曲面区域精加工（共7篇）
曲面区域精加工 篇1
0 引言
规则曲面区域加工是对曲面上部分给定轮廓区域的曲面进行加工, 使用宏程序编程时主要难点在于控制刀具在给定的曲面轮廓内部或轮廓上对曲面进行加工。如图1所示, 在加工位于工件中间由两段圆弧组成的直纹曲面时, 为防止刀具与环形槽侧面过切, 必须使刀具在环形凹槽内部对曲面进行加工。
1 编程准备
宏程序在进行曲面、曲线的编程时, 首先要根据加工图素找出其数学表达式, 然后推导出用于编程的参数方程。如图1, 在加工两个R15的曲面时, 为防止刀具与准40环形槽侧面过切, 取位于环形槽中部32×35的椭圆为此曲面的边界轮廓。在编程时可设曲面边界轮廓的Y坐标、X坐标与Y-Z平面中R15圆弧的Z坐标中某一坐标为自变量, 由自变量与其余两坐标的变量, 采用平行于X轴, 自上而下的往复铣削即可加工出符合要求的曲面。
根据上述加工原理, 可列出表示该曲面的基本关系式:
1) 曲面加工自变量的分析与设定。分析加工图样, 可设曲面中的X、Y、Z中任一坐标为自变量, 为简化编程与保证曲面的加工精度做如下分析:第一, 将Z坐标作为自变量时, 曲面的加工方式为刀具轨迹平行于X-Y平面沿Z轴方向等距层切, 这种加工方法一般适合于陡峭的柱形曲面加工;第二, 为简化编程此曲面采用平行于X轴, 自上而下往复铣削的方式进行加工, 此时, X就不能作为自变量而只能是变量;第三, Y坐标作为自变量时曲面可以进行刀具轨迹平行于X轴, 自上而下往复铣削加工, 但是在Y-Z平面中R15圆弧上当Y坐标对应的Z值有两个, 此时为使曲面取得较好的加工精度且自变量与变量一一对应, 采用其参数方程y=b·cosθ, z=c·sinθ。故在曲面边界中设Y坐标作为自变量, 控制曲面中角度θ, 使Y、Z轴联动与X轴沿曲面轮廓往复移动完成曲面加工。
2) 建立曲面的关系式。由图2可得表示曲面边界轮廓32×35的方程为x2/162+y2/17.52=1;通过图1计算上部R15凹圆弧的圆心坐标为 (y7.5, z10.99) , 即其参数方程为y=15cosθ+7.5, z=15sinθ+10.99。下部R15凸圆弧圆心坐标为 (y-7.5, z-14.99) , 其参数方程为y=15cosθ-7.5, z=15sinθ-14.99。即表示该曲面的关系式为:
2 程序编制及校验
1) 由于环形圆弧槽宽为5~8 mm, 槽中准40轮廓位于R15凸圆弧下2 mm, 综合考虑选择准6r3球刀。
2) 该曲面主要由R15圆弧组成, 可直接使用刀心编程, 则曲面中上部R15凹圆弧在加工时为R12, 下部R15凸圆弧加工时为R18, 如图3所示两圆弧偏移后其Y向切点为:7.5-12×sin29.9°=1.52。则Y坐标的其取值范围为-17.5≤y≤1.52 (凹圆弧) , 1.52≤y≤17.5 (凸圆弧) 。
3) 根据该曲面的加工方法, 为方便编程, 建立了如图4所示的加工程序流程图, 由程序流程图与曲面加工的关系式及其凸、凹圆弧加工自变量的取值, 以常用数控系统FANUC为例, 编制加工程序如下:
4) 程序校验。将上述加工程序在CAXA编程助手中进行模拟校验其程序走刀路径见图5。
3结语
1) 在程序N50、N70和N110、N130中巧妙使用了变量的赋值与运算, 使运算后的X坐标在程序执行时正、负交替, 从而实现了曲面的往复加工简化了编程。
2) 该程序已通过CAXA编程助手中进行模拟校验与机床加工检验, 其编程方法简单、易行, 充分运用、体现了宏程序编制的优点。同时与软件编程相比可使程序简化, 便于修改与编辑, 灵活性强, 在类似工件的加工中具有较强的推广性。
摘要：规则曲面区域加工是对曲面上部分给定轮廓区域的曲面进行加工, 文中介绍了宏程序在规则曲面区域铣削加工中编程方法与技巧。
关键词：宏程序,规则曲面区域,铣削加工用
参考文献
[1]陈海舟.数控铣削加工宏程序及应用实例[M].2版.北京:机械工业出版社, 2008.
[2]郎永兵.非圆曲线宏程序编制在数控铣削加中的应用研究[J].CAD/CAM与制造业信息化, 2011 (10) :75-79.
[3]郎永兵.宏程序在供送螺杆四轴加工上的应用[J].金属加工:冷加工, 2009 (7) :62-65.
[4]刘颖.CAXA制造工程师2008实例教程[M].北京:清华大学出版社, 2011.
