲面的形狀是不可控的，通過對走刀步長L的控制， 對逼近允許誤差c，有 2)刀具軸線擺動誤差的補償方法： 加工凸曲面過程中，刀具軸線擺動誤差引起了總誤差的增加，因此，在滿 足不過切的條件下，盡量增大刀具軸線和切削曲線切向夾角。即刀具盡量貼近 加工曲面。另外可以做輔助加工面，移動切削點的位置，使刀具軸線擺動誤差 對總誤差起到修正的作用。 加工凹曲面過程中，刀具軸線擺動誤差對總誤差起了修正作用，此時，在 滿足不過切的條件下，計算選擇合適的刀具軸線和切削曲線切向夾角，可以顯 著地減小編程的總誤差． 3．4高速加工技術及應用 影響高速加工應用的關鍵要素 1)CAD模型對高速加工的影響 高速加工的對象一般是復雜零件的特征，其中曲面加工是其中最重要的方 面。因此，加工對象一般為三維的cAD模型，其形狀直接決定了刀具的加工， 是影響加工軌跡的主要方面，其精度則影響了最終的加工精度。加工的結果與 采用何種方法造型是無關的，但無需加工的特征則往往嚴重地影響了刀具軌跡。 因此對模型精度的高要求和模型的適當處理是必要的。 l