【正文】 當(dāng) 0pa 小于 R時(shí)，亦即 RZ??0 時(shí)，銑削微元的半徑為 22 ZRr ?? ，銑削微元的銑削深度可用其層厚來(lái)代替，即 0pz dad ? 。 圖 圖 ea — 球刀的切削行距（當(dāng)為平面輪廓切削時(shí)， 0ee aa? ）； 0ea — 曲面法向的切削行距； ? — 刀具接觸角； zf — 球頭銑刀的每齒進(jìn)給量； 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 25 r — 球頭銑刀切削時(shí)刀頭所處平面的切削圓半徑。本文則側(cè)重于前一種情形的研究，即 Rp ha ?0 。 0pa 的 含義為當(dāng)切削深度小于或等于 Rh 時(shí)，此切削方式即為切削深度 0pa 小于球頭銑刀的球頭半徑 R的情形 。同時(shí)，沿刀頭與曲面接觸的法線方向依據(jù)微分法將球頭銑刀的刀頭分割成相互平行的無(wú)數(shù)個(gè)微元，其厚度用 zd 表示。用與凸 曲面類似的方法，可求得刀觸點(diǎn)之間的間距計(jì)算公式為 : RR RRhl b 22? （ ） 球頭銑刀切削加工的微元法分析 球頭銑刀的銑削方式見圖 所示，由分析可知，球頭銑刀進(jìn)行三軸銑削加工時(shí)刀軸的方向始終沿 Z軸豎直向下。 1）平面加工的行距計(jì)算 :當(dāng)用球頭刀 (注 :當(dāng)用平底立銑刀時(shí)，圖中的 R應(yīng)為平 底銑刀的有效切削半徑 )加工平面時(shí)，如圖 3. 12 所示。 球頭銑刀銑削行距與殘留高度的相互關(guān)系 一般情況下，行距是殘留高度、刀具半徑及曲面的局部半徑的函數(shù)，在殘留高度和刀具半徑一定的情況下，行距由曲面的局部形態(tài)決定。建立球頭銑刀切削力模型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 （ a) 導(dǎo)動(dòng)面法生成刀具軌跡 （ b) 導(dǎo)動(dòng)面法生成刀具軌跡 球頭銑刀加工平、曲面切削力建模 球頭銑刀是三維立體輪廓加工特別是三坐標(biāo)加工的主要刀具，因切削過程中被加工曲面與銑刀球面公法線過銑刀球面的球心，使干涉及過切現(xiàn)象易于監(jiān)測(cè)，切削運(yùn)動(dòng)軌跡易于控制而 得到廣泛的應(yīng)用。 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 19 圖 參考線法生成刀具軌跡 圖 （ a） CL路徑截面法生成軌跡（ 1） 圖 （ b） CL路徑截面法生成軌跡（ 2） 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 20 圖 （ c） CL 路徑截面法生成軌跡（ 3） 圖 （ a） CC路徑截面線法生成刀具軌跡 圖 （ b） CC路徑截面線法生成刀具軌跡 (e)導(dǎo)動(dòng)面法 這種方法是通過引入導(dǎo)動(dòng)面來(lái)對(duì)走刀過程進(jìn)行約束，在走刀過程中刀具始終與零件 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 21 表面和導(dǎo)動(dòng)面相切，如圖 (a)和 (b)所示。 盡管原則上作為約束曲面的類型是任意的 ，然而實(shí)際上約束表面一般是平面或面。 (c)CC 路徑截面線法 CC 路徑截面線法即是在走刀過程中，將刀具與被加工曲面的接觸點(diǎn) (CC)始終約束在另外一組平面內(nèi)，用一種約束曲面與被加工曲面的截交線作為刀具接觸點(diǎn)路徑來(lái)生成刀具軌跡的方法。 CL 路徑截面線法生成刀具軌跡的計(jì)算方法有以下兩種 : 第一種是直接構(gòu)造零件曲面的刀具偏置面，由約束面與偏置面求交來(lái)得到刀具軌跡，此方法有時(shí) 也稱為偏置面法，即由圖 (a)和圖 (b)所示。 (b)CL 路徑截面線法 此方法是在走刀過程中，直接將 CL 點(diǎn)約束在另外一組平面內(nèi)，即用一組約束曲面與被加工曲面的刀具偏置面的截交線作為刀具軌跡。