曲面区域精加工 篇2
在工程界中,含有自由曲面特征的产品在现代生活和生产中的应用越来越广泛,使得自由曲面的数控加工技术成为这些工业产品制造的关键
技术之一,加工制造业对自由曲面的数控加工技术以及刀具轨迹的设计提出了更高的要求[1,2,3,4,5]。自由曲面在航空、航天、汽车及模具等工业中的应用越来越广泛。曲面的加工一般分为粗加工、半精加工和精加工3个阶段。加工自由曲面时,由于刀具轨迹由一系列具有不同曲率的圆弧和直线段组成,故退火工况下,先对材料进行粗加工和半精加工,然后进行表面精加工,以使加工精度尽可能接近所设计的曲面精度。切削刀具轮廓的路线与顺铣结合得越好,加工曲面的精度也就越高。
文献[6]提出的应用于凸面刀具路线修正的方法,可对二维轮廓凸台精加工的最后一条刀具轨迹进行修正。文献[7]进行了切削进给的前向刀具路径修正研究,提出一种能生成恒定进给速率的刀具路径修正算法,该方法能保证加工过程维持在一个恒定的水平。本文针对自由曲面的三轴数控加工,借助理论分析和试验研究,提出一种新的刀具轨迹优化算法。该算法适用于不同曲率条件下的自由曲面加工,能改善实际加工过程中作用于曲面上的机械变化,减小整个加工轮廓的最大曲面和最小曲面之间的加工误差。
1 自由曲面恒定进给的刀具中心轨迹位置
实际生产加工中的自由曲面常由不同曲率的凹凸圆弧和直线组成,若用小直径刀具加工非等径弧面轮廓,当加工的弧面不满足凸包条件时,加工过程中不管怎样控制刀具的轨迹和姿态,都难以保证其加工精度[8]。为避免刀柄或切削刀具产生过大的弯曲,在精加工或半精加工时应遵循浅深度切削的原则,通过优化刀具轨迹的控制方法,在加工自由曲面时使用一系列直线段和圆弧段逼近曲面,从而扩展加工的曲面条件,减小切削力的变化范围,获得尽可能接近设计曲面的加工曲面。
图1所示为曲面轮廓加工示意图,图中的圆形代表加工刀具。在加工过程中,假定给定的刀具半径为r,切削进给的角度为θ,刀具中心的轨迹为Oi(i=1,2,…,N)。由于加工过程连续,因此点Qi所在的曲线就是最新加工形成的表面,点Pi为加工前加工边界面和当前刀具的相交点。切削进给的角度θ可由刀具中心位置Oi、接触点Pi和成形面上的点Qi所确定[7,8,9,10]。
图2所示为加工过程中切削进给角度,图中Ti为切向矢量。通常情况下,β>π/2,由图2a知,‖Qi+λTi-Pi+1‖=l,其中,λ为矢量Ti的长度,l为等腰三角形的底边长度,
当β<π/2时,加工成形表面Qi+1点位于先前成形的加工表面上,即Qi+1的计算公式仍然满足式(1)(图2b)。
加工成形后的表面单位切向矢量Ti+1可表示为
式中,γ为偏置角。
加工刀具中心Oi+1点可以由单位切向矢量Ti+1和加工成形表面上的Qi+1点计算得到,刀具中心位置随偏移角改变而改变,计算公式为
2 自由曲面恒定进给的刀具轨迹的优化算法
精加工刀具路线[8]是指用一条给定的初始平面曲线来表示需要被加工的零件几何轮廓,并且提供一条原始的轮廓偏置曲线。相对于精加工路线的前一条完整的刀具路线为半精加工路线。由于模具的精加工路线取决于刀具与工件的接触点,而刀具与工件的接触点会随着加工表面的曲面斜率和刀具有效半径的变化而变化,因此,在加工由多个曲面组合而成的复杂曲面时,应尽可能在一个工序中进行连续加工,避免对各个曲面分别进行加工,以减少抬刀、下刀的次数。这对于工具钢模具尤为重要,因为它将影响精加工时刀具切削层面积的变化及刀具载荷的变化,从而影响切削过程的稳定性及精加工表面质量[2,3,4]。
由于实际加工中的自由曲面经常是由不同曲率的凹凸圆弧和直线组成的,故在加工自由曲面时,常使用一系列直线段和圆弧段逼近曲面,以得到尽可能接近设计曲面的加工曲面。优化前后的刀具加工轨迹如图3所示。
优化算法的主要目的就是计算相对精加工路线的前一条完整的半精加工路线,并对半精加工路线进行优化,使刀具在最后的精加工路线中可以以恒定的进给速率进行加工,从而获得恒定的切削量。对于在精加工阶段给定的刀具中心位置,可以通过将Oi向工件被加工区域偏置一个小的角度α,亦即通过优化刀具和半精加工曲面的交点位置来得到精加工阶段刀具与新加工面的接触点。在这个过程中,切削进给角由原来的θ变化为θ*,半精加工路线因刀具中心Oi轨迹的优化而得到优化。
假设在优化后的精加工中,刀具中心的轨迹为Ok(k=1,2,…,N),则这条轨迹也就是加工刀具偏置一个小的角度α后得到的一条曲线,如图3b所示。新的进给角θ*可以由刀具中心位置Ok、刀具与新加工的曲面接触点Qk和刀具与优化后的半精加工曲面上的点Pk组成。由于半精加工曲面先于精加工曲面生成,故对于在精加工中刀具与新加工的曲面接触点Qk,可通过定义一函数ψ(α)来表示,ψ(α)表示通过优化半精加工路线而对精加工路线产生的影响,即加工刀具偏置一个小的角度α后的刀具中心位置Ok与之前刀具中心位置Oi的函数关系。接触点Qk可表示为
为了使得新的切削进给角θ*能够满足所需要的精加工角度,应使‖Pk*-Ok‖=r,也就是使Ok、Qk和Pk所构成的角等于θ*,即
通过半精加工曲面上的点Pk,可以计算半精加工时对刀具中心Ok轨迹的修正量,即
循环上面的优化加工过程,直至加工过程结束。因此对于给定的刀具和工件,当计算出了所需要的进给角θ*后,就可以使得刀具在精加工阶段始终维持一个恒定的切削力,从而平稳地进行加工。
3 试验分析
为验证优化算法在具体切削试验中的先进性,本文以加工一个由不同曲率的凹凸圆弧和直线所组成的不规则自由曲面为例进行说明,试验加工的修正路径沿不规则曲面按顺时针方向开始,直到半精加工结束(图4)。零件材料为碳素钢。试验设计参数为:切削深度8mm,主轴转速3000r/min。用半径为5mm的硬质合金平头铣刀进行加工,精加工后,采用三坐标测量机对零件轮廓的几何误差进行测量。
采用3种不同的加工路线进行对比:①在半精加工和精加工阶段采用一般的轮廓偏置加工方法进行加工,在加工过程中保持恒定的进给速率;②采用本文提出的刀具优化轨迹算法进行加工,即在半精加工阶段采用修正进给角进行加工,而在精加工阶段采用一般轮廓偏置的加工方法进行加工,且加工过程始终保持恒定进给;③加工路线采用一般的轮廓偏置加工方法进行加工,即半精加工阶段维持恒定1500mm/min的进给速率,而精加工阶段采用可变的进给速率,通过对进给速率进行调整,使整个精加工阶段切削力保持恒定的值[7]。图5所示为不同加工路线下的加工过程,图5a为理想的最后得到的加工轮廓,图中1～6点为自由曲面凹凸圆弧所对应的位置点,1为加工起始点。
图5表明,通过理想轮廓和实际轮廓之间存在的偏差可以得出加工时存在的几何误差。图6所示为实际加工的几何误差变化曲线,图中,b、c、d分别对应图5b、图5c和图5d的加工路线。在开始加工的位置,由于要调整刀具的姿态,所以误差较大。图中1～6点所在的位置为自由曲面凹凸圆弧所对应的位置,可以发现,最大误差的位置在自由曲面凹凸圆弧所对应的位置,采用优化恒定进给速率的算法,可将刀具进入凹凸圆弧时的最大误差控制在0.08mm。第二种加工路线是对第一种加工路线的优化,优化后的整个加工轮廓的最大曲面和最小曲面的加工误差减小约20%。从图6还可以看出,第三种加工路线产生的几何误差始终小于前二种加工路线产生的几何误差,原因在于,对进给速率进行控制会在加工阶段产生一个比较小的不确定度几何误差。综合上述分析可知,第二种加工路线相对于第一种加工路线,被加工曲面误差的变化显著减小,变化频率明显降低,加工刀具轨迹得到明显改善。
