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哈尔滨理工大学硕士学位论文 硼化锆整流罩数控磨削加工工具运动轨迹优化研究 摘要 硼化锆陶瓷是现代航空航天技术中应用较为广泛的新型耐高温材料之一， 数控磨削加工技术是这种材料的主要加工方法，而现代航空航天技术中采用这 种材料制造的零部件形状都比较复杂，加工精度及形位公差要求较高，这就对 数控加工方案提出了更高的技术要求。因此，数控加工程序尤其是加工刀具运 动轨迹的优劣将直接影响到硼化锆陶瓷材料的广泛应用。 首先，本文介绍了硼化锆陶瓷在现代科技中的应用以及加工方法，综述了 国内外的研究现状，阐述了研究此种材料数控磨削加工技术的意义，并说明了 本文的主要研究内容。 其次，以采用直线及圆弧插补技术的硼化锆陶瓷整流罩数控加工实验为研 究对象，对实验中生成的加工刀具轨迹进行研究，通过建立数学模型深入的分 析了脉冲增量插补方法的原理及判定方法，提出了采用参数曲线插补方式优化 刀具运动轨迹的设计思路。 再次，对参数曲线插补技术进行深入的研究，重点分析本文提出的非均匀 有理b 样条曲线的插补原理、方法以及控制因素，指出采用这种插补方法优化 曲面数控加工刀具运动轨迹的可行性。 最后，设计了基于u g 的硼化锆数控磨削加工程序并进行了实验，通过实 验生成u g 刀路路径及加工g 代码，并对分别采用m 瓜b s 曲线插补和圆弧曲 线插补产生的两种实验结果进行比较，验证了采用矾瓜b s 曲线插补优化刀具 加工路径的正确性。 关键词硼化锆陶瓷；数控磨削；刀具运动轨迹；非均匀有理b 样条插补 哈尔滨理工大学硕士学位论文 s t l l d yo no p t 妇i 珊i o n c n c g r i n d i n gt o o lp a 她o f z r b 2d o m e a b s 们c t z 如c 0 i n i 哪b o r i d e 伏枷c si s0 n eo ft h e 珊1 w 够p 懿o fb e 痂gh i g ht c m 群戤m 聪 m a ：0 e r i a l sw 勃血i hi sl 坶e di nt ：b em d 玉锄a v i 甜6 e l d ；m m 谢c a lc 伽廿0 l 孕i 扣l d i n g t e c l l i l i 叩i s 妇m 血眦螂o f 嗽删蛐丸融位c 0 删蜥s w h i c h 面伽曲mb o d d ec c 船m i c s 瑚m 湖i nt 1 1 em d d 锄踞唧触s2 l l w a y sc o m p l i c a t ea n d n e e dt h eh i g h 盱p l d l c e s s i n g 赦吼卫湖哆锄d 謦娜m e t r i ct o l 口锄c e ，a ut l l o 期i s e dt 1 1 e h i g h e r 童e c h n i c a l 坞q u 白舢e mt 0t h e 删e c to f 删哪e r 砌c o m lm h i n j m 唔，也e p 肿m0 f 删c a l 洲础曲埘n g 谢u 曲酬y 懿唧确哪帆m c u 0 f 面c o 幽m 晰i 出喊锄i c s i np 删砌暂细m c 俩蛆恤i j lo fp 加i c c s s i n g 咖t i n g 伽1 f i r s t ：i y t h et 1 1 e s i si n 仃0 ( h | c l 眵t h e 昭粕dp i o s s h l gm e a 玎l so f 五r c c m i 咖b o r i d e 捌b 1 i c si l it b em 0 重e ：m 辩i e n a n dt e c h n o l o g y ，i tg i v 豁a 吼m m 硷面z i l l gs t 甜咖e m a b o l | tt h et 1 1 e o 巧他s e a hs t a 士u sq u oo f 珊时鸭锄d 如阳i g nc o u n t r y i l l 血响l e st l l e 珊瑚l i n g0 fp r 0 s 豳唱t c i c h o l 0 留“殖l c o n i 咖跏d cc e 咖试c sn cg l 恤d i i l ga n d t l l em a i n 煅融a 阴n 吼to f 也et i l e s i s s o n d l y ，也e 血e s i st a 】妇；t h e 麟p c 血搠1 tw h i c h 峭豁也e 殖0 n i ：l 胁b o d d e 涮璐d o m en c 麟曲【i n i n go fl i n 骰a n dc 梳u l a r 黜硫e 删a 埴孤t e c b n o l o 野弱 s t u d y 州毗m 咖h e sc u t l 她伽l 衄g e 删a 捌i n 位p m 淌i n go f 唧岫 d 唧l y 锄a l y st h ep 血c i p i 骼锄dj 疵蛔咂e n tm e t h o d so fm ep m i l l c r 咖n t m 脚枷0 n 坶e 酿l b l i 幽n g 衄曲印1 砸c a