【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 研究熱點(diǎn)在于刀具姿態(tài)的優(yōu)化。刀軸的變化是三軸聯(lián)動(dòng)加工與多軸聯(lián)動(dòng)加工的本質(zhì)區(qū)別，在三軸加工情況下，刀具軸線在工件坐標(biāo)系中是固定的，總是平行于Z坐標(biāo)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(shù)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(duì)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(zhì)量要求的情況下實(shí)現(xiàn)高的切削效率，同時(shí)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(duì)象零件結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)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(qū)動(dòng)面，平行于刀軸驅(qū)動(dòng)面，傾斜于刀軸驅(qū)動(dòng)面。刀軸驅(qū)動(dòng)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(yīng)隨驅(qū)動(dòng)面的變化而相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)小幅度變化并且實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)面是能夠滿足要求的，但對(duì)于復(fù)雜的零件曲面(如雕塑曲面)，零件表面作為刀軸驅(qū)動(dòng)面將會(huì)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(qū)動(dòng)面的合理設(shè)置是多軸數(shù)控編程的關(guān)鍵因素。垂直于刀軸驅(qū)動(dòng)面垂直于刀軸驅(qū)動(dòng)面是指刀具軸線始終平行于刀軸驅(qū)動(dòng)面相應(yīng)點(diǎn)的表面法向矢量?？梢詫?shí)現(xiàn)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(zhǎng)度和高的加工效率。平行于刀軸驅(qū)動(dòng)面平行于刀軸驅(qū)動(dòng)面是指刀具軸線始終垂直于刀軸驅(qū)動(dòng)面相應(yīng)點(diǎn)的表面法向矢量。一般采用刀具側(cè)刃銑削的方式，主要應(yīng)用于直紋面的加工。傾斜于刀軸驅(qū)動(dòng)面傾斜方向是五軸加工的一般控制方法。垂直于刀軸驅(qū)動(dòng)面和平行于刀軸驅(qū)動(dòng)面均為其特殊形式．復(fù)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(jī)床問的干涉和優(yōu)化數(shù)控程序。五軸數(shù)控銑削加工的切削方式可以根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的加工來進(jìn)行合理的刀具軌跡設(shè)計(jì)規(guī)劃。 2)五軸數(shù)控加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡控制 在復(fù)雜曲面的多坐標(biāo)數(shù)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(píng)價(jià)的要素： l刀具軌跡的長(zhǎng)度：即對(duì)零件加工的刀具軌跡的總長(zhǎng)度，包括刀具的有效 路徑的長(zhǎng)度和不進(jìn)行切削的空行程長(zhǎng)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(huì)因經(jīng)常性的抬刀使刀具往返時(shí)間增 加而降低加工效率，而且零件的加工質(zhì)量也會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)誤差而降低。所以在曲 面精加工時(shí)盡可能實(shí)現(xiàn)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(zhì)量。軌跡方向的一致性 包括刀具運(yùn)動(dòng)切線方向的變化情況。編程過程中，刀具軌跡的規(guī)劃應(yīng)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小．可變軸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(qū)動(dòng)方法，可以復(fù)雜曲面的加工刀具軌跡。刀具軌跡創(chuàng)建一般要包括兩個(gè)步驟：第一是從驅(qū)動(dòng)幾何體上產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，第二是將驅(qū)動(dòng)點(diǎn)沿投射方向投射到零件幾何體上。 驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的產(chǎn)生取決于驅(qū)動(dòng)方法的設(shè)定，可變軸銑削的驅(qū)動(dòng)方法主要有曲線點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，邊界驅(qū)動(dòng)，螺旋驅(qū)動(dòng)和曲面驅(qū)動(dòng)等方法。根據(jù)其驅(qū)動(dòng)方法的不同，其 刀具軸控制的方法也不同。 3．2．4數(shù)控加工刀具的選擇 1)數(shù)控刀具特點(diǎn) 數(shù)控加工刀具應(yīng)該適應(yīng)數(shù)控機(jī)床高速，高效和自動(dòng)化程高的特點(diǎn)，一般采 用模塊化結(jié)構(gòu)，刀片多為可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀片，已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)化，系列化的特點(diǎn)。 一般來說與普通機(jī)床所用刀具相比，數(shù)控加工刀具具有以下特點(diǎn)： l互換性好，多采用可轉(zhuǎn)位機(jī)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(diào)結(jié)構(gòu)，便于調(diào)整刀具尺寸． 4刀具結(jié)構(gòu)能夠可靠地?cái)嘈肌? 5刀具標(biāo)準(zhǔn)化，系列化以便于加工程序編制 2)數(shù)控加工刀具的材料 數(shù)控加工刀具要適應(yīng)高速，高效的自動(dòng)化加工，其材料選取的原則是應(yīng)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(zhì)合金刀具。硬質(zhì)合金刀具的特點(diǎn)是硬度高，紅硬性好，韌性一般，有一定的抗沖擊能力，是數(shù)控加工中應(yīng)用最為廣泛的一種刀具材料，按其晶粒大小分為普通硬質(zhì)合金，細(xì)顆粒硬質(zhì)合金和微顆粒硬質(zhì)合金；按其主要成分分為鎢基硬質(zhì)合金和鈦基硬質(zhì)合金；按其表面是否涂層可分為無涂層硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)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(diǎn)是硬度高，韌性較差，難以用于沖擊力大的斷續(xù)切削。 