在实际生产加工中,由于自由曲面经常由不同曲率的凹凸圆弧和直线所组成,在加工过程中不管怎样控制刀具的轨迹和姿态,切削速度总是保持在较高的水平上,当加工的弧面不满足凸包条件时,就很难保证其加工精度。为了避免刀柄或切削刀具产生过大的弯曲,可采用本文提出的刀具轨迹优化控制方法:在加工自由曲面时,将刀具的中心位置偏置一个角度,以优化加工轨迹,扩展加工的曲面条件。
4 结论
本文提出的用于自由曲面恒定进给的刀具轨迹优化算法,可应用于不同曲率条件下的自由曲面的加工,能改善实际加工过程中作用于曲面的机械变化和切削刃上的切削力。通过刀具轨迹优化,使精加工阶段的切削角度维持在一个恒定的水平,从而使表面精加工余量均匀,降低了影响精加工时刀具切削层面积的变化及刀具载荷的变化。
用设计的3种加工路线验证了本文算法的加工效果,即代表本文算法的第二种加工路线相对于传统算法的第一种加工路线,被加工曲面误差显著减小,加工刀具轨迹得到明显改善。证明本文提出的优化算法在实际加工应用中具有潜在价值。
摘要：在采用高速铣削机床对材料进行粗加工和半精加工时,针对三坐标数控加工,提出了一种用于自由曲面恒定进给的刀具轨迹优化算法,该算法可用于不同曲率条件下的自由曲面加工。通过对轨迹进行优化,将刀具的中心位置偏置一个角度,从而得到符合实际要求的设计曲面。最后设计了不同的加工路线进行切削试验对比,结果表明,优化算法在实际加工中稳定可靠,完全满足加工精度要求。
关键词：不规则自由曲面,刀具轨迹优化,半精加工,算法
参考文献
[1]刘丽冰,刘又午.加工中心在线检测误差补偿技术研究[J].中国机械工程,2000,11(3):154-157.
[2]赵巍.数控系统的插补算法及加减速控制方法研究[D].天津:天津大学,2004.
[3]杨钦文.自由曲线曲面数控加工复合刀具路径生成方法研究[D].长沙:湖南大学,2009.
[4]杨旭静.自由曲面高性能数控加工刀具路径技术研究[D].长沙:湖南大学,2006.
[5]张志飞.多轴数控机床误差与几何误差建模与补偿技术的研究[D].天津:天津大学,2000.
[6]Stori J A,Wright P K.Constant Engagement ToolPath Generation for Convex Geometries[J].Journalof Manufacturing System,2000,19(3):172-184.
[7]于洋,魏生民,刘平,等.对于切削进给的前向刀具路径修正研究[J].机床与液压,2009,37(11):54-56.
[8]张根保,王国强,何文辉,等.基于任务的数控机床可靠性分配技术研究[J].中国机械工程,2010,21(19):2269-2273.
[9]武凯,何宁,廖文和,等.基于变形控制的薄壁结构件高速铣削参数选择[J].机械科学与技术,2005,7(7):787-791.
曲面区域精加工 篇3
CAXA制造工程师是北航海尔公司自主研发的CAD/CAM软件包, 它具有灵活的实体曲面造型功能和丰富的数据接口, 可以实现复杂零件从造型、设计到加工代码生成、加工仿真、代码校验等一体化的解决方案。CAXA制造工程师提供了中文界面并具有提示功能, 适合国内工程技术人员造型和加工使用。CAXA制造工程师2011提供了8种粗加工方法 (图1) , 15种精加工方法 (图2) , 每种加工方式各有特点, 对同—曲面零件的加工往往可以采用多种加工方式, 但是这些加工方式的加工效率和加工表面质量存在一定的差异[1]。
1 CAXA精加工方法对曲面表面粗糙度的影响
曲面的加工一般分为3个阶段:粗加工、半精加工和精加工。粗加工的目的是快速切除大部分多余材料, 生成零件表面的大致轮廓, 因此应采取措施尽可能提高生产率。粗加工时吃刀量大, 刀杆扭矩大, 进给时刀杆变形大, 会产生大量的切削热等因素[2]。精加工应按技术要求生成零件的最终表面, 使曲面的形状精度、尺寸精度和粗糙度都达到图纸的要求, 因此精加工阶段是零件表面粗糙度最终形成的过程。CAXA制造工程师粗加工方法中, 常用的曲面加工方法有:等高线粗加工、扫描线粗加工、摆线式粗加工。精加工方法中常用的曲面加工方法有:曲面区域精加工、参数线精加工、等高线精加工、扫描线精加工、三维偏置精加工。
图3是材料为45钢的曲面零件, 整个零件有四种不同的曲率半径, 从左到右分别是R80、R20、R30、R10, 直线段的倾斜角度近似为65°。首先用Φ10平底立铣刀对其进行等高线粗加工, 如图4。在加工中刀具进行往复式切削, 这样可以避免铣床经常抬刀、空走刀, 可以缩短加工时间, 减少机器的磨损, 提高效率。Z切入层高为5, XY切入选择固定残留高度5, 加工余量1, 加工精度0.1, 主轴转速600r/min, 切削速度300mm/min。粗加工后曲面的陡峭部位有较多刀次, 加工较均匀、细腻, 圆弧顶部、底部的平坦部位轨迹稀疏, 残留余量多, 表面质量差。
在等高线粗加工的基础上, 再分别用上述常用曲面精加工方法进行精加工, 比较、分析各种精加工方法对曲面表面粗糙度的不同影响。
对曲面的精加工我们选用球刀。球头铣刀的刀头半径应选得大些, 有利于散热, 但刀头半径不应大于曲面的最小曲率半径。铣削残留高度是影响加工表面粗糙度的主要因素, 所以往往通过控制它的大小来控制表面加工质量。
为更直观的比较各精加工方法加工后零件的加工质量, 图5~图9给出了半精加工仿真图形, 给定条件为:Φ10的两刃球刀, 加工余量为0.4mm, 加工精度为0.02mm, 参数线、等高线、扫描线精加工给出了相同的残留高度2mm, 曲面区域、三维偏置给出了与前三种相同的行距8mm。在选择进刀、退刀方式时, 如果进刀点采取垂直方式进行切入工件, 刀具是向下钻到工件表面, 这样很不安全, 且加工出来的表面质量差, 在加工中是不可取的。所以切入方式选为倾斜角度30°的倾斜线。
在半精加工的基础上继续对工件进行精加工, 其中精加工给定条件为:Φ10的两刃球刀, 加工精度为0.01mm, 加工余量为0, 参数线、等高线、扫描线精加工给出了相同的残留高度0.2mm, 曲面区域、三维偏置给出了与前三种相同的行距2.8mm。
对各种精加工方法进行比较, 结果可以归纳为表1。
2 结语
如果要加工的曲面倾斜角<65°, 当同时限定主轴转速、进给量、走刀方式、铣刀参数等值时, 要使工件获得相同的残留高度, 从占用内存容量少, 加工时间快的角度考虑, 应该优选扫描线、三维偏置精加工。其次是曲面区域和参数线精加工。当零件表面质量要求较高时应选用等高线精加工, 但鉴于等高线精加工零件平坦部位加工质量较差的特点, 应辅以浅平面精加工, 使曲面各处粗糙度一致。另外, 对于表面粗糙度要求较高的零件, 加工时可以考虑分区加工, 并配以多种加工方式组合加工。
参考文献
[1]王振宁, 侯凯歌, 张玉东.CAXA制造工程师在模具表面精加工中的应用[J].模具工业, 2010, 36 (7) :70-73.