由于曲面上參數(shù)線分布不均勻，因此，這種方法加工效率不高。目前，較為常用的刀具軌跡生成方法有以下幾種 : (a)參數(shù)線法 參數(shù)線法是曲面加工中生成刀具軌跡的最基本的方法。因此，刀具軌跡的生成方法也就是在刀具偏置面上確定刀具的運(yùn)動(dòng)路線或者是在零件曲面上確定刀具接觸點(diǎn)的切削路線的方法。它是全部 CL 點(diǎn)的集合，當(dāng)它遍歷整個(gè)偏置平面上時(shí) ，刀具的運(yùn)動(dòng)將包絡(luò)出理想的零件加工曲面。在生成刀具軌跡時(shí)，通常是先生成 CC 點(diǎn)，而后再計(jì)算生成相應(yīng)的 CL點(diǎn)。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 18 刀具接觸點(diǎn)，俗稱 CC 點(diǎn) (Cutter Contact)，通常又簡(jiǎn)稱為刀觸點(diǎn)。原則上可定義刀具上任意一點(diǎn)作為刀位點(diǎn)。 三坐標(biāo)曲面加工采用球頭刀、平底立銑刀、環(huán)形刀、鼓形刀和錐形刀，其特征是加工過程中刀具軸線方向始終不變，平行于 z坐標(biāo)軸。 圖 型腔類零件示意圖 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 17 圖 沿 X方向行切示意圖 圖 沿 Y方向行切示意圖 圖 由內(nèi)而外的環(huán)切方式 圖 由外而內(nèi)的環(huán)切方式 三維型腔數(shù)控銑削加工 曲面加工在模具、飛機(jī)、動(dòng)力設(shè)備等眾多制造部門中具有重要地位，一直是數(shù)控加工技術(shù)的主要應(yīng)用對(duì)象。而且，型腔加工還可采用其它走刀路線 (例如行切和環(huán)切的混合 )。環(huán)切法加工，各等距線之間的距離為行距。對(duì)于包含有自由曲線的簡(jiǎn)單封閉輪廓曲線及含有島嶼的封閉輪廓曲線的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算應(yīng)考慮等距線的自交與互交。其優(yōu)點(diǎn)是銑刀的銑削方式不變。環(huán)切法加工一般是刀具沿型腔邊界走等距線，如圖 , 所示。刀具切削運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度為各行刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度之和。行切法加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 , 所示。粗加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡是從型腔邊界輪廓向里及從島嶼輪廓向外偏置銑刀半徑 R并且留出精加工余量而形成，它是計(jì)算內(nèi)腔區(qū)域加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的依據(jù)。型腔的切削分兩步，第一步切內(nèi)腔，第二步切輪廓。 圖 銑削外圓時(shí)的加工路線 圖 銑削內(nèi)圓時(shí)的加工路線 (2)二維型腔數(shù)控銑削加工 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 16 型腔是指具有封閉邊界的平底凹坑，而且可能具有一個(gè)或多個(gè)島嶼 (如圖 所示 )，當(dāng)型腔底面為平面時(shí)即為二維型腔。而對(duì)于內(nèi)輪廓的加工，如圖 其切向進(jìn)退刀可采用圓弧段。對(duì)于二維銑削，無(wú)論是外輪廓或內(nèi)輪廓，要安排刀具從切向進(jìn)入輪廓進(jìn)行加工，當(dāng)輪廓加工完畢之后，要安排一段沿切線方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的距離退刀，這樣可以避免刀具在工件上的切入點(diǎn)和退出點(diǎn)處留下接痕。 