l 姗池l s ，i tp 唧o s 鼯t h ed e s i 萨i d e 鹤也越 枇眦哑1 0 0 l 喇鳓唧袖p a r 籼e 疵涨i n 哪蜥魄 啊曲d l y t l l el h e s i sd p l y 劬畎k e s 弘哦咀l 鼬盱c i 删ei n t 叩蜥o nt e c h n o l o g 乳t h e 妣啦o f i t 即p 0 鼢血ct 1 1 e 唧眦t h o d 趾d 咖删胁岫o f 鲫蛐枷o n a lb s 锄p l e 描舱i n ：哪l a l i o 呜d e 而b 陷t h e 颤l v 锄也i j g 伪锄dd i 铀d 1 阳n t a g 踯o f 恤i s 哈尔滨理工大学硕士学位论文 i 1 1 _ t e f p o l 撕o n 础廷h o 也也i 融a l l y s 瑚珊甜叩让峙觚i m 畸o fa p p l i c 舐0 n0 f 崎 m 晒印蜥衄t e i c h i o 时t 00 p 血n i ：臻t h ec u r v en cm 敞b i n i n g 幻0 l 位l i c c 幻以 f i n 甜i y id e s i 删m 咖删c 0 毗l 伊i n d i n g 讲仪洳o fz 慨d 咖呛b a s e d 也eu g ；gc o d e sh a _ v eb 。如d e s i 印e db yu g 芦鹤s i n g 删撕衄锄d p 0 瓯锄d c 0 脚p 删n u r b sc u n ，e 趾dc i ：n o l l l 甜a 耶c 唧ei n 厶即o h l i o 坞v 耐矗e dc 0 参c t l l e 鹤 a b o u tt h ep a l ho f t o o l0 p 血删蚰m 呻m 瓜b s c l | r y e 砷镧p o l 鲥o n k e ”帅r d sz 碱啪b 硎ec e 姗m i c s ，n c 鲥峨，c i 觚吨白d o lm 曲臼麓c k 砷钟。蜥 一m 1 1 课题来源及意义 第1 章绪论 本课题来源于哈尔滨理工大学、哈尔滨晶石机械制造有限公司与哈工大航 天学院“硼化锆陶瓷整流罩数控磨削加工 校企合作项目，本课题针对硼化锆 陶瓷的物理特性，通过对整流罩端部不规则曲面轮廓的磨削加工实验，在数控 加工编程过程中，采用参数曲线插补的方法对刀具运动轨迹进行优化。 随着人类文明的不断进步，人们对现代交通工具的要求越来越高，对未知 世界探索的欲望越来越强，现代科学技术的发展给人类实现外太空探索的梦想 提供了机遇，现代飞行器( 如航天飞机、运载火箭、洲际导弹等) 正朝高速、长 距离、大载荷的方向发展，科技发展的规律告诉我们，制造先进的机械设备需 要先进的材料，z r b 2 因具有较高的化学稳定性( 10 0 0 以下) ；较高的电、热 导率；高的耐腐蚀性等优点而适用于极端环境，因此以硼化锆( z r b 2 ) 为主要 成份制成的陶瓷材料倍受关注【1 一。 硼化锆陶瓷( z i r c o n i u mb o r i d ec e r 锄i c s ) 的主要成份是二硼化锆 ( z r b 2 ) ，它是具有六方体晶系的准金属结构化合物，具有高熔点( 30 4 0 ) 、 高硬度、高稳定性、良好的导电性、导热性和抗腐蚀性，能抵抗l0 0 0 以下空 气中的氧化。硼化锆陶瓷是用硼化锆粉末和炭化硅按照一定的比例，采用 生产陶瓷的常规方法制成的。因此以二硼化锆为主要成份的复合陶瓷综合性 ( 包括物理性、化学性等) 能优异，在极端环境中用途广泛i 划。 传统的陶瓷制品加工是先制成符合使用要求形状的成品毛坯再经过烧结加 工制成的，而现代工程陶瓷材料的部件需要经过再加工才能满足使用需求。并 且随着现代科技的发展，许多零部件的造形需要满足功能性、结构性、审美学 等方面的要求，零件的外型轮廓多涉及曲面即由不规则曲线组成。 现阶段对于曲面的数控加工国内外多采用多轴( 三轴及以上) 联动方案， 为提高数控加工的产品表面精度及效率，世界各国的数控机床制造商都把刀具 运动轨迹的插补技术作为解决此类问题的核心方案之一。不同型号的数控机床 采用的插补方式不同，在数控加工编程阶段走具运动的轨迹及采用的插补方法 会直接影响到产品质量、加工成本、加工进度及成品率，本文研究的数控加工 刀具运动轨迹参数曲线插补优化的方法，将会对硼化锆陶瓷高质、高效加工产 哈尔滨理工大学硕士学位论文 生深远的意义。 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 陶瓷数控磨削技术 据有关调查研究数据表明，当前采用以金刚石刀具( 砂轮) 磨削加工硼化 锆陶瓷的工艺占所有可加工此种材料工艺总数的8 0 啪。随着硼化锆陶瓷在航 空、航天等技术领域应用范围的扩展，国内外众多学者都在陶瓷磨削机理、磨 削过程的质量控制、磨削中使用的刀具和加工工艺参数选择方面取得了许多有 价值的研究结果。 1 9 7 5 年英国萨塞克斯大学的莱文( i ，a 舳br ) 和澳大利亚新南威尔士大学 的茨万( s 撇血mv ) 两人分别通过建立压痕断裂力学模型来模拟陶瓷磨削加 工的过程，进而研究陶瓷的磨削机理，提出了应力强度因子的概念，通过多年 的研究指出：陶瓷材料的去除机理常为裂纹扩展和脆性断裂，而当材料硬度降 低，压痕半经小时，摩擦剧烈，并且当载荷比较小时，就会出现塑性变形。