基于宏程序的复杂曲面加工 篇4
数控编程是数控加工准备阶段的重要环节,根据编程方式的不同,可分为手工编程和自动编程两种。先进的数控系统不仅向用户提供了编程的一般准备功能和辅助功能,而且还提供了扩展数控功能的手段,数控系统中的宏程序编程(参数编程)就是其中的一种。它具有应用灵活、形式自由、具备计算机高级语言的表达式、逻辑运算及类似的程序流程特点,使加工程序简练易懂,实现普通编程难以实现的功能[1]。
宏程序编程是指在程序编制时,通过改变程序中的数值或MDI面板上变量代表的数值,将变量赋给功能字。将这种在程序中使用变量,通过对变量进行赋值及处理的方法编制程序功能的过程叫作宏程序编程。而在普通程序的编制中,一般是将一个具体数值赋给功能字,如G00 X8.,就是将8赋给功能字X。
下面以图1所示圆筒体形压力容器端盖上的密集开孔处倒角坡口的数控加工为例,进一步说明宏程序编制和加工特点。
2 零件特征及加工分析
2.1 零件特征
该圆筒体压力容器端盖是一直径为φ5000mm的球冠,其上均匀地钻有平行于筒体中轴线(定为Z轴)且成多层同心圆环形分布的68个通孔,各孔在球冠内表面处的孔口均为具有一定坡口的曲面倒角,如图2所示。
它的成型难点和主要特征为:(1)它是用50mm的球形铣刀绕各孔中心线(平行于Z轴)做椭圆轨迹运动;(2)椭圆轨迹长轴一端始终指向球冠顶部;(3)不同“圆环层”上的倒角椭圆轨迹的长短轴尺寸,随“圆环层”所处直径的变小而变小,直至球冠顶点处的倒角由“椭圆轨迹”变成圆形轨迹;(4)不同“圆环层”上的倒角椭圆其长轴两端点在Z轴上投影连线长度,随“圆环层”直径的变小而变小,直至球冠顶点处的倒角“椭圆”长轴两端点在Z轴上投影重合为一点,如图2所示。
2.2 零件加工分析
根据工件的特征和要求,不难看出,对该类型工件的倒角加工,已不再是如细小工件倒角般,采用人手辅以简单工具就可以实现的。由于它有68个孔,且有在同一同心圆环层上倒角一致性要求高,不同同心圆环层上倒角具有均一差异的特点,故只能通过数控机床加工实现。
为此我们利用目前较为通用的多款三维软件在计算机上进行建模造型,发现无法完成相应关键结构部位的建模。究其原因是由于球刀的存在,球心在不断的做椭圆轨迹运行时,球形铣刀出现“过切”现象;在三维软件中,也无法找到对应能实现上述加工效果的曲面加工形成;若采用计算机进行图线编辑进行“建模”,则工作量相当大而且繁杂;再利用编辑所获得的图线生成刀具路径,则其工作量和所生成的程序之大是不难想象的[2]。
3 宏程序编程
相对于普通程序,由于宏程序编程可以使用类似计算机编程语言中的函数变量,使得程序编制更加容易和灵活,可实现普通编程难于实现的功能。宏程序编程属手工编程,其程序功能虽然也可以通过CAM编程实现,但CAM生成的程序往往较长,空刀运行部分较多,降低了加工效率。因此,在数控铣削中,对于非圆曲线、曲面、圆角、倒角、倒圆等零件中常见复杂形面加工时,用宏程序编程加工这类形曲面比用专用刀具工装进行造型加工要简便,且具有精度较高的优点。
3.1 数模算法
在数学计算中,XY平面非圆曲线的参数方程,可表示为。常用的非圆曲线有椭圆、渐开线、摆线、抛物线等,参数方程为:
在编写非圆曲线宏程序时,为简便起见,常常不用铣刀的半径补偿功能,而在椭圆的长、短轴数值或渐开线、摆线的参数r值上加(减)铣刀半径R,以建立新的参数方程。铣刀中心走修正后参数方程所形成的轨迹,实际上,铣刀中心走完该轨迹后,铣刀所切削的轮廓并不是所需的曲线。
依据工件,可知50mm球刀刀路为:在X-Y平面,球刀球心以孔轴心作逐渐扩大的同心圆运动;在Y-Z平面,球刀球心以孔口中心作不断倾斜的直线运动。刀具在X-Y平面内,运动轨迹圆可以表达为。参看图3,基于三角形OAB相似于OCD,可知:球刀球心点O在Z轴上移动量h与R99转动角关系为:
因R11为图中高度差的一半,故h=R11·cos(R99)。
3.2 单孔加工程序
依据上述数学模型,工件单孔加工程序如下,加工刀路仿真效果如图4,实物试切效果如图2所示。
3.3 工件加工宏程序
为简化加工编程工作和减少程序长度,本例在编程中运用了调用子程序语句。将68个孔所在位置点的坐标、各孔椭圆高度差、以及长轴的旋转方向编制成主程序,同时将上述单孔加工程序作适当修改后作为本程序的子程序,这样工件加工的整个主程序如下:
工件上所有68个孔的坡口最终加工结果如图1所示。
3.4 编程要点
在宏程序编程过程中要注意如下两方面问题:
(1)由于球头立铣刀在切削曲面过程中,其切削点随Z轴坐标变动而变动,刀具切削点的半径也就不是常数,编程时若应用半径补偿功能,其补偿值要用变量补偿,且进行或取消刀补时会产生空刀,本例编程不用半径补偿功能,程序直接控制球头立铣刀球心的运动,这可简化编程,减少空刀。
(2)由于本例程序用球头立铣刀球心的位置编程,对刀时刀具的对刀点一般还是采用选择球头刀的顶点,两点Z方向相差刀具半径,故对刀后,输入刀具长度补偿值时应减R。
4 总结
从上述实例可以看出宏程序编制并非十分繁杂。其逻辑严紧,操作简单,易读、易懂、调用十分方便,且程序短小,刀路简洁明了,运行时如单孔加工或分层加工操作者可根据实际情况随意选用;因此特别适合用于大型或超大型零件上的圆柱体与圆柱体相贯,小圆柱体与大圆柱体相贯等需进行清根加工的场合。对上述零件的加工只需编制一个类似的宏程序,通过改变相应的R11和R99的数值,便可实现数控加工,有很强的通用性。
参考文献
[1]王平.数控机床与编程实用教程[M].北京:化学工业出版社,2007.
