【正文】 多孔下刀具路徑的優(yōu)化 在 CAD/CAM 集成系統(tǒng)下的操作中，決定其構(gòu)件生產(chǎn)加工的質(zhì)量和效率的是數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)，對(duì)工藝的規(guī)程編寫(xiě)和生成的數(shù)控代碼對(duì)刀具的走刀路徑有重大影響，主要體現(xiàn)在工件的加工精度、表面 粗糙度 和加工速度等。采用和粗加工一樣的進(jìn)退刀方式，最后模擬加工的效果如圖 所示。圖 所示， t 表示加工余量，由幾何常識(shí)知道， t 線(xiàn)在兩個(gè)圓弧的圓心的連線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上，則有 : )112(222 RRRRt ???? 整理有， )12)(12( RRt ??? （ ） 其中 R1=,R2=,帶入整理后的公式得 )( mmt ? 加工后，理論上二維效果圖如圖 所示，利用 UG 模擬粗加工結(jié)果如圖 所示。為了減少計(jì)算機(jī)計(jì)算量，基于 UG 建模環(huán)境下建立一個(gè)單孔 (槽 )，對(duì)其進(jìn)行刀具路徑的模擬，在 UG CAM 環(huán)境下模擬的效果如圖 3. 4 所示。其使用的刀具是山特維克多生產(chǎn)的，直徑為 ，全長(zhǎng) 54mm，刃口長(zhǎng)度 1mm，螺旋角為 30。其選擇的工序原則是，力的釋放要順暢在加工過(guò)程中，要有好多夾緊力，不能積存過(guò)多熱量。 （ 3）加工多型薄壁構(gòu)件。 （ 2）加工薄底構(gòu)件。構(gòu)件加工需要做往返運(yùn)動(dòng)，在這樣的運(yùn)動(dòng)中，其步距的移動(dòng)方向要避開(kāi)震動(dòng)區(qū)域。圖 是 UG 情況下構(gòu)件的模擬效果圖。 薄壁構(gòu)件的 CAM 模擬 鋁合金薄壁構(gòu)件被廣泛的應(yīng)用于軍事和航天設(shè) 備中，但是再加工中如果處理不好剛度差的問(wèn)題，非常容易變形甚至造成零件報(bào)廢。 對(duì)于系統(tǒng)中的自動(dòng)刀柄干涉主要是當(dāng)高速加工時(shí)，刀具出現(xiàn)與材料不相符的使用時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示并且自動(dòng)進(jìn)行刀具的檢測(cè)。另外，通過(guò)快速的編程可以讓編程人員對(duì)工藝策略做比較，從中發(fā)現(xiàn)好的工藝方案，進(jìn)而優(yōu)化程序，達(dá)到最佳加工效率。此外還需要注意的是若要得到合理的加工紋路和高速加工過(guò)程，需要控制好加工方向的合理選擇，同時(shí)控制好步長(zhǎng)。 （ 2）余量加工 類(lèi)似于筆試加工的余量加工，其工作任務(wù)是將粗加工后構(gòu)件表面的多余量清除。在②處，轉(zhuǎn)彎時(shí)使用此種方法可以使得刀具軌跡更加的平滑。但是這對(duì)高速加工是非常不利的，事例如圖 ，在①處，加工曲面切槽時(shí)，螺旋進(jìn)刀前要切開(kāi)一道 通槽，然后在直線(xiàn)走刀。術(shù)語(yǔ)中的擺線(xiàn)是一個(gè)圓繞著一個(gè)曲線(xiàn)做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓上某一固定點(diǎn)的軌跡。