1 9 8 8 年，美国北卡罗莱纳州立大学的毕弗努( b i 铀otg ) 采用多种脆性材料在精 密磨床p e g a s u s 上的切入式磨削试验，验证了陶瓷材料的塑性去除机理，并提 出了陶瓷材料在延性域范围内进行磨削加工的理念。1 9 9 4 年日本庆应义塾大学 的学者瑞特晨池( hr ) 首次将分子动力学分析的方法应用于磨削机理的 研究，通过磨削过程的仿真实验，得出了磨削过程中磨屑堆积现象的结论。1 9 9 6 年，麦卡因( m a l l ( i ns ) 在总结前人研究结果的基础上对陶瓷磨削加工机理进 行了概括性的综述，结论表明磨削加工是陶瓷材料实现低成本、高效率加工的 首选工艺。1 9 9 9 年，德国凯泽斯劳腾大学的万耐克( w 珊k eg ) 使用有限元 分析法研究陶瓷材料的磨削机理，研究结果表明：陶瓷材料的磨削机理与材料 的去除机理有关1 7 i 1 3 1 虽然陶瓷最早出生在中国，但过去我国对陶瓷材料的使用只停留在工艺品 ( 如花瓶、唐三彩等) 阶段，陶瓷材料的加工只在烧制成品之前进行，随着科 学技术发展对新材料的要求。 1 9 8 6 年我国在七五计划中，将汽车发动机陶瓷零部件的研制列入国家重点 攻关计划，组成了由天津大学、清华大学、国家建筑材料研究院为主要成员的 科技攻关小组。经过两年的不懈努力，完成了陶瓷气门、陶瓷活塞顶、陶瓷缸 盖底板、油泵中的陶瓷针阀等多种汽车发动机耐高温的零部件实验性加工生产， 哈尔滨理工大学硕士学位论文 开创了我国首例先进陶瓷加工，同时也为国内学者对陶瓷加工理论研究指明了 方向。同年，天津大学采用普通硬质砂轮对碳化硅( s i c ) 陶瓷和二氧化锆( z 她) 陶瓷进行了镜面磨削。1 9 9 1 年，东北大学郑换文、蔡光起教授对一种含有钼金 属的陶瓷材料进行了磨削试验，实验中通过测定单位磨削力、磨削热能等技术 参数，并使用s 董m 技术对磨削表面和磨削区域的变化进行观察，对含有金属 元素的陶瓷材料的磨削去除机理进行了研究。2 0 0 3 年，北京航空航天大学以陈 鼎昌教授为领导的科研小组，通过实验分析物质纤维排列的角度与切削力作用 方向之间的关系，总结出纤维方向对切削力的影响，并建立了切削过程的数学 模型n 臻硼。 另外，对于陶瓷材料国内外专家学者还研究出一些特种加工技术。主要有 电火花切割、激光切割、超声波振动和磨料水射流等，但这些加工方法都是针 对某些特种陶瓷材料和特殊加工要求的应用范筹，如电火花切割加工要求复合 材料具有良好的导电性，激光切割加工要求材料在吸收光能方面性能优越并具 有良好的导热性能，磨料水射流加工要求材料表面质密不易浸水，但目前的陶 瓷材料在这方面的性能表现一般，所以只能在对加工材料浸水要求不高的情况 下使用。近年来国内各大学及科研机构针对不同种类、不同应用场合的陶瓷材 料部件进行了大量加工试验研究，在陶瓷材料的磨削、切削加工机理、加工工 艺流程及工艺参数等方面，取得了阶段性的成果。 1 2 2 数控加工插补技术 数控加工中为满足工件的几何尺寸、表面精度等要求，刀具的加工路径应 准确的按数控编程中的轨迹运行，数控机床对刀具的运动轨迹识别为空问的一 些连续的点，对于形状简单的构件来说，数控系统所要读取的数据较少，但对 于表面形状较复杂工件，数控系统所要读取的数据量就会大大增加。因此，在 满足精度要求的情况下，我们采用小段直线或圆弧来拟合待加工零件表面曲线 形状，来减少机床的工作负荷，这种拟合的方法就是插补。 从数控机床发展的初期至今的大部分设备中，要加工具有自由曲线( 曲面) 的零件，通常采用的插补方法是将复杂曲线用小段直线或圆弧来拟合表示，并 将各段首尾连接组成整个加工轨迹，这种方法只能满足早期对加工精度及效率 要求不高的加工要求，同时这种插补技术还存在众多缺陷，例如：用首尾联接 直线和弧线的方法中，弧线的弦长误差要满足一定误差值，而这种误随差值会 有一定的范围，这就造成了零件表面轮廓与实际要求有一定的形状误差。另外， 由于拼接成整体轮廓曲线的每一个拟合直线或曲线都以独立g 代码指令输入到 数控系统中，在拼接处会有因处理指令的停滞，影响数控中心的加工效率及工 件表面在拼接处的光滑度。然而，随着现代数控技术的发展，人们对曲面加工 技术的要求进一步提高，这种以直线、曲线拟合拟合拼接的方法已逐渐成为限 制数控加工技术向高精、高效发展的障碍。 目前国内外学者已对高于二次的参数曲线插补技术进行了理论性的探索研 究。在国外，东京大学( i ，n i v e 璐畸0 f t 0 k y 0 ) 的塞塔( t s a ：扭) 等人对三次b e z i 盯 曲线的实时插补技术进行了研究，研制出一台实验用的数控加工系统，对数控 雕塑一些复杂的曲面进行三坐标测试，验证了这种插补可行性瞄l 。随后，欧美 等一些制造业发达的国家对其它类型的三次参数曲线插补技术进行了理论研 究。由瑞士苏黎世大学哪牵头并联合了许多高科技公司共同研制了一套参 数曲线插补器名为欧莱特( 呖l o t ) ，把这套插补器添加到数控机床上后可直接 对由b e 五盯曲面进行加工【埘。