曲面区域精加工 篇5
高速加工技术已日益成为大型复杂曲面加工的重要手段。大型复杂曲面加工时,对曲面的高速加工主要通过三轴以上的高速加工中心,对曲面整体进行粗精加工。球头刀是曲面加工中应用非常广泛的数控加工刀具。由于曲面形状特征不同,曲面的斜度和各点曲率不断变化,从而导致球头刀加工时的切削深度和切削宽度随时改变,引起切削载荷不稳定,刀具磨损加大。复杂曲面的整体加工,也很难做到曲面加工方式选择的合理性。因此,进一步加深球头刀在不同类型曲面加工中切削力的分析,加强对各种曲面特征的研究,寻求一种基于曲面特征的分区域的曲面高速加工方法对提高曲面加工质量和刀具寿命是十分必要的。
1 球头刀加工曲面切削力分析
1.1 球头刀的切削力模型
由于球头刀的几何特性对各种曲面加工具有良好的加工适应性,因此在多轴数控加工曲面时得到了广泛的应用。球头刀加工不同斜率的曲面时,参与切削的切削刃单元的分布状态和数目的不同使切削深度和宽度发生变化,从而影响切削力在大小及分布。因此,分析球头刀切削曲面的切削力时,首先确定曲面加工切削瞬时刀具和工件的接触区域及相应的角度,判断刀具离散的切削刃单元是否在接触区域内,从而获得参与切削的刃单元的分布状态和数目。图1为所建立的球头刀具坐标系及受力分析图,其中球头铣刀的螺旋角为b,刀具半径R,坐标系原点为球刀刀尖点,z轴为刀具轴线。根据相应的精度要求,基于Z-map仿真模型将刀具切削刃离散为一系列单元的集合。图中Φ为刀具切削刃离散单元相对z轴的位置角,在三轴加工曲面时为刀具轴线与曲面上刀触点法向矢量的夹角,称为刀轴倾角;i为切削刃序号;θ为切削时刀具转角;j(i,q,f)为铣刀转角为θ时,第i个切削刃和z轴位置角Φ为处切削刃离散单位的转角。
根据Z-map仿真模型分割方法,将刀具切削刃沿平行方向分割为许多切削单元,作用在刀刃单元上的空间铣削力可以分解为单元径向力d Fr、单元切向力d Ft和单元轴向力d Fa。其表达式分别为
式中Kt(i,q,f),Kr(i,q,f),Ka(i,q,f),分别为切向、径向和轴向铣削力系数。刀具受到的切削力为参与切削的切削单元的受力之和,分析切削单元的切削力特性以及参与切削的切削单元的分布,就可以建立起如下整个刀具的基本切削力模型。分解单元径向力,单元切向力,单元轴向力至x,y,z方向,得
从上式中可以看出,球头刀加工曲面时其x,y,z各向切削力与刀轴倾角Φ密切相关。
1.2 不同特征曲面的切削力实验
针对上述对球头刀加工曲面时的切削力的分析,为进一步验证球头刀加工不同曲率曲面时的切削力大小及分布情况,根据曲面曲率的从平坦到陡峻的变化程度,选取刀轴倾角为0-70的8个加工曲面特征模型进行切削力的试验。试件材料为大型汽车模具常用的钼铬合金,采用优选法,设计若干加工参数,保持每齿进给量和切削深度、切削宽度不变。通过改变主轴转速得到不同的切削力。图2所示为主轴转速为10000r/min,每齿进给量为0.3,切削深度和切削宽度为0.4mm所测得的8个特征模型的X、Y、Z向切削力大小及分布。
从以上测量结果中可以看出,球头刀在切削具有不同刀轴倾角的曲面时,在相同的每齿进给量、切削深度和切削宽度的情况下,切削力的波动很大,刀轴倾角在10°-30°之间的切削力较小,在3轴方式下用球头刀加工陡斜面或10°以下的浅坡面的切削性能很不理想,曲面加工切削力的大小极大的影响曲面高速加工的效率和加工质量,尤其对于大型复杂曲面来说,具有不同斜度和曲率特征曲面的同时加工将导致切削载荷极不均匀,波动加剧,加大刀具的磨损和破损。因此,在高速精加工中应对大型的具有不同曲面特征的曲面实施分区域并采用不同加工方法。
2 曲面加工特征及分类
2.1 曲面加工特征
在机械产品的制造过程中,加工特征是指一定的工艺过程相对应的特征,是零件的形状特征与制造工艺信息的结合。描述工件在加工制造过程中所需要的各种信息,体现了零件加工的所要达到的工艺目标,可用如下表达式表示:
其中FM加工特征,FS和FPC分别表示工件的形状特征和工艺约束特征,其中工艺约束特征又可细分为精度特征FPP、材料特征FMA等。形状特征对于加工工艺参数与加工方式的确定是最为重要的,并且其变化最复杂。曲面是机械加工特征中最复杂最难处理的加工对象,其主要的原因也正是其复杂多变的的形状特征,对于大型的复杂曲面来说,是由各种特征的曲面组合而成,在高速精加工中,如果对其采用一把刀具一次完成所有曲面的加工,则切削载荷极不均匀,切削力波动很大,刀具磨损加剧,曲面加工精度下降。根据曲面分类,对复杂曲面采用分区域处理,并分别采用适应各区域的加工方法是目前高速精加工较为常用的方法。
2.2 曲面的区域分类
由微分几何理论中的曲面论可知,自由曲面从点的全曲率分布特性出发可的点可分为三类。对于光滑连续的曲面,如果曲面上有一点的全曲率K>0,则必有该点附近的某区域内曲面上各点均为K>0,则称该区域为椭圆域,用球头铣刀来加工椭圆域曲面时,因球面上任意一点与被加工曲面的接触效果是一样的,一般用三轴联动的数控加工设备就可完成。若曲面上某点处K<0,同理存在该点的邻近区域曲面内各点均满足K<0,则该曲面区域为双曲域;若工件表面某区域内各点处K=0,则称该区域为抛物域。任何一个光滑连续的被加工曲面,往往由这3类区域组成。针对不同区域特征的曲面,其数控加工工艺设计及刀具类型及相关的工艺参数均有所不同、从而才能得到良好的加工效果。
