曲面铣削（共4篇）
曲面铣削 篇1
在多轴数控铣削加工的模具生产过程中, 其加工质量、加工效率、加工路径等工艺参数会受到诸多因素影响, 如铣削使用刀具的倾角、刀具姿态等。为解决模具深腔曲面多轴数控铣削加工中存在的主要问题, 为实现提高铣削加工精度与质量, 促进新模具多轴加工技术的发展与创新, 降低加工成本目标, 就需要全面考虑多轴数控铣削加工切削力、存在问题等影响因素, 并根据模具深腔曲面多轴数控铣削加工技术特点对其技术进行优化。
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。
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曲面铣削 篇2
高速铣削是数控铣削以后的发展方向，1978年，CIRP（国际生产工程研究学会）切削委员会提出：切削线速度为500～7,000m/min的切削为高速切削。对铣削加工，ISO1940标准规定，主轴转速高于8,000转为高速切削，在高速铣削过程中，铣削力因加工条件的微小变化而产生很大变化，恒铣削力加工成为一种理想的加工方案，而本文提到的基于平均切削力模型的进给速度优化理论其切削力的平稳性为以后研究高速数控铣削加工铣削过程中铣削力变化过大的难题提供了解决的方法。
1 进给速度优化概述
数控编程人员挑选一个进给速度，经常在刀具加工达到最糟糕的切削条件后，考虑到安全因素的处理，程序员在数控编程作为整体运作过程中根据最糟糕的情况来确定进给速度参数。“最糟糕的情况”方案通常是一个很低进给速度的选择。这个选择是安全的，但是由于太保守，往往是极低效和浪费了大量的时间，而且在其他加工条件下，切削质量不好。因此，有必要根据的加工条件优化进给速度，对数控加工进行“局部的优化”。刀具切削环境（如切削深度、宽度、角度）发生变化时，或者刀具走空行程较多时；刀具切削的材料比预期更少或更多时；刀具进给速度过于保守时，如此以上情况都需要对进给速度进行调整。足见进给速度调整的必要性。进给速度优化方法可以分成两大类：在线和离线两大类。在线需要运用各类传感器测量切削过程参数，根据收集的加工参数调整切削参数。因为时滞系统输入信号，这种方法，具有较强的延迟性；离线模式是根据以往的切削模型来预测将来切削的切削力大小，根据预测值进行调整切削参数。整个优化过程并不改变刀具轨迹坐标，只是按照该点的切削条件，在某一恒定的切削力条件下，设定一合理的进给速度。
2 铣削宽度、刀具接触角、有效切削深度的概念
铣削宽度ae铣削宽度是指铣刀刀刃与工件相接触的两点垂直于刀具进给运动方向上所测得的距离。刀具接触角γ（cutter-engagement angle）是指铣刀刀刃与工件相接触的两点与刀具中心连线的夹角。如图1所示。
根据三角函数关系刀具接触角γ和铣削宽度ae存在如下关系：
有效切削深度δe的概念：铣削宽度ae与刀具半径R的比值。有效切削深度δe也可认为是刀具半径为1时，刀具的铣削宽度ae值。δe=ae/R=1-COSγ
3 有效切削深度的数学计算
有效切削深度是一种切削参数，它涉及刀接触角,可视为刀具半径为的切削宽度数控加工中刀具采用行切法走刀,轴向切削深度不变,但铣削宽度ae随着曲线路径的变化而变化,刀具的接触角度γ和有效切削深度δe会随着工件加工轮廓的改变而改变,如图3显示。
刀具沿刀轨切削的过程中，切削的条件通常包括以下几种情况：(1)窄槽切削（图3中的E点）；(2)直线切削（图3中的A点）；(3)凹段切削（图3中的B、C、D、G、H点）；(4)凸段切削（图3中的EF之间的点）。
从一个工具的刀具轨迹H、A、B、C、D、E、F、G、H，终于回到了一个点的切割过程中，切削条件发生变化，切削过程中，有效切削深度δe变化，可以看到在刀具切削凹圆弧处刀具接触角度会大大增加了，这是坏的，容易发生过载。由于切削加工凹圆弧段和狭槽处切削加工条件极差，数控编程工艺人员在数控编程时总按此时的加工条件选择小的进给速度。但在全部加工中，“最坏的加工条件”而不是很多，大多数应当在相对较高的进给速度切削，那么按照“条件最坏的切削速度”来作为整个程序的进给速度，是不合理的，结果必然是浪费时间。为了提高生产率，必须对进给速度进行自动优化。
零件的形状基本几何特征有：直线、凸、凹圆弧三种。如图4，数控加工轮廓铣削基本模型，左边为一段直线段，中间是凹圆弧段，右边是凸圆弧段。其中AC,FG,JK为刀具半径r。CB,HI,MN为刀具加工行距L,EG,JL为凹、凸圆弧半径R。