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 15 (1)二維輪廓數(shù)控銑削加工 二維輪廓數(shù)控銑削加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，通常采用刀具半徑補(bǔ)償功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)控銑削加工時(shí)，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡一般為垂直于刀軸的 xy 平面上的曲線。 二維數(shù)控切削加工刀具切削運(yùn)動(dòng)軌跡 兩軸聯(lián)動(dòng)為主的二維數(shù)控切削加工在數(shù)控切削加工中所占的比重很大，不僅普通的二維輪廓零件需要采用二維數(shù)控切削加工，具有三維復(fù)雜曲面的零件在粗加工、半精加工中，因其主要任務(wù)是切除工件余量，一般也采用二維數(shù)控加工。 因此，在保證加工精度的前提下，實(shí)現(xiàn)高效加工最理想的刀具軌跡為 : (a)刀具路徑的各段直線段最大逼近誤差相等，且為給定的逼近誤差； (b)相鄰刀具路徑間的殘留高度均為給定值。所以，無(wú)論刀具路徑軌是由那一種方法產(chǎn)生的，最后它們都是通過一系列的直線段或者圓弧逼近的。刀具軌跡的生成有著各種各樣的算法，但最終都是將復(fù)雜曲面的理論軌跡進(jìn)行離散化。曲面加工最基本的因素就是曲線的加工過程。反之為了生成加工所需的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，必須很清楚的了解工藝基本知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上合理地確定加工工藝參數(shù)。在數(shù)控加工中刀具運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，將 直接影響零件加工過程中切削力波動(dòng)的大小，進(jìn)而影響精加工的表面質(zhì)量。在精加工中，為了保證零件的表面質(zhì)量，應(yīng)該盡可能保持穩(wěn)定的恒表面進(jìn)給速度。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 14 3 數(shù)控切削加工工藝參數(shù)優(yōu)化走刀模型的建立 引言 近年來(lái)，隨著 CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展以及高性能加工中心的廣泛使用，在航空、航天、汽車、造船及模具制造等工業(yè)領(lǐng)域采用曲面造型及數(shù)控技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的情況己經(jīng)相當(dāng)普遍。在提高切削刃鋒利性的同時(shí)，要設(shè)法強(qiáng)化刀尖和刃區(qū) 。機(jī)床的剛性和動(dòng)力不足時(shí)，刀具應(yīng)力求鋒利，以減小切削力。精加工時(shí)，著重考慮保證加工質(zhì)量要求 。 (b)要考慮具體的加工條件 :要考慮機(jī)床、夾具、系統(tǒng)剛度及功率大小，切削用量及切削液性能等情況。 刀具合理幾何參數(shù)選擇的一般原則 在選擇刀具合理幾何參數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題 : (a)注意各個(gè)幾何參數(shù)之間的聯(lián)系 :刀具的刃形、刃區(qū)、刃面和角度之間是相互聯(lián)系的，應(yīng)該綜合起來(lái)考慮它們之間的作用與影響，分別確定其合理的 數(shù)值。 (c)刀面型式 :如前刃面上磨出斷屑槽等。刀具的幾何參數(shù)包含以下的內(nèi)容 : (a)切削刃的形狀 :如直線刃、折線刃、圓弧刃、刀尖的形狀等。當(dāng)孔的形位精度要求較高時(shí)，如果孔的深度不是太深可用鍵槽銑刀來(lái)進(jìn)行鉸孔前的擴(kuò)孔加工。