比德( b o d i s ) 采用了一种具有网络并行计算功 能的计算机实现了实时插补处理，研制出具有参数曲线插补功能的计算机数控 加工试验系统，但这个试验系统只在球头刀平面行切方式的二阶连续单张曲面 中应用参数曲线插补功能，不能同时考虑合理的走刀行间距与有效的进给速度 控制及刀具半径等方面的补偿；德国西门子( s i 删s ) 公司和日本的法兰克 ( f in a c ) 公司已经在其数控系统上通过增加控制模块的方法实现了对非均匀 有理b 样条曲线( m 瓜b s ) 的插补功能。美国犹他州大学的基佳( j i j i a ) 博士 采用数学模型将m 瓜b s 曲线转化为b e 赫曲线，并间接的实现了m 瓜b s 曲 线的插补，并应用到四轴和五轴数控加工中心的理论形式嗍。另外，在理论研 究方面，法瑞克( f a r o u l d ) 等人还研究了将毕达哥拉斯( p h ) 曲线的刀具路径 和进给速度方程转换成数控机床的g 代码的方法来实施数控加工的直接插补功 能，为我们给出了可以借鉴的近似计算方法例。 在国内，由于数控机床起步较晚，进行参数曲线插补技术方面的研究的高 校和研究机构也较少，华中理工大学的叶伯生教授提出过一种应用三次b 样条 曲线进行高速插补的算法，它是一种基于参数方程的矢量表示方法，通过这种 矢量导出数控系统中三次b 样条曲线的高速插补算法。金建新教授针对数控机 床提出了一种可控步长的捅补方法，它可用于实时控制的并符合机械加工工艺 的数控系统中对任意空间曲线加工的实际问题。南京航空航天大学游有朋教授 对目前矾瓜b s 曲线插补的弊端提出了一种闭环式的自适应算法并应用于高速 高精度插补中，为今后实现佩b s 曲线插补技术的应用奠定了基础。这些插 哈尔滨理工大学硕士学位论文 补算法的研究为我国自主研发生产高精密数控机床提供了技术支撑，在技术上 和战略上都具有重大的意义。 1 3 本论文主要研究内容 现代数控加工中，对所加工的零件轮廓精度及表面粗糙度要求较高，同时 对加工效率的期望值也较大，而数控加工技术中合理的插补技术是满足以上要 求的关键，本文以数控加工硼化锆陶瓷整流罩为实验背景，使用国产 c a r v * p m sa t cg 数控机床作为加工工具，对整流罩前端曲面加工时的刀具 运动轨迹生成所采用的插补技术进行研究，主要的研究内容如下： 根据硼化锆陶瓷整流罩数控加工试验中待加工零件曲面形状，分析现阶段 曲线( 曲面) 加工中刀具轨迹插补的方式，数控机床执行插补功能的原理及计 算方法，并提出现行的插补方法在执行较复杂曲线插补中的优缺点，找到改进 方向，再提出一种先进的参数曲线插补方法。 对所提出的这种参数曲线的原理进行研究，分析它在控制曲线插补拟合逼 近中的几个关键性因素，以此总结此种参数曲线插补的应用范围，同时提出为 优化刀具轨迹要求对直线、圆弧及参数曲线实施插补时的优先级选择问题。 通过对硼化锆陶瓷整流罩数控加工试验中采取曲面分析、分解，采用直线、 圆弧及参数曲线相复合的插补方式对刀具运动轨迹进行优化，利用u g 加工模 块的仿真加工及轨迹生成来验证参数曲线插补对刀具轨迹优化的优越性，最后 通过对刀具轨迹文件进行数控编程后处理并导入数控机床进行实际加工，再一 次验证本文研究内容的可行性。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 第2 章整流罩数控加工路径及插补方法 数控技术和数控装备是一个国家实现工业制造现代化的基础，关系到个 国家的战略地位【1 2 】。数控加工技术虽早起源于西方发达国家军方的飞机制造业， 用来加工飞机的涡轮叶片【6 】。众所周知，飞机或轮船的涡轮叶片轮廓是一种较 复杂参数化曲线，在叶片的加工过程中如何让刀具形成较复杂的参数化运动轨 迹给数控技术提出了更高的要求。本文从实验研究硼化锆陶瓷整流罩曲面数控 磨削加工入手，分析现阶段刀具运动轨迹( 加工路径) 生成方法和插补方法， 并对此插补方法在机床上实施插补的方法及原理进行分析，指出此插补方法在 拟合加工路径时的不足之处，最后提出采用参数曲线进行曲面加工刀具运动轨 迹插补的方法。 2 1 硼化锆整流罩加工实验 数控加工过程实际上就是执行刀具运动轨迹文件的过程，下面以硼化锆整 流罩数控磨削加工实验为例分析刀具路径及插补方法。 2 1 1 实验材料 实验加工材料是外形尺寸为1 7 5 m m 1 0 5 n h n 9 0 i i l m 的硼化锆基超高温陶 瓷，具体成份为z r b 2 2 0 s i c 。因纯硼化锆难以烧结而且在高温条件下( 大于1 0 0 0 c ) 易于氧化如图2 1 口) 所示，需要通过加入一定剂量的s i c 粉末合成硼 化锆陶瓷材料，提高z r b 2 高温抗氧化性如图2 一1 6 ) 所汞5 2 2 1 。 a ) 硼化锆粉末b ) 硼化锆陶瓷坯体 图2 1 硼化锆陶瓷材料 f 嘻2 一lz r b 2c 咖i c sm 砷e r i a l 哈尔滨理工大学硕士学位论文 2 1 2 实验机床技术参数 实验采用哈尔滨晶石公司提供的c a r v e 卜p m sa t cg 数控加工中心，它是 由北京精雕公司制造的数控精加工机床，它集传统的机械制造技术、计算机应 用技术、现代控制技术和信息处理等技术于一体的数控加工中心，同时也是一 款面向玻璃、陶瓷等硬脆材料磨削加工而设计的数控设备，各轴快速移动速度 达1 2 删恤n ，进给速度达6 n 妇 血l ，配备手轮方便试加工，机床主体后部配有直 排式刀库，同时可容纳8 把刀具，主轴采用浮动轴承、直空密封、电控制冷， 保证主轴转速最高可达6 00 0 0 转。