3)數(shù)控加工切削刀具的種類 數(shù)控加工切削刀具的種類繁多，其中應(yīng)用在數(shù)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(fù)雜曲面的數(shù)控加工誤差分析和補(bǔ)償 利用五軸數(shù)控機(jī)床加工復(fù)雜曲面時(shí)，平底立銑刀為其常用的加工刀具。刀 具運(yùn)動(dòng)常采用直線插補(bǔ)的方式。在加工過程中，刀具軸線矢量相對(duì)于曲面作相 應(yīng)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(dòng)引起的誤 差6n。本文以平底立銑刀為例，分析復(fù)雜曲面的數(shù)控加工誤差【9】。下圖3．2所示： Y 圖3．2五軸聯(lián)動(dòng)加工曲面刀具切削位姿圖 3．3．1五軸數(shù)控加工凸曲面時(shí)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(shí)，通常用直線段AB來近似代替弧線AB，直線逼近誤差可以計(jì)算如下：在一查補(bǔ)直線段內(nèi)，設(shè)弧線長(zhǎng)為△S，對(duì)應(yīng)的弧度為o，曲線曲率為k，則： 圖3．3五軸聯(lián)動(dòng)加工直線逼近誤差 2)刀軸擺動(dòng)誤差 如圖所示為數(shù)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(guān)系。刀具擺動(dòng)誤差是指編程過程中刀具軸線矢量的擺動(dòng)所引起的誤差 1建立刀尖軌跡的直線方程。設(shè)刀具半徑為r’由兩點(diǎn)式直線方程可得： 2建立刀具切削點(diǎn)軌跡方程 在五軸數(shù)控加工曲面過程中，刀具是相對(duì)于刀具驅(qū)動(dòng)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(jī)床坐標(biāo)系 中是不斷變化的，即。不斷變化的。所以切削點(diǎn)軌跡參數(shù)有兩個(gè)參數(shù)坐標(biāo)：點(diǎn) 的坐標(biāo)和刀軸矢量。在某一平面內(nèi)，可用縱坐標(biāo)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(dòng)數(shù)控加工凸曲面時(shí)，切削點(diǎn)軌跡的變化情況。 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工曲面時(shí)，數(shù)控控制系統(tǒng)大多采用直線插補(bǔ)，所以刀具中 心點(diǎn)的軌跡為直線，由數(shù)學(xué)知識(shí)可得，函數(shù)曲線的一階導(dǎo)數(shù)可以得到函數(shù)曲線 的單調(diào)性和極值情況，函數(shù)曲線的二階導(dǎo)數(shù)可以得到函數(shù)曲線的凸凹性。對(duì)上 式中函數(shù)對(duì)x求導(dǎo)得到下列關(guān)系： 可知，當(dāng)?shù)毒咻S線矢量eO，yo時(shí)，切削點(diǎn)軌跡為凹曲線；當(dāng)時(shí)，切削點(diǎn)軌跡為凸線；當(dāng)時(shí)，切削點(diǎn)在此時(shí)為函數(shù)曲線的拐點(diǎn)。 4求解刀具軸線擺動(dòng)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(diǎn)軌跡曲線可能為凸曲線也可能是凹曲線，所以其值應(yīng) 取絕對(duì)值。 5擺動(dòng)誤差表達(dá)式的簡(jiǎn)化 在五軸數(shù)控編程過程中，需要定義刀具軸線矢量相對(duì)于驅(qū)動(dòng)面的方向，因 此，上式中，不是編程中所確定的關(guān)心的參數(shù)。五軸數(shù)控編程往往以加工曲 面作為刀軸的驅(qū)動(dòng)曲面，因此刀具軸線矢量相對(duì)于曲面的切向角度為所求的關(guān) 聯(lián)參數(shù)。 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(dòng)數(shù)控加工凹曲面時(shí)的誤差 五軸聯(lián)動(dòng)加工凹曲面時(shí)，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(dòng)誤差。 圖3．5五軸聯(lián)動(dòng)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(shù)控加工凸曲面一樣，其直線逼近誤差為： 2)刀具軸線擺動(dòng)誤差 刀具軸線擺動(dòng)誤差的方向如圖，此時(shí)，其擺動(dòng)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(bǔ)償 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工編程的誤差由直線逼近誤差和刀具軸線擺動(dòng)誤差兩部分組成，其中，直線逼近誤差和加工刀具無關(guān)，只取絕于所加工的曲面曲率和插補(bǔ)段的弧長(zhǎng)，正比例于加工曲面的曲率，正比例于插補(bǔ)段的弧長(zhǎng)的平方。刀具軸線擺動(dòng)誤差既相關(guān)于刀具的半徑，又相關(guān)于所加工曲面的曲率和插補(bǔ)段的弧長(zhǎng)。 所以影響五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工加工復(fù)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(bǔ)步長(zhǎng)等。在被加工對(duì)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(jìn)的誤差。 由上分析可知： 1)直線逼近插補(bǔ)誤差可通過控制走刀步長(zhǎng)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(duì)走刀步長(zhǎng)L的控制， 對(duì)逼近允許誤差c，有 2)刀具軸線擺動(dòng)誤差的補(bǔ)償方法： 加工凸曲面過程中，刀具軸線擺動(dòng)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(dòng)切削點(diǎn)的位置，使刀具軸線擺動(dòng)誤差 對(duì)總誤差起到修正的作用。 加工凹曲面過程中，刀具軸線擺動(dòng)誤差對(duì)總誤差起了修正作用，此時(shí)，在 滿足不過切的條件下，計(jì)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(shù)及應(yīng)用 影響高速加工應(yīng)用的關(guān)鍵要素 1)CAD模型對(duì)高速加工的影響 高速加工的對(duì)象一般是復(fù)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(duì)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(jié)果與 采用何種方法造型是無關(guān)的，但無需加工的特征則往往嚴(yán)重地影響了刀具軌跡。 因此對(duì)模型精度的高要求和模型的適當(dāng)處理是必要的。 l