此種方法適用于深度腔體構(gòu)件的粗加工，腔體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)要求刀具很長(zhǎng)，這就對(duì)刀具的剛度提出要 求，相比傳統(tǒng)上那種切削路徑 ，其 刀具剛性不足且又沒(méi)有加工質(zhì)量的加工方法，此種 插 銑 方法可以很好的解決這樣的問(wèn)題，其刀具軌跡如圖 。如此以來(lái)，可以使加工中的薄壁構(gòu)件具有較好的剛度。 粗加工過(guò)程中常用的路徑有： 二項(xiàng)等高線(xiàn)層切法。 刀具路徑 在高速加工過(guò)程中加工形式有兩種，粗加工和精加工。 (5)粗加工時(shí)盡量保證所留余量均勻，以減少精加工時(shí)切削負(fù)荷的變化。 (3)切削過(guò)程中盡可能保持恒定的切削負(fù)荷及金屬去除率。相鄰兩行切削刀路間附加圓滑轉(zhuǎn)接 。加工敞口型腔 處走刀時(shí)要從材料表面走；加工無(wú)型腔的封閉處要采用螺旋式走刀，在其局部區(qū)域切入。從某種程度上講，顛覆了原有的加工理論和路徑規(guī)劃方式。 （ 5）要避開(kāi)諸如刀具等急劇轉(zhuǎn)向不利運(yùn)動(dòng)。 （ 3）機(jī)床負(fù)載與材料去除率保持恒定。 總則 高速切削工藝技術(shù)的特征： （ 1）相比普通的加工，其主軸轉(zhuǎn)速和刀具的切削速度都相當(dāng)高。 第 3 章 高速銑削下加工薄壁構(gòu)件的路徑優(yōu)化 對(duì)加工路徑的優(yōu)化 在不斷提升自身的要求的前提下，需要做的就是對(duì)刀具加工路徑的改進(jìn)，倘若路徑選擇的不夠合理，是加工時(shí)產(chǎn)生的力的突變會(huì)對(duì)構(gòu)件和刀具等產(chǎn)生巨大的沖擊。 小結(jié) 本章根據(jù)工件的材料屬性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了工件的加工難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了單個(gè)小槽加工的工藝規(guī)程，并選擇了高速加工用的刀具。通常情況下，切削刀刃數(shù)目多的銑削刀的容縣槽不大，其排切屑不佳，但是銑削刀的橫 15 截面面積小，剛度不高，因此其在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生變形。 通常情況下，高速切削的深度不會(huì)太大，為使刀具剛度有所提高和刀刃破壞概率有所下降，需要使切削刀刃處盡量取短。再就是刀齒的影響問(wèn)題，為減輕刀具的摩擦，需要使用刀齒要適中，如果選用的刀具齒或許疏松，其刀具容屑空間大，雖說(shuō)切削不會(huì)出現(xiàn)堵塞，其進(jìn)給量也不會(huì)有所增加，也沒(méi)有所謂的硬化層出現(xiàn)，但最終會(huì)對(duì)精度有所影響，若過(guò)密則前述現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)，進(jìn)而是加劇刀具的摩擦 刀具的形狀 高速切削過(guò)程中刀具的損壞方式其中一個(gè)就是刀尖部熱磨損和切削刃邊緣的缺口出破損。在切削鋁合金這種塑性材料時(shí)，因?yàn)榍行夹螤畛蓭?，所以最好采用大的刃傾角。對(duì)于雙倒棱后角而言，要在保證刀具剛度的前提下再增加后角。對(duì)于刀具刀刃剛度而言，加大后角卻是不利的。 （ 2）后角的選取在一定 程度上會(huì)影響刀具的剛度。 刀具的形狀和尺寸 幾何角度 在高速加工中所使用的刀具，其幾何參數(shù)主要有刀具的前角、后角和刀刃傾角。 綜上所述，要依據(jù)不同材料選擇不同刀具來(lái)加工，同時(shí)，要考慮量產(chǎn)時(shí)的數(shù)量，避免量產(chǎn)數(shù)量過(guò)多，影響刀具壽命和工件質(zhì)量。 （ 5）導(dǎo)熱性極佳。 （ 4）鋒利的刀刃。 （ 3）摩擦系數(shù)低。 （ 2）各向異性。 金剛石刀具的特點(diǎn)有如下： （ 1）硬度和耐磨性高。在金剛石刀具中，損害其壽命和耐磨性的機(jī)理是因?yàn)樵诘都獠糠执嬖谟刹糠謿堄嗾辰Y(jié)金屬和石墨而成的聚接物，其會(huì)對(duì)刀具有很大的影響，另外，溶煤金屬殘留物和金剛石表面接觸，會(huì)對(duì)其抗氧化能力和耐熱性有影響。在高速加工時(shí)，進(jìn) 14 給速度和切削深度會(huì)對(duì)材料和硬度有一定的影響。 PCD 的性能主要是受到金剛石的晶粒和鈷含量影響，其使用壽命是硬質(zhì)合金的 10－ 500倍。另外，目前由于人員費(fèi)用的增大及環(huán)境保護(hù)方面的要求，大力推廣使用 PCBN刀具，充分發(fā)揮其潛在效能，提高切削加工技術(shù)水平也是具有重要意義的。 目前，雖然 PCBN 刀具材料的價(jià)格相對(duì)硬質(zhì)合金及陶瓷刀具的價(jià)格還偏高，但均攤到每個(gè)工件上的刀具成本卻低于其他材料刀具，采用先進(jìn)切削加工工藝時(shí)，若將磨削機(jī)床等設(shè)備投資攤?cè)肷a(chǎn)成本，則 PCBN 刀具的使用會(huì)帶來(lái)更大經(jīng)濟(jì)效益。與眾多材料摩擦系數(shù)相比， CBN的摩擦系數(shù)在 左右，且此系數(shù)會(huì)因?yàn)槟Σ了俣鹊臏p小和壓力的減小而變大一些。相比金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)， PCBN 的要低，但大于硬質(zhì)合金的，當(dāng)提高溫度后， PCBN 刀具的導(dǎo)熱性就會(huì)一直增加，所以刀尖 上的熱量及時(shí)消散，利于構(gòu)件對(duì)精度的質(zhì)量把握和精度上的提高。從刀具壽命的角度，濕式切削對(duì)其是不利的，進(jìn)而在加工時(shí)選擇干式切削加工。其具有很強(qiáng)的抗氧化能力，高溫下亦是如此。其能耐熱性為 HV1400－ 1500，溫度在八百攝氏度時(shí)是 TiC/Al2O3 為常溫硬度，所以，切削加工時(shí)產(chǎn)生的高溫能夠軟化材料卻可以使硬度更強(qiáng)，進(jìn)而促進(jìn)加工，并且對(duì)刀具的使用壽命影響小。在加工高硬度材料且對(duì)陶瓷有耐磨性要求時(shí)可以選用 PCBN 刀具，并且能對(duì)構(gòu)件的加工精度有一定的控制。為此，介紹 PCBN 刀具材料性能如下： （ 1）硬度和耐熱性高。 CBN 和金剛石的硬度和抗壓強(qiáng)度是非常接近的，主要原因是都是閃鋅礦型，所具有的晶格常數(shù)類(lèi)似，所存在的化學(xué)鍵相同。 立方氮化硼刀具 PCBN 刀具是人造立方氮化硼刀具，在高溫的時(shí)候還能保持高硬度的特性，主 要做加工鐵件之用。 氮化硅陶瓷刀具在與金剛石的相比較，硬度上差距不算大，所具有的特點(diǎn)是耐熱性和抗熱沖擊性良好，在高速切削時(shí)，其性能上要高于陶瓷的。 5）熱導(dǎo)率低且強(qiáng)度和韌性差。 4)較低的摩擦系數(shù) 在加工過(guò)程中，陶瓷刀具的摩擦系數(shù)之所以小是因?yàn)榈毒吲c工件之間的粘結(jié)和切屑存留 13 率低。另外三氧化二鋁在高溫狀態(tài)下不容易被氧化，所以適合在高速加工下產(chǎn)生的高溫中對(duì)工件做連續(xù)的切削。 