接触角γ是一个重要的数据参数，通过分析可以利用相关数学计算和从刀位点数据中得到的r、R值，根据三角函数和余弦定理，获得不同加工特征上接触角γ。
(a）直线特征:
(b）凹圆弧特征:
曲面铣削 篇3
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
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曲面铣削 篇4
微细切削[1,2]技术以传统机械加工技术为基础,融合了超精密加工技术、数控加工技术、微小型检测技术、微小型刀具制备技术等先进制造技术,具有加工精度高、加工成本低、加工效率高、三维加工能力强、适用工件材料范围广等优点,已成为微细加工的重要手段,其中微细铣削[3,4]技术应用最为广泛,是研究的重点和热点。
表面粗糙度是评价精密加工表面质量指标的重要参数,粗糙度值的大小直接影响零件的工作精度、配合性能、接触刚度、耐磨性、耐腐蚀性。微小型结构件的几何尺寸微小,研究微细切削条件下有效地预测和控制表面粗糙度对于微小型零件而言有重要意义。以往研究中,主要采用一阶多元线性回归[5]的方法建立表面粗糙度预测模型,此种方法在建模精度和泛化能力方面不能满足要求。基于神经网络[6,7]和最小二乘向量机[8]的预测模型虽在预测精度上有所提高,但都存在试验次数多、模型建立过于复杂等问题。基于中心复合设计[9]的二次响应曲面法[10,11]是数学和统计学原理相结合的产物,相对上述方法以及更高阶次多项式预测模型,二次响应曲面法具有可旋转性、序贯性、模型稳健性以及试验次数少等优点,其响应估计结果能够逼近真实的响应曲面,获得满意的预测效果,故常被应用于解决实际问题。
最小切削厚度的存在、尺度效应现象的影响以及非自由切削程度的加强,使得微细铣削不同于常规铣削,因此,深入研究微细铣削条件下工艺参数对表面粗糙度的影响以及加工前切削参数的选择,以达到预测和控制表面粗糙度的目标就显得尤为重要。采用二次响应曲面法不仅可以估计铣削工艺参数对表面粗糙度影响的线性效应,而且还可以估计二阶交互项以及纯二阶项的效应,有利于深入发现微细铣削中铣削工艺参数对表面粗糙度的影响规律。
1 响应曲面法模型方法
响应曲面法(response surface methodology,RSM)即非线性回归,它结合数学、统计学原理以及试验设计技术,探讨影响因子与响应输出之间的数学关系。一个包含响应y(x)的过程或系统,该响应依赖于输入因子x1,x2,…,xp,如果响应与自变量之间存在线性函数关系,则近似函数是一阶模型:
式中,β0为常数项;β为xi的斜率或线性效应;ε为误差项。
对响应y(x)和输入x1,x2,…,xp之间的关系的研究称为响应曲面研究。二阶响应曲面模型考虑了交互效应和二次效应,可以表达为
式中,βij为xi和xj之间的交互效应;βii为xi的二次效应。
三个因素的二次响应曲面模型可以写成:
2 试验设计及试验结果
试验机床为北京理工大学自主设计的微小型车铣加工中心KNC-50FS(图1),其驱动系统重复定位精度为0.2μm,分辨率为0.1μm,铣削电主轴最高转速为60000r/min。利用直径1mm的三刃细晶粒硬质合金立铣刀对硬铝合金LY12进行平面铣削试验。采用表面粗糙度仪(时代TR240)进行表面粗糙度的测量,主要测量参数为:取样长度0.25mm,采样数量5,采样间隔0.001mm。
微细铣削切削深度较小,一般在10-4~10-2mm范围。本试验中,将切削深度的零切面选择为30μm,充分考虑了基于中心复合设计的二次响应曲面这种试验设计方法的要求以及试验条件两方面因素,最大切削深度为46μm,最小切削深度为13μm。由于表面形状误差和其他因素的影响,不易直接确定工件的零切面,为了消除误差,必须先进行零切面的切削生成,然后根据已形成的零切面确定试验用切削深度,以保证试验结果的准确性。
微细铣削工艺试验采用基于正交可旋转中心的复合设计方案,该方案是响应曲面中常用的一种试验方法。试验零水平下主轴转速n=12000r/min,进给量f=4.5mm/min,铣刀齿数z=3,刀具直径D=1mm,切削速度和每齿进给量分别按下列公式计算:
因素编码及水平如表1所示,其中,X1为铣削速度v,X2为每齿进给量fz,X3为切削深度ap。
对三个变量分别按下式进行编码:
试验设计矩阵及试验结果如表2所示,这时拟合的最小二乘估计的二次响应曲面方程为