如图2 1 所示为机床主体、控制面板及主控 制部份的实体照片，表2 1 是c a r v e r p m sa t cg 机床主要技术参数。 图2 2 北京精雕数控机床 f i g 2 2b e i j i n g 血g d i c n c c a r v * p m sa t cg 数控中心采用自主研发的实体建模及图形处理软件 j d l p a 血t 5 5 ，此软件可接受由u g 或p 内e 所建立的实体建模文件，这为本课题 研究将在u gn x 6 0 数控编程中应用参数曲线优化曲面刀具路径提供了先决条 件，同时此数控机床采用自主研发的j d 4 5 可视化数控操作系统，便于用户操 作，虽采用巾4 5 可视化控制加工系统，但本质仍是由c a m 软件产生加工轨迹 文件来执行加工操作。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 表2 1c a r v 盯- p m sa 1 g 数控机床的技术参数 1 - a b l e2 一lc a r v e r - p m s 。a t q gc n c 卿e t e r s 性能指标项 标准值 x z 轴运动定位精度 0 o l o 0 o l o 0 0 0 8m m x 腭亿轴重复定位精度 o 0 0 8 o 0 0 8 o 0 0 5 衄 舭轴工作行程 4 0 0 4 0 0 1 6 0 m m 工作台尺寸4 8 0 4 5 0 m m 最大工作负重 1 0 0 k g 主轴转速 60 0 0 - 3 6o o o 巾m ) 刀柄规格 i s 0 2 0 s k l 6 夹头规格3 5 度 刀库容量 9 快速移动速度 1 2 m m i n 最高切削进给速度 6 m m i n 2 1 3 实验刀具 根据整流罩的材料、数控机床所支持的刀具型号、整流罩的具体尺寸及轮 廓形状等加工条件选择刀具，刀具选择很重要，它将涉及到实际生产过程中刀 具半径补偿，加工中心主轴转速、进给速度、吃刀量的选择，本实验加工采用 合金钢体球头刀外覆着金钢石颗粒的合成刀具，在粗加工、半精加工及精加工 阶段所采用的刀具目数不同，粗加工8 0 目，半粗加工及精加工1 2 0 目，本次实 验采用的金钢石球形刀具实物图及刀具设计图如图2 3a ) b ) c ) 所示。 j 一，馘 a ) 球形刀头整体实物图b ) 金钢石颗粒刀头放大图 8 哈尔滨理工大学硕士学位论文 c ) 球形刀头设计图 图2 - 3m 8 r 1 2m m 球头磨具 f i g 2 3 m 稍r 1 2 m mb a l l 鲥n d i n g 胤 2 1 4 刀具加工参数 根据硼化锆陶瓷的材质硬度、整流罩实体的曲面形状，选择机床的的运动 参数，根据整流罩的表面加工精度将加工步骤分为粗加工、半精加工及精加工 三个阶段，各阶段的主要加工参数如下： 粗加工：主轴转速2 40 0 0 q 姐；进给速度0 2 n 幽血；吃刀量o 6 衄( 第 一刀) ；吃刀量0 1 舢n ( 从第二刀开始) 半精加工：主轴转速2 60 0 0 2 80 0 0 q 皿；进给速度o 4 珊m 堍吃刀量 0 1 加m 精加工：主轴转速2 80 0 0 2 8o o 岫p m ；进给速度0 2 l n m 吼；吃刀量o 1 m m c a r v 静p m sa 1 g 数控机床撇轴定位精度分别可达0 0 1 0 l n m 、 o o l o 衄、o 0 0 8 衄；三轴工作行程分别可达4 0 0 m m 、4 0 0 衄、1 6 0 i n m ；主 轴轴转速可达60 0 0 3 60 0 0 巾咀( 8 0 ) 、l o0 0 0 6 00 0 0 掣缸i l i6 2 ) ；快速移动速度 可达1 2 n 妇l i n ：切削进给速度可达6 n 妇匝m ，完全满足加工要求。 2 1 5 实验工艺流程 在接到整流罩数控加工生产任务后会得到工件工程图，然后按图2 _ 4 所示 加工工艺流程图编制加工工艺，加工工艺流程很重要，它影到产品加工的效率、 质量以及加工成本等的关键因素。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 。 图2 _ 4 工艺沉程图 f i g 2 4f i o w r c h a f to f p h k ：e s s 总结数控加工的工艺流程，主要可分为三个阶段： ( 1 ) 零件图形处理阶段在工件工程零件图的基础之上，应用巾5 5 、u g 等软件进行工件的三维实体建模，应用j d 5 5 、u g 的加工模块生成加工刀路 轨迹，并对刀路的合理性进行验证。 ( 2 ) 走刀路径文件后处理阶段根据机床的不同型号，应用后处理器( 如 u g 的n xp o s t ) 将数控程序生成g 代码。 ( 3 ) 加工准备将生成的g 代码导入数控系统的内存，操作人员装恰好 待加工材料，通过数控中心的对刀器对刀、定位( 加工坐标系定位) ，经手动试 切无误后正式加工。 