在UG、Cimatron等实用CAM软件的加工中,往往根据刀轴倾角的大小及分布将曲面分为不同的类型,并采用相应用的刀具轨迹方法进行优化处理。一般将加工时刀轴倾角小于30°的曲面称为浅坡面;将刀轴倾角大于60°的曲面称为陡斜面;加工时刀轴倾角在45°左右呈一定规律变化,无突变,则称其为波浪面;对于刀轴倾角呈现无规律变化,无突变的整体曲面称为混合面;曲面与曲面之间的过渡面,且面与面之间具有一定的夹角和较小的圆角半径,则称之为过渡圆角面。在大型复杂曲面的加工过程中,首先针对不同特征的曲面进行型面分析,然后根据曲面曲率和刀轴倾角进行加工区域的划分,并对各加工区域设计相应的加工工艺方法与参数。在5轴数控机床或具有回转工作台的三轴数控机床上,要对刀轴倾角进行相应的优化设计,使刀轴倾角尽量控制在上述合理范围内,并将回转轴或回转工作台固定,以提高数控加工的刚性。
3 曲面高速加工刀具轨迹生成方法
高速加工要求切削载荷均匀,刀具轨迹连续、光顺平稳,长度短,并能提供多种切削方式,以实现切削过程的优化。对大型复杂曲面进行型面分析并进行区域划分以后,对各加工区域选择合理的加工刀具轨迹生成方法成为决定整体加工效率和质量的关键因素。
3.1 截面线加工方法
该方法通过运用一组平行平面或曲面去切割加工表面,截出一系列切触点交线,按刀具几何形状沿曲面法线矢量进行补偿后即可得到刀具轨迹,实现曲面加工。由于曲面与曲面求交计算比较困难,所选的截面一般采用平面。该类加工切削效率高,计算量小,在目前各类曲面加工中较为常用,其缺点是对于平行于刀具轨迹的陡坡面,将产生Z向间距很大的刀具轨迹,表面粗糙度大。另外对于起伏较大的双曲域波浪曲面或深腔与凸起混合的曲面,刀具轨迹连续性较差,不利于高速加工。
3.2 环切加工
该方法为先建立位于加工曲面上一平面的螺旋状刀具轨迹,然后将其沿刀具轴向映射至加工曲面得到包络的模型曲线,进行刀具几何形状沿曲面法线矢量补偿后得到刀具轨迹。该刀具轨迹的特点是可避免刀具的上下及行间的移刀,可以一次切入与切出实现曲面的加工,适用于椭圆域、双曲域及抛物域,但由于螺旋曲线行距固定,在加工斜度较大的曲面时,也会出现刀具轨迹Z向值变化较大而造成加工质量较低。
3.3 等高线加工法
等高线法是适应高速切削的需求而出现的一种加工方式。等高线加工是用指定一组等距离的水平面对加工曲面进行切片,得到加工曲面的等高线,补偿后得到刀具轨迹。等高线加工较好的满足高速切削对刀具轨迹的各项要求,切削负荷均匀一致,轨迹光顺、无干涉点,加工速度快,加工效率高,适合于各类复杂组合曲面的加工。等高线法在加工具有陡斜面和浅平面的区域时,由于采用相同的Z深度加工,在浅平面区域容易造成刀具轨迹在曲面上的行距较大,产生较大的残留高度,形成欠切区域。因此,采用等高线法加工浅平面时,根据等高线加工轨迹和加工曲面的形状自动确定残留面积过大的区域,对未加工区域的补充加工。对等高线加工产生的浅平面未加工区域的智能识别并生成补充加工的轨迹的具体流程如图3所示,图4为等高线法与其补加工刀具轨迹。
3.4 环切、等高加工组合优化
由于环切加工和等高线法加工各自的局限性,只能加工特定斜度的曲面。而前面所论述的根据刀轴倾角定义的曲面种类较多,因此,可以采用对这两种加工方法进行整合的优化方法。在刀具轨迹生成时,计算加工曲面的刀轴倾角以及相应的曲率,并对比走刀轨迹之间的残留高度,以残留高度作为刀具轨迹行距的计算对象,针以加工曲面的斜度和曲率对刀具切削行距进行相应的调整,刀具路径既不是以固定的数值沿Z向进给,也不是沿固定的间距以螺旋线的方式展开,而是以空间螺旋线的方式包络加工曲面,其行距的确定是以恒定的残留高度,结合曲面切削点的斜率及曲率所得到的变化的行距。
3.5 过渡区域加工
曲面间过渡补加工区域则是缘于曲面片之间在相交拼接处所形成的夹角小于180,采用相对较大的刀具沿零件面加工时与约束表面发生的干涉,导致刀具加工不到而遗留下来的欠加工区域。过渡区域的加工通常采用笔式铣削。笔式铣削采用的策略:首先找到先前大尺寸刀具加工后留下的曲面的过渡区域,然后自动沿着这些过渡曲域走刀,可以采用刀具半径递减法来计算笔式加工的刀具轨迹,直到刀具的半径与过渡区域的半径相一致,如加工图5所示弹簧板的过渡区域r3,前期采用R10的刀具半精加工曲面,过渡区域的加工采用r3的刀具,在计算过渡区域的刀具轨迹时,对曲面1用r3进行补偿,曲面2用R10补偿,计算交线加工轨迹,然后补偿量从R逐渐减小至r,在曲面1上产生所需的几条刀具轨迹。同样对曲面2和曲面1分别采用上述方法,在曲面2上得到几条刀具轨迹。这样计算的刀具轨迹加工过渡区域光滑,能较好地满足工艺和设计要求。如果过渡区域是具有一定半径的圆角,最简单的加工刀具轨迹生成方法是直接采用曲面交线清根加工刀具轨迹的生成方法。
4 结束语
在高速加工中,由于曲面形状特征的不同,导致球头刀在复杂曲面的整体切削加工中的载荷不均匀,切削力波动加剧,从而影响了曲面的加工质量和刀具寿命。从曲面形状特征出发,可将曲面从微分几何角度分为椭圆域、双曲域和抛物域,从加工中刀轴倾角可分为陡斜面、浅坡面及波浪面等。在对曲面特征进行分类的基础上,将加工曲面划分为不同区域,通过选用环切法、等高线法及其组合等实现复杂曲面的分区域加工可极大提高曲面加工的质量的效率,增加刀具使用寿命。
参考文献
[1]牛文铁,徐燕申,郑清春,常世平.自由曲面数控加工技术的研究进展[J].汽车技术,2002,3.
[2]刘长明,闫光荣,许鹤峰.基于留量模型的自动清根技术的研究[J].工程图学学报,2001,1.