熱 壓 陶 瓷冷 壓 陶 瓷 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0硬 質(zhì) 合 金7 08 09 0硬度HRA溫 度 ( ℃ ) 圖 A1203 陶瓷與硬質(zhì)合金的高溫硬度 3）化學(xué)穩(wěn)定性高以及抗粘結(jié)性好 化學(xué)惰性介于碳化鈦和碳化鎢之間的三氧化二鋁，其與金屬的親和力非常小，在產(chǎn)生作用方面，其與金屬 的反應(yīng)能力都比那些碳化物、氮化物或許是其他化合物的都低。與硬質(zhì)合金做比，具有的特點(diǎn)如下： 1）硬度和耐磨性更高 其所具有的硬度數(shù)值為 HRA93 左右，耐磨性高于硬質(zhì)合金的五倍。 陶瓷刀具 類(lèi)型包括涂層陶瓷刀具、金屬陶瓷刀具、氧化鋁陶瓷刀具、氮化硅陶瓷刀具等。由于高速加工中存在的一些原因外加鋼這種材質(zhì)中存在的不足，鋼刀具在高速加工中的使用率成下降趨勢(shì)，并且逐漸被硬質(zhì)合金和陶瓷刀具所替代。按照當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)看，化學(xué)氣相沉積技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要是在硬質(zhì)鋁合金刀 具的表面涂層，經(jīng)過(guò)涂層處理的刀具主要是用于中型或者是重型切削加工。其主要的技術(shù)原理是在刀具面上加工上數(shù)道高性能材料，以此來(lái)達(dá)到充分發(fā)揮刀具自身優(yōu)勢(shì)的同時(shí)還能進(jìn)行高速切削工作。對(duì)此，若想在高速銑削加工過(guò)程中刀具的使用更加合適就需要研究出能夠符合高硬度和耐高溫性、耐磨 損性高的材料。但是存在不能實(shí)用于高速銑削的缺點(diǎn)，那就是耐磨性和耐高溫性很差。 硬質(zhì)鋁合金涂層刀具 硬質(zhì)鋁合金的制造是以金屬碳化物做硬質(zhì)相，特點(diǎn)是剛性和熔點(diǎn)高，用鋁和鎳等做粘結(jié)相，在研磨成粉后，成比例的混合，制造成型，最后高溫高壓下制作而成，此種合金按其成分分成三大類(lèi)： P 類(lèi)是用于加工長(zhǎng)切屑的黑色金屬，相當(dāng)于我國(guó)的 YT K 類(lèi)是用于加工短切屑的黑色金屬，有色金屬和非金屬，相當(dāng)于我國(guó)的 YG M 類(lèi)是用于加工長(zhǎng)或者短切屑的黑色金屬和有色金屬，相當(dāng)于我國(guó)的 YW。傳統(tǒng)的高速狀態(tài)下的加工會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為解決這個(gè)問(wèn)題，需要找到一種能夠耐得住高溫的材料制作銑削刀具。 高速切削對(duì)刀柄的要求 其要求主要有高 精度 的夾緊、轉(zhuǎn)矩的傳遞性要好、結(jié)構(gòu)要對(duì)稱(chēng)和外形尺寸要適中。多片鑲嵌刀具的荷載作用于每一個(gè)刀片上，實(shí)體刀具的則作用在每個(gè)齒上。 眾所周 知，熱對(duì)構(gòu)件變形的影響是巨大的，在高速加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一種切削熱，它的熱量會(huì)在產(chǎn)生之時(shí)及時(shí)的傳遞給與之相接觸的物體，因此，知道這樣的一個(gè)原理，在高速切削加工中，需要找個(gè)辦法將這部分熱量排除，構(gòu)件在加工時(shí)是會(huì)有切屑產(chǎn)生的，當(dāng)前就需要一種方法將多余熱量傳遞給切屑，然后借助高速離心作用，讓切屑帶走大量的熱量。 4)抗熱沖擊能力強(qiáng)等。 2)韌度高，抗沖擊能力強(qiáng) 。從經(jīng)濟(jì)的角度，合理的選擇刀具和優(yōu)化參數(shù)，可以多方面提升刀具的性能，如加工效率、質(zhì)量、刀具的使用壽命、節(jié)約材料節(jié)省成本等。