2 2 整流罩数控加工编程 数控加工中刀具路径的生成需要创建数控加工程序，程序的创建包括加工 环境的选择、创建加工父节点、刀具选择、走刀方式等参数。图2 5 所示为数 控加工在三维实体建模基础上至生成加工刀具运动轨迹的流程图。 应用巾枷5 编程软件，在三维实体模型( 见图2 巧) 基础上，选择加 工模块程序，选择刀具型号、加工方式等参数，系统自动模拟生成加工刀具运 动轨迹( 见图2 7 ) 。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 1 分析几何体l l 甲面曲面l i 粗加精加工l堡圃 。j 创建操作 粗加工、精加工 图2 5u gc a m 设计沉程图 f i g 2 51 k u gc a mf i o w c h a n0 fd e s i 印 刀具运动轨迹( 或走刀路径) 是指加工过程中刀具相对于被加工工件的运动 轨迹和方向，包括切削加工的路径和刀具切入及切出等非切削空行程。刀具运 动轨迹的合理选择是非常重要的，因为它与零件的加工效率和表面质量密切相 关。刀具运动轨迹设计质量的好坏，将直接影响零件的加工质量及加工成本。 因此，对数控加工过程中的刀具运动轨迹的研究是十分必要的1 1 6 1 。下面着重说 明数控编程中影响刀具运动轨迹的各要素选择。 图2 6 整流罩的三维实体模型图 f i g 2 63 ds o l i dm o d e io f 1 0 m e j ，f t _ - f d 0h # - 0 、，j 4 ， t “一# + 一 -_j 。，一一 图2 7 刀具路径图 f i g 2 7 t h e c h a r t o f c u t t i i l gm l j t e 哈尔滨理工大学硕士学位论文 2 2 1 实验刀具半径补偿 实验中选用的刀具为拙1 2 的球头磨刀，实际磨削加工的工作面是艘1 2 球头的外轮廓部分附着的金刚石颗粒，而数控机床对刀具加工轨迹的定位是以 刀具中心点为基准点的，因此待加工零件表面轮廓形状与刀具中心点的运动曲 线之间有刀具半径长度的偏差，此偏差值就是刀具半径补偿量【1 7 - 1 8 1 。所以，数 控中的刀具路径形状和位置并不是零件的实际轮廓曲线。如图2 8 所示，红线 为刀具实际的运动轨迹，它与矩形凸台底角线之间有一定的距离，这个距离的 大小等于刀具半径。另外，由于刀具有一定的实体尺寸，在加工拐角时会有加 工余量过大或过切现象，如图2 9 所示，为避免过切现象，刀具的拐角处需采 取圆弧过渡。 z 么 图2 8 刀具半径补偿 f i g 2 8t b o l 硼i 璐c o m p e 嬲a t i 2 2 2 实验加工路径生成方式 图2 9 拐点处轨迹 f i g 2 - 9t 1 1 en 批ko f 硼e x i o n 对整流罩端部曲面进行数控加工使其满足设计形状的过程实际上就是刀具 执行切削工作的过程，刀具在加工坐标系中的连续运动将形成一条运动轨迹， 这条运动轨迹是在数控编程过程中根据加工要求，通过选择适当的加工方案、 加工参数等要素而预先生成的，因此刀具运动轨迹的合理性将直接影响到数控 加工的效果。数控加工程序编制中的走刀方式有很多种，对于曲面加工主要有 三种通用方式： ( 1 ) 等参数线法如图2 1 0 口) 所示，对于曲面采用首先定义两个参考方向， 然后采用相同曲率的一组曲线或曲面来拟合实际曲面，刀具在这组曲线上运动。 采用这种方法具有计算简洁、运算速度快的优点【3 0 4 0 1 。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 等距截平面法如图2 1 06 ) 所示，利用一组等距的平面沿某一固定方向 ( 一般为z 轴垂直方向) 与待加工平面相截，得到一组等距的平行线，将这组 平行线做为刀具路径。这种方法的优点是对于表面复杂的曲面加工路径简单， 不足之处是不同层的加工余量无法相同1 3 l j 。 ( 3 ) 等距偏置法如图2 1 0 力所示，采用与实际轮廓曲线曲率相同的一组等 间距曲线做为刀具运动轨迹。 a ) 等参数线法b ) 等距截平面法c ) 等距偏置法 图2 一1 0 走刀方式图 f 遍2 l on l et a b l eo f c u t t i n gm o d e 对于曲面加工，这三种数控加工刀具路径的生成方法应用都比较普遍，每 种方式都有它的适用范围，在数控加工中具体使用哪种方法还应具体问题具体 分析，但不管使用哪种加工方法都应遵循以下几条原则： ( 1 ) 刀具轨迹应简化合理以减少机床的计算量，提高加工效率； ( 2 ) 相邻刀具路径之间的距离相同并且分布均匀； ( 3 ) 切削余量应为最小值以满足表面粗糙度误差； ( 4 ) 加工期间保证加具受力均匀，避免发生受力不均产生折刀现象。 根据整流罩的形状及精雕数控机床的步进走刀方式，本次实验采用等参数 线法走刀方式。 2 2 3 实验加工走刀模式 走刀模式是针对加工零件表面形状的不同，走刀方式的宏观分类，大体上 可分为两大类，一类是行切走刀，适用于加工表面为平面或曲率较小的曲面。 另一类为环切及螺旋走刀，适用于曲率较大的曲面或岛状表面的加工。 