當(dāng)孔的形位精度要求不是太高時(shí)，一般采用擴(kuò)孔鉆擴(kuò)孔。在加工中心上鉆孔都是無(wú)鉆模直接鉆孔，因而對(duì)鉆頭的要求較高，鉆頭的兩主切削刃必須有較高的對(duì)稱度，在鉆孔前最好先用中心鉆鉆一中心孔 ，以保證位置精度。以麻花鉆為例，它的柄部有錐柄與直柄之分，較大規(guī)格的麻花鉆多為錐柄，小直徑的麻花鉆多為直柄 ?？梢娿@削刀具在切削加工中的重要性。 在金屬切削中，鉆 頭的消耗量約占刀具總消耗量的 23。為解決這一難題，一些刀具制造商開發(fā)出一種沿切削刃帶冷卻槽的刀片，使切削液直接流向切削刃，防止切屑堵塞和刀具損壞。 切屑的排出 在鐘孔時(shí)，切屑的有效排出至關(guān)重要。如果前角減小到 ?0 ，就會(huì)產(chǎn)生太大的工作壓力，導(dǎo)致刀具失效。刀具也可輕微地退出，減小削傷工件的可能性。為此建議刀具安裝應(yīng)略高于中心高 (但應(yīng)盡可能接近中心高 )。 (b)當(dāng)?shù)毒吆蠼菧p小時(shí)，刀片相對(duì)于工件的前角也增大，從而引起刀具刮削工件，引起刀具振動(dòng)并損 壞刀具。增大前角，可減小前刀面擠壓切削層時(shí)的塑性變形，減小切屑流經(jīng)前面的摩擦阻力，從而減小切削力和切削熱。 主要表現(xiàn)在以下幾方面 : (a)切削刃相對(duì)于工件的主后角減小，導(dǎo)致刀具的后刀面與工件接觸，使刀片與工件之間發(fā)生摩擦，當(dāng)?shù)镀D(zhuǎn)時(shí)，這種摩擦進(jìn)一步會(huì)使刀尖發(fā)生偏離，導(dǎo)致刀具更深地切入工件。在小孔鐘削中，刀具的中心高是導(dǎo)致刀具失效的重要因素。 (f)機(jī)器的主軸系統(tǒng) :機(jī)器主軸自身的剛性、軸承及齒輪的性能以及主軸和刀柄之間的連接剛性。 (d)刀片的刀尖形狀 :刀片的前角、刀尖半徑、斷屑槽形狀的不同所產(chǎn)生的切削抗力也不同。特別是在高速加工時(shí)刀具的動(dòng)平衡性所產(chǎn)生影響很大。因?yàn)槭菓冶奂庸に蕴貏e是小孔、深孔及硬質(zhì)工件的加工，工具系統(tǒng)的剛性尤為重要。 刀具的顛振 鐘孔加工時(shí)最常出現(xiàn)的、也是最令人頭疼問題是顛振。也正因?yàn)檫@樣所以就要求鐘刀必須具有微調(diào)機(jī)構(gòu)或自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)能，特別是在精鐘時(shí)根據(jù)公差要求有時(shí)必須在微米級(jí)調(diào)節(jié)。也不可能像數(shù)控車床那樣可以只調(diào)節(jié)數(shù)控按扭就可以改變加工 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 11 直徑。正因?yàn)檫@樣，就需要有更簡(jiǎn)單、更方便、更精密的刀具來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量。它只靠調(diào)節(jié)一枚刀片 (或刀片座 )要加工出象 H7, H6 這樣的微米級(jí)的孔。 孔加工刀具包括鉆頭、擴(kuò)孔鉆、鐘刀、鉸刀和內(nèi)表面拉刀等。近幾年來(lái)廣泛使用雙刃機(jī)夾鐘刀，這種刀具系統(tǒng)不僅更換刀片方便，不需重磨，且尺寸可調(diào)，剛性好，切削精度也較高。因而對(duì)鐘刀剛性與精度要求較高。通常粗加工可以應(yīng)用在公差要求范圍大的擴(kuò)孔工序，并可為精加工做準(zhǔn)備，從而使加工出的孔具有小公差和高表面質(zhì)量。 (d)冷卻液 (或壓縮空氣 )可提高排屑能力和表面質(zhì)量，特別是在深孔加工中。刀桿懸伸在 4 倍到 7倍桿徑時(shí)，可以使用重金屬刀桿或者整體硬質(zhì)合金刀桿。普通鋼刀桿表面處理 HRC42 左右，刀桿夾持的最小長(zhǎng)度為 2倍刀桿直徑，最佳長(zhǎng)度為 3}4倍刀桿直徑 。 內(nèi)孔車刀桿的選擇基本原則 (a)選擇盡可能大的直徑。 車刀的選用步驟 (a)確定工序類型 :外圓 /內(nèi)孔； (b)確定加工類型 :外圓車削 /端面車削 /仿型車削