刀具性能在高速切削技術(shù)的不斷要求下逐步提高，刀具技術(shù)得到了發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了高速切削技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍更加廣泛。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，刀具的材料和制造技術(shù)有了巨大的變化，其極大的推動(dòng)了 刀具類(lèi)型的擴(kuò)展和使用，當(dāng)前業(yè)內(nèi)主要使用的幾種刀具是陶瓷刀具、 CBN 刀具和金剛石刀具。而在發(fā)展刀具技術(shù)的過(guò)程中，阻礙最大的因素是刀具材料，具體說(shuō)就是材料的耐高溫和耐磨性問(wèn)題。下面就針對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要的刀具做初步分析，然后選擇合適的刀具。 合理選擇構(gòu)件中窄槽的加工方法 在高速加工過(guò)程中，對(duì)優(yōu)化了傳統(tǒng)意義上的刀刃部位的加工原理，其采用的切削形式是小切削量和高切削速度，如此可以有效的改善切削性能和極大的降低切削力，同時(shí)在加工時(shí)切削下來(lái)的大量切屑可以帶走大量的切削熱，如此對(duì)于工件變形情況，無(wú)論是處于加工時(shí)存在熱量和受力還是加工后給予冷卻處 理，其影響是很小的。 圖 加工表面缺陷 綜上所述，對(duì)于寬厚比大于 160 的構(gòu)件加工，其中槽的尺寸小且質(zhì)量上要求高的，結(jié)合鋁合金剛性差等原因，首要解決的問(wèn)題是控制變形。 (4)零件超薄 原因會(huì)導(dǎo)致在加工過(guò)程中出現(xiàn)槽的周?chē)磉吇蛘呙痰葐?wèn)題，如圖 所示。 圖 小槽分布示意圖 (3)有分布規(guī)律的小槽出現(xiàn)在構(gòu)件上，且不是在同一條直線(xiàn)上，兩條直線(xiàn)之間存在危險(xiǎn)的位移差，如圖 所示。 (2)槽的尺寸小且有半徑為 的圓角，定位和質(zhì)量 上 要求高。 圖 工件的外形及主要尺寸 9 圖 工件局部放大圖 零件加工的難點(diǎn) 分析了上文中工件的屬 性和結(jié)構(gòu)，對(duì)加工構(gòu)件的過(guò)程中，還需要注意一下幾點(diǎn)： (1)工件壁薄難裝夾。 （ 4）加工后的表面盡量不要存在劃痕，在軸線(xiàn)的上 方或者 下方處且處在同一列的矩形孔，其偏差量要相同。 零件的結(jié)構(gòu)特性 零件結(jié)構(gòu)模型如圖 所示，其結(jié)構(gòu)特征如下 : （ 1）工件尺寸，單位是 mm，長(zhǎng)度寬 度壁厚，即 270 80 ； （ 2）矩形孔個(gè)數(shù)和倒角，表面孔數(shù)是 352 個(gè)且排列整齊，尺寸是 10 ，倒角為≤ ，外加孔徑為 3mm 的通孔在左右下角 。但是，對(duì)于線(xiàn)膨脹系數(shù)比較大的合金，在加工的過(guò)程中，其變形的控制是困難，其精度也就不容易把控。其他指標(biāo)在通常溫度下，其硬度 HB 為 130，熱導(dǎo)率是 190W（ m.℃），線(xiàn)膨脹系數(shù)為 ℃。由表知，其主要成分是銅鎂錳中溶有鋁，并且處于寶盒狀態(tài)，所以這類(lèi)合金的硬度很高，在一般情況下，其拉伸度為 450MPa 左右，其屈服強(qiáng)度在 270280MPa。如圖 所示，影響刀具選擇的因素主要有 12 種因素。通過(guò)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！