[3]刘雄伟.数控加工理论与编程技术[M].机械工业出版社.2000.
[4]张臣,周儒荣,庄海军,周来水.基于Z_map模型的球头铣刀铣削力建模与仿真[J].航空学报,2006,3.
[5]周正干,王美清,李和平,邬学礼,崔在成.高速加工的核心技术和方法[J].航空制造技术,2000,3.
[6]Yang D.C.H.and Han Z.,Interference detection andoptimal tool selection in 3-axis NC machining of free-formsurfaces,CAD 1999,31(5):303-315.
浅谈普通机床加工的曲面零件工艺 篇6
对于轴流转浆式水轮机中的零件的加工工艺研究可以通过将把整个轴流转浆式水轮机分为转动叶片和转轮体来进行研究。通常情况下, 转动叶片在机械中的是有4-6片的, 这些叶片的形状都有普通机床加工为具有一定曲度的扇形, 在外缘型线上表现为一个曲面。普通机床就是依照相关的要求中有关大小和外形上的内容, 对这些叶片进行加工, 这样才能保证加工出来的零件时能够正常的在轴流转浆式水轮机中工作。另外, 普通机床对零件加工是需要将叶片的形状进行相应的调整的。这些调整细化到零件的各个不同的部分。
利用普通机床用传统的方法对零件进行弧形线加工时, 都需要有模型的辅助, 才能够完成。这种模型通常都是通过两个刀架、呈弧形的靠模, 以及装有弹簧的刀杆来制作完成的。带有弹簧的刀杆带动着刀具依照着靠模的形状运转, 刀具在这样的运转下就会在加工的零件上留下其户型的运动轨迹, 这就是过去普通机床对曲面零件的加工原理。
2 设备要求
普通机床比较擅长加工简单造型的零件, 对于加工曲面零件, 普通机床就必须具备一些特有的工具, 例如刀架、靠模、带有弹簧的刀杆, 以及有一个比较大的加工范围。关于普通机床加工的零件的尺寸范围的计算方法, 应该是其带弹簧的刀杆的两倍, 以及机床加工时的转轮的直径和靠模长度尺寸, 这三者数值加起来所得到的结果, 就是机床加工的零件的尺寸范围。
如果带弹簧的刀杆长为0.6m, 普通机床的转轮直径为2.5m, 靠模的长度大小为3m, 那么这台普通机床就可以加工大小为5m以内的零件。不过一般的转浆水轮机的转轮直径在3m, 正常情况下其可以加工的零件尺寸范围可以大于5m。大于5m的零件制作的立车会为生产的某些方面带来一定的困难, 有些还会让生产成本增加, 所以我们要把零件的尺寸进行改良, 省略机床加工中的一些装置, 最终让水轮机转轮叶片的加工更加完善化。
如果水轮机的转轮叶片直径定位2.5m, 那么就需要机床加工出3.4m的立车零件, 这种情况下, 采用普通机床传统的靠模装置精心加工是很难达到加工要求的。取消靠模装置的使用, 普通机床要完成对零件的曲面加工工序, 就需要从机床的刀具方面入手来解决问题。刨床加工道具就有一种加工弧形零件的样板刀, 由样板刀加工出的零件的数据是十分符合要求的。
但是这种样板刀也存在着一个缺点, 当样板刀进行加工时, 其余零件的接触面积很大, 刀具和样板刀之间都会受到很大的切削力, 从结构上来说, 立车与刨床是不相同的, 在切削的方式上也存在着差异。然而, 且切削的方式又决定了样板刀和零件在切削过程中受到的切削力的大小。刀具的要求是受加工方式的影响的, 要达到不同的加工效果, 那么刀具索要达到的要求也会不一样, 为了保证零件最终的加工效果, 即弧面的曲度要满足加工要求, 那么就要使用特变的样板刀来对零件进行加工。
仅仅只有样板刀的要求是不够的, 与此同时还要找到正、装夹和对刀等环节和刨床在满足零件加工最终想过所有具备的条件, 可以发现这些条件也是不一样的。为了保证机床对零件的加工过程中不出现工件的挤动, 或者是刀具出现松动的可能性, 在进行装夹和对到环节是都需要特别的小心谨慎, 才能不耽误工程进度的同时, 加工出满足要求的零件。
要是加工过程不得不使用靠模装置, 机床对零件的加工位置的选择也有特别的要求。这个时候, 机床对叶片的加工位置应该选在叶片全关闭处, 如果机床的转轮直径在2-3m范围内饰, 那么走刀的实际长度也会是70-100nm之间, 这样将会有利于机床的样板刀对零件曲面加工的进行。
立车使用的样板刀和刨床之间是很相似的, 在利用普通机床加工的叶片的外圆弧线很长的情况下, 可以把样板刀直接做成两块来对零件进行加工。相反的情况下, 一块样板刀就能完成零件的弧线型设计了。
3 注意事项
利用样板刀对轴流转浆式水轮机的零件叶片进行加工之前, 必须要对叶片的旋转垂直线和中心线进行必要的标注的, 这样做的目的是为了保证加工出的叶片零件是高精度的。在加工的一开始, 需要对刀具的位置进行固定, 这个固定位置必须要依照固定的牢固性、稳定性和准确性的要求。与此同时还要保证刀具中心线和轴流转浆式水轮机的转轮叶片中线之间是重合的。
机床在对零件进行弧面加工的过程中, 难免造成机床样板刀和零件之间较大的接触面积而造成的零件松动或者是刀具受到切削力被磨损的情况。为了减小这种损耗, 就需要将样板刀对零件的切削方式进行改进, 这样的话, 在工程进行中, 切削力和进刀量的数值上就会有所减少。如果不是对零件进行精加工的话, 样板刀在零件上留下的走刀轨迹是球形轨道长度和转轮叶片外圆直径共同决定的, 这个数据是可以直接通过计算得到的。
如果是进行精加工, 那么立车在对刨床进行走刀时就不能使用自动走刀的方式, 这样才能保证控制的进刀量在手动的控制下是高准确性的。在进行手动景倒是, 要时时关注刀具的变化情况, 在刀具与零件的接触过程中, 一旦接触面积过大, 或者是刀台出现强烈的抖动, 甚至发出怪声, 那么就要立刻停止走刀。
最后对加工完成的零件进行精度检查, 要把零件装到刀架上, 并使之保持一个旋转的状态, 这个时候再用工具对二者之间的差距进行测量。
4 小结
样板刀的使用对于立车来说是非常有益的。它即解决了立车的设备能力问题, 又将机床的功能发挥到了极致, 并且还将这个加工过程的成本降低, 充分的探索出了立车对弧形曲面零件加工的最高效的方式。
摘要：一般用来加工样式比较单一的零件的机床, 我们称之普通机床。用普通机床加工出具有弧形曲面的零件是机床生产商最为关注的问题。本文就将对普通机床中的零件切割刀的支撑进行分析和研究, 并且以特别案例的形式对具有曲面的零件在普通机床上的加工工艺进行剖析, 从而得出能够提高零件加工密度和效率的方法。
关键词：普通机床,曲面加工,工艺研究
参考文献
[1]刘凡, 周靖明.普通机床加工曲面零件工艺研究[J].无线互联科技, 2012 (06) :94.