下面对以上介绍的两大类走刀模式进行分析： ( 1 ) 行切走刀模式 行切走刀加工法是切削加工中的常用方法，如图2 1 1 口) 所示，刀具路径 多为直线并且切削加工刀具路径是一组相互平行的平行线，同时每层切削路径 哈尔滨理工大学硕士学位论文 在同一平面内且此平面与加工面平行。另外，根据加工材料及加工要求的不同， 行切又分为单向走刀行切和往复走刀行切两种，单向走刀的加工方向为单向， 往复走刀切削为双向，单向走刀在加工至单行终点后需抬刀并空驶回始点再下 刀进入下一路径，往复式走刀并不需要抬刀，在加工终点直接进刀。所以往复 式走刀比单向走刀加工效率高，但由于切削方向的频繁改变会给机床刀具及定 位的工装一定的冲击力，从而影响加工表面的质量。 ( 2 ) 环切走刀模式 如图2 1 1 6 ) 所示环切走刀模式的加工路径为一组同心等距线，它们的曲率 相同，相邻路径之间的垂直距离相等，根据所要加工的曲面形状环切走刀模式 又分为由外至内及由内至外两种方式，由内至外一般针对孔加工时使用，由外 至内一般针对岛状类凸台加工使用3 ，驯。 ( 3 ) 螺旋切走刀模式 如图2 1 1 0 所示螺旋切走刀模式是加工起点在轮廓中心点，以螺旋线的方 式向外扩孔，这种方式与环切走刀模式类似。 且且n a ) 行切走刀模式b ) 环切走刀模式 c ) 螺旋切走刀模式 图2 1 1 走刀模式 f i g 2 一l lp l 锄盯c u t t 吨m o d e 2 3 整流罩加工路径插补方式 自从数控机床的问世，插补技术一直是数控机床实现高精度加工的关键技 术之一【3 7 】。本节对硼化锆整流罩数控磨削实验所应用的插补方法做深入的研究， 其中包括插补的原理、分类以及实现插补的手段等方面，进而找到实验中插补 方式的不足并加以改进。 2 3 1 插补实现原理 在数控加工中，数控机床刀具的定位是由加工程序中g 代码后定义坐标位 置的语句来决定的，如果加工轮廓为直线只需给出起点和终点的坐标并赋予直 线命令即可，起点与终点间可以有较长的跨越，如轮廓边是由折线( 存在拐点) 或曲线而曲线为变弧度，则可看成是由多段直线或弧线首尾相接连成的，数控 系统计算这些连接小直线的点的过程称为插补1 1 1 l 。 2 3 2 常用插补分类 自从数控机床诞生以来，人们一直在研究插补的方法，在早期计算机运算 速度还不够高、内存量还不够大的时候采用的是硬件插补，随着计算机的发展， 软件插补应用越来越广泛，但随着插补技术的发展，单纯的软件插补又不能高 效的完成某些高次插补技术，从而又诞生了软硬件相结合的插补方式。 按照不同的依据分类如下： ( 1 ) 按数学模型分有直线插补( 一次) 、曲线插补( 二次及多次) ； ( 2 ) 按输出信号的形式分脉冲增量插补、数据采样插补； ( 3 ) 按插补的实现方式来分有硬件插补、软件插补及软硬件相结合的插 补。 2 3 3 实验插补分析 插补的过程是数控机床根据数控程序中刀具运动轨迹不断改变刀具行走路 径，使之以最佳状态逼近规定的轮廓曲线，实验采用的c 凹噼p m sa 1 g 精 雕机床采用的是模拟信号脉冲增量插补方式，它的伺服系统控制分辨率可达 0 0 0 0 7 8 1 2 5 删州脉冲，步进驱动系统使用先进的微步细分技术，控制分辨率达 到0 0 0 l 删m 步( 如图2 1 2 所示) 。 下面针对实验中采用的脉冲增量插补计算方法进行分析，研究实现这种插 补方式的原理。 脉冲增量插补采用的是逐点比较的方法，也是最早在数控机床上所采用的 基于硬件的插补算法。逐点比较法是以折线来逼近直线和圆弧曲线的。逼近线 与实际轮廓线之间的最大误差不超过规定的值( 通常为一个脉冲当量) ，因此只 要此规定值( 脉冲当量值) 取的足够小，就可以达到加工精度要求嗍。 我们取实验生成的刀具路径中一小段做为研究对象，如图2 1 3 所示。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 图2 1 2 机床脉冲步距示意图 f i g 2 - 12t h es c h e m a t i cd i a g r 锄o f p u l s ep a t hi n t e r v a l 图2 1 3 整流罩加工路径截取示意图 f i g 2 - 13t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fc u i v e 应用在整流罩端部刀具加工轨迹中截取的这一小段圆弧建立一个数学模型 并构造一个函数式，以此函数式的取值来判断机床脉冲插补的实施方法。 令截取的小段圆弧曲线为爿曰，圆弧的圆心在坐标原点，起点坐标为彳 ( x o ，y o ) ，终点坐标为曰( j c e ，弘) ，半径为r 。瞬时刀具位置点坐标为m ( 洳，勋) ， 它与圆心的距离为( 如图2 1 4 所示) 。比较尺。和尺，可得刀具位置偏差： 见z = z + 协z ，尺z = x o z + y o z 见，z 一火z = z + z r z 若删2 + 朋2 一尺2 = 0 ，表明刀具点m 在圆弧上： 若删2 + 朋2 一r 2 0 ，表明刀具点m 在圆弧外； 若删2 + 聊2 一r 2 0 ， 表明刀具点m 位于圆弧曲线外侧，如果】，轴坐标值不动则x 轴坐标值应减小， 即控制刀具向x 轴负方向移动，直至 值为o 为止，同理若凡_。