该表面粗糙度预测模型的适用范围为:
3 试验结果分析及模型检验
要判断模型的拟合程度,必须对回归方程进行显著性检验,本文采用F检验。统计检验中把总的偏差平方和ST分解为回归平方和SA与残差平方和SE两部分,即
式中,yi为实测值;为回归后的数值
F检验计算结果如表3所示。
对回归方程进行的方差分析和F检验表明,该预测模型呈显著状态,与实际情况拟合得很好,用本文模型预测微细铣削硬铝合金LY12的表面粗糙度有较高的可信度。
按照式(6)的表面粗糙度模型进行拟合并绘图,得到各参数对表面粗糙度的影响规律,如图2~图4所示。
(1)由图2可知,在切削深度0.01~0.05mm、fz=0.25μm的微细切削条件下,随着切削速度的增大,表面粗糙度值明显减小,切削速度接近60m/min、切削深度最小时,表面粗糙度Ra接近0.2μm。对于微细切削,由于刀具直径太小,切削线速度的提高主要取决于铣削主轴转速,本次试验最高切削速度是在主轴17000r/min时取得的,可见提高切削速度对于降低表面粗糙度影响显著,图3也证明了这一点。
(2)图3表明,在低的切削速度和切削深度下,随每齿进给量的增大,表面粗糙度值变化不显著。但在切削速度达到53.52m/min时,每齿进给量的增大对表面粗糙度的影响显著,表面粗糙度值增大。由图3可以看出,在切削速度介于40~50m/min时,表面粗糙度值受切削速度的影响不大,此时,可获得比较稳定的加工表面质量(Ra≈0.4μm)。
(3)由图4可以看到,v=37.68m/min时,表面粗糙度值随每齿进给量和切削深度的增大而增大,并且切削深度对表面粗糙度的影响比每齿进给量对表面粗糙度的影响要显著,在最小切深和最小每齿进给量下,表面粗糙度可获得最小值。
回归分析中回归方程的显著性并不意味着每个自变量对因变量的影响都是重要的,还需要对回归系数进行显著性检验,以便考察每个自变量对因变量作用的显著程度,从而更好地对试验结果进行预报和控制,表4为回归系数显著性检验分析表。
由以上显著度次序分析可以得出现有微细切削试验条件下铣削参数对表面粗糙度影响的显著性排序如下:
(1)线性效应显著性由大到小依次为:切削速度v、切削深度ap、每齿进给量fz;
(2)二次效应显著性由大到小依次为:fz2、v2、ap2;
(3)交互效应显著性由大到小依次为:vfz交互、vap交互、fzap交互。
从总体来看,切削速度v和每齿进给量fz对表面粗糙度的影响较为显著。从图2~图4所示的切削速度、切削深度、每齿进给量对表面粗糙度的预测模型曲面可以看出,在本文试验条件下,提高切削速度、减小每齿进给量和切削深度可以有效减小微细铣削表面粗糙度值。图5所示为利用式(6)计算出来的二次响应曲面对表面粗糙度的预测值同试验实测值的对比,进一步证明了预测模型的准确性。
4 结论
(1)基于二次响应曲面法建立了微细铣削条件下表面粗糙度预测模型,经检验该模型在试验条件内有较高置信度和实用性,可利用该模型在加工前选择切削参数,对表面粗糙度进行预测和控制。
(2)基于正交可旋转中心复合设计的二次响应曲面法建立的表面粗糙度预测模型,在具备较高置信度的同时,可以有效地增加试验的信息量,减少试验次数,这种方法也可以用于建立其他切削预报模型。
(3)通过试验并利用预测模型分析了切削参数影响表面粗糙度的线性效应、二次效应和交互效应的显著性。试验条件下,微细铣削三个切削用量中对表面粗糙度影响较大的是切削速度和每齿进给量,切削深度对表面粗糙度的影响最弱,提高切削速度能有效减小表面粗糙度数值。
摘要：在自主研发的微小型车铣中心上,采用正交可旋转中心复合设计的二次响应曲面法对硬铝合金进行了微细铣削试验,分析了铣削参数(切削速度、每齿进给量、切削深度)对表面粗糙度的影响。基于二阶响应曲面法建立了表面粗糙度预测模型,根据试验结果,采用最小二乘估计得出回归系数,对回归方程进行了显著性检验,并对切削参数影响表面粗糙度的线性效应、二次效应和交互效应的显著性进行了比较。结果表明:在一定工艺参数范围内,切削速度对微细铣削表面粗糙度的影响最大,每齿进给量次之,切削深度影响最小;二次响应曲面法预测模型回归显著,置信度高,可以用于进行加工前的切削参数选择,以达到对表面粗糙度进行预测和控制的目的。
关键词：微细铣削,表面粗糙度,响应曲面法(RSM),预测模型
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