[2]郭勋德.基于普通机床回转功能曲面数控加工技术的研究[D].山东大学, 2007.
曲面区域精加工 篇7
1 多轴数控加工中存在的主要问题
1.1 工件定位
在模具深腔曲面多轴数控铣削加工中, 工件定位问题是造成当前机床加工技术受到限制的直接瓶颈。这一方面体现在工件的重新装夹、调整和尺寸在线检测等工序都需要投入大量的资金;一方面传统的工件重新装夹方法使用的是机械夹具, 而对于给定精度要求的工件加工, 则往往需要设计专门的、全新的机械夹具, 这既需要投入大量的时间和精力, 同时也需要投入大量的资金。另外, 对于难识别基准特征的深腔曲面可能需要花费几个小时的时间来完成装夹操作, 这大大降低了加工的整体效率[1]。
1.2 数控机床技术
与以往相比, 数控机床及其加工用刀具的性能有了一定程度的提升, 但数控机床的性能却没能够得到充分的发挥。这主要是因为数控机床在加工时, 工艺的参数设置过于保守, 使得数控机床、工艺参数与刀具的选择之间不匹配, 从而制约了数控机床性能的正常发挥。
2 多轴数控铣削加工切削力研究
2.1 顺削时受力方向及其对加工的影响
以球头刀为例, 根据物理学中力的相互作用原理可知, 工件受到的轴向、切向和径向分力与微元刀刃受到的轴向、切向和径向分力大小相等、方向相反。采用顺铣切削时, 刀齿每齿的切削厚度都会由最大值逐渐减小到零。当刀具由切入到切出时, 采用顺铣削会使得刀具在整个切入切出过程中都会受到工件施加的挤压力, 从而产生欠刀现象出现, 导致切削不彻底。当刀具切出时, 其切出角为90°, 此时切削厚度为零[2]。
2.2 刀具倾角对切削力的影响
对于球头刀而言, 由于其存在前倾角和侧倾角, 使得铣削时瞬时未变形切削厚度与有效切削速度发生变化, 从而对最大切削力和平均切削力造成一定影响。
前倾角对切削力的影响。采用顺铣削, 水平方向的瞬时未变形切削厚度与垂直方向的瞬时未变形切削厚度会随着刀具倾角的变化而发生变化。当前倾角不为零时, 顺铣削的瞬时未变形切削厚度根据前倾角的正负有两种计算公式。当前倾角不同时, 顺铣削的有效切削速度和瞬时未变形切削厚度也不相同, 从而造成切削力的不同。采用逆铣削加工, 当前倾角不为零时, 刀具一方面在水平方向做水平运动, 一方面在垂直方向做进给运动。当前倾角不为零时, 两方向的瞬时未变形厚度与顺铣削方式计算公式相同。同时, 由于前倾角不同而引起的瞬时未变形切削厚度和有效切削速度的不同, 同样也会造成切削力的不同[3]。根据上述分析可知, 刀具倾角的不同会对深腔曲面多轴数控铣削加工的切削力产生巨大的影响, 进而影响加工的效率与质量。
3 多轴数控铣削加工技术优化策略
3.1 合理准确确定设计变量
在模具深腔曲面多轴数控铣削加工中, 其加工刀具存在刀具倾角、切削宽度、切削速度、切削深度、每齿进给量等参数变量。如果垂直刀具轴线方向的切削分量变大, 切削稳定性就会下降, 进而导致刀具变形幅度增加。在充分考虑切削力和刀具变形对深腔曲面多轴数控铣削加工产生的巨大影响之下, 当刀具倾角为40°时, 刀具变形较小;当刀具倾角在30°到40°之间时, 刀具表面粗糙度最佳。同时, 对主轴转速与每齿进给量这两个工艺参数进行优化设置, 以符合加工目标要求[4]。
3.2 刀具路径的优化
1) 合理选择铣削加工方法。目前, 铣削加工方法主要有两种, 即顺铣削和逆铣削。顺铣削和逆铣削在实际切削过程中都会产生“欠切”现象。发生“欠切”现象就会存在欠切量。欠切量是由刀具材料、刀具直径、伸出长度和切削力等多种因素共同决定的。要想得到良好的铣削加工精度, 就必须选择刀具变形量小的铣削方法。在条件相同的情况下, 顺铣削的刀具变形程度要小于逆铣削, 具有较高的加工精度。但如果想要得到最佳的表面粗糙度, 则需要选择逆铣削。在实际加工过程中, 应根据具体情况、具体目标要求, 综合考虑各方面因素, 选择最合适的铣削方法。
2) 合理选择刀具路径。在不考虑是顺铣削还是逆铣削的情况下, 铣削加工具有四种刀具路径, 包括正前倾角、负前倾角、正侧倾角和负侧倾角。不同的刀具路径具有不同的切削速度、刀具变形、表面粗糙度和切削力。当刀具倾角相同时, 正前倾角和正侧倾角的切削力都较小, 因而在满足这一条件的情况下, 铣削加工适合采用这两种刀具路径。而正侧倾角刀具路径上一刀的出刀点正好是下一刀的进刀点, 几乎没有空刀出现。所以, 为提高加工效率, 减少空刀存在, 应选择正侧倾角刀具路径加工方式。
4 结束语
综上所述, 本文以模具深腔曲面多轴数控铣削加工为主要研究对象, 从模具深腔曲面多轴数控加工中存在的主要问题, 以球头刀为例从顺、逆铣的前、侧倾角对多轴数控铣削加工切削力影响进行了研究, 从设计变量的确定、铣削方法的选择和刀具路径三方面对模具深腔曲面多轴数控铣削加工技术优化策略进行了探讨。根据文章分析可知, 模具深腔曲面多轴数控铣削加工受诸多因素影响, 只有对这些因素进行全面充分的考虑, 才能够制定出有效的优化策略, 才能推动多轴数控机床加工产业快速发展。
参考文献
[1]程雅琳.复杂曲面多轴数控加工精度预测与控制[D].济南:山东大学, 2010.
[2]张剑.整体叶轮五轴数控铣削技术研究[D].长沙:湖南大学, 2012.
[3]杨胜培.复杂曲面数控加工的若干基础技术研究[D].长沙:湖南大学, 2009.