v，斋哥 劂剖蕊一 ：i矿纛一 哈尔滨理工大学硕士学位论文 再如图4 7 所示，图中为采用传统的直线及圆弧曲线插补产生的刀具运动 轨迹路径图，图中蓝色及红色轨迹线较多，这不但占用了加工时间使加工效率 降低，而且不断重复的进退刀和重新定位也将影响加工质量和加工表面精度。 a ) 粗加工刀具运动轨迹b ) 精加工刀具运动轨迹 图4 6 采用n i 瓜b s 插补的刀具运动轨迹 f i g 4 - 6c u 仕i n gt o o lp a t l l so f n i 瓜b si n t e 唧l 撕o na l g 耐硼 图4 7 采用圆弧插补的刀具运动轨迹 f i g 4 - 7c u t t i i l gt i 的lp a 吐l s0 fl 梳i 旅叩l 撕a l g o r i 硼 4 4 加工后处理 数控系统的后理技术为u g 正确实施加工操作提供了必要的条件，后处过 程中需要对所使用的机床类型及其采用控制模块功能等技术参数有比较深入的 了解，比如机床类型中有平面铣、三轴铣、五轴铣等，功能语句中有使用g 功 能代码，有使用m 功能代码等等。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 4 4 1 后处理应用程序 上节中我们已经使用u gn x 加工仿真模块模拟出刀具加工运动轨迹，要 实施加工还应对刀轨文件进行后处理。首先选择机床类型如图4 8a ) 所示， c a r v * p m sa t cg 数控机床提供了可在u g 中编程的后处理文件，只需将三 个后处理文件复制到u g 文件夹( d ：u g s l 叱蛇呻谳p 0 嘟帅c e s s o r ) 中。 用记事本打开d ：u g s 撇h h 哪谳p o 帆s 嘶目录下储n p l a t ep o s t d a t 文件，在文件末尾加语句： $ u ( h l c a mp o s l _ d i r ) j i n g d i 矾i - p o s t t c l ，$ u g i i - c a n l p o s 删r j i n g d i a 0p o s t d e f 。然后重新启动u g 在加工模块中后处理机床选择中可以找 c a * p m sa t cg 数控机床型号如图4 8b ) 所示。 a ) 选择机床类型b ) 选择精雕机床 图4 _ 8 后处理设置 f 嘻舢8s e t t i i l g s 硫e m 0 fp 0 晦p r o c 昭s i n g 4 4 2 两种加工代码生成及比较 u g 编程的加工模块在后处理过程中对机床类型及功能字形式进行了定 义，本实验采用的为g 代码功能字，比如g 0 1 表示直线、g 0 2 表示逆圆弧、 ( 的3 表示顺圆弧、c 托1 6 0 2 表示m 见r s 插补、g 4 l 表示左刀具半径补偿、g 4 2 表示右刀具半径补偿等。本实验分别采用n u b l 塔曲线插补和直线及圆弧曲线 插补两种方法生成加工代码。 采用瓜b s 曲线插补代码： n 1 g 4 0 g 1 7 g 9 0g 7 1 n 2g 9 1g 2 8z 0 0 哈尔滨理工大学硕士学位论文 n 3g 9 0 n 1 1x 1 2 3 7 3y 之6 3 8 n 1 2x 1 1 8 3 2y 1 8 4 8n 1 1 0 5x _ 4 4 7 7y 8 7 7 1 9 n 1 3x - 1 1 4 9 4v 9 5 ln 1 1 0 6x - 6 9 0 9v 8 7 1 6 2 n 1 4x 1 1 3 7 9y 0 on 1 1 0 7x 9 2 7 9y 8 6 3 8 2 n 1 5x - 1 1 2 7 5y 1 5 3 6n 1 1 0 8x 1 1 5 6 6v 8 5 3 8 5 n 1 6x 7 9 9 9y 8 0 9 4n 1 1 0 9x 1 3 7 5 lv 8 4 1 8 l n 1 7x 9 0 6 3y 1 5 髂ln 1 1 1 0 x - 3 3 8 9 2v 5 5 4 2 l n 18x 9 9 4 5y 5 5 3ln 1 l11x 3 8 9 7 1v 5 3 6 4 6z - 9 7 0 0 1 n 1 9x l o 6 2 7y 4 0 6 9n 1 11 2g 0 0z 1 0 n 2 0 x 1 1 0 9 5y 2 5 2 6n l l l 3m 0 2 n 2 lx 1 1 - 3 4 1y 9 3 2 程序结束，一共执行了1 1 1 3 条语句。 下面应用传统的直线及圆弧插补法生成加工程序： n 0 0 l og 4 0 ( 并9g 1 7g 9 0g 8 0g 5 4 n 0 0 4 0 ( j o ( 汐ox 5 8 5y 1 5 6 1s o m 0 3 n 0 0 5 0 ( 并3z 3 9 3 7h o o n 0 0 6 0z 0 4 0 9 n 0 0 7 0g lz - 0 7 7 2f 9 8m 0 8 n 0 0 8 0 ( 诌x 4 4 8y o oi 0 2 0 5j 15 6 1 n 0 0 9 0g 2i 4 4 8j 0 o n 0 1 0 0g 3x - 5 8 5y 1 5 6 “1