（机械制造及其自动化专业论文）塑料模具型腔数控加工参数和策略的优化技术.pdfVIP

武汉理工大学硕士学位论文 捅姜 数控加工技术是现代自动化、柔性化及数字化生产加工技术的基础与关键 技术。因此提高数控加工的效率已经成为当今机械行业的重要研究课题之一， 通过计算机建立优化系统，自动优化出切削参数，以达到提高生产率、降低生 产成本的目的。 本文对模具的铣削加工工艺参数对表面质量的影响和轨迹规划方面进行了 研究。对主轴转速、进给速度、和切削深度三个加工中重要的参数进行研究， 铣削轨迹规划的研究中，通过对现有的刀具轨迹生成方法和走刀方式及铣削加 工的特点的分析，讨论了铣削刀具轨迹规划中应当重点解决的刀具轨迹生成、 走刀方式、走刀方向、切入切出和转角连接等问题。 提出利用复合形法对切削加工进行优化的方法，采用该方法获得的切削参 数能有效地提高加工效率，将工艺人员从大量的手工重复劳动中解放出来，并 实现切削参数选取的科学化、合理化、规范化，为企业创造出良好的经济效益。 本课题进行了模具切削数据库的研究与开发，目的是为模具制造企业提供 模具材料查询、切削用量查询等基本服务，除此之外，考虑到切削工艺参数匾 乏的因素，本系统引入了知识库技术，使系统可以对模具加工领域出现的新问 题按照人类专家解决问题的思维给出建议解决方案。在课题的研究过程中，重 点做了以下工作： 1 收集国内外模具材料数据、模具切削加工数据以及领域内的专家知识和 经验，构建本系统的组成框架和设计方案： 2 对工艺参数数据首先进行概念结构设计，经过抽象和集成得到系统的整 体数据库概念结构，进而将其转化为m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 数据库管理 系统所支持的关系模式： 3 本文主要介绍了切削用量优选专家系统的系统结构、知识获取、推理机 制及各功能模块的实现，通过优化函数和专家系统的推理机制相结合，使之能 够提供适用的刀具参数和铣削参数。 关键词：数控加工，参数优化，目标函数，专家系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fn cm a c h i n i n gi st h eb a s ea n dk e yo fm o d e ma u t o m a t i c ，f l e x i b l e a n dn u m e r i cm a c h i n i n gt e c h n o l o g y i ti sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c ti nm o d e m m e c h a n i c a li n d u s t r yt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fn u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s t h e i n t e n to ft h i sa r t i c l ei st o p r e s e n tt h ew a yt oi m p r o v ep r o d u c t i v i t ya n dr e d u c e p r o d u c t i v ec o s tb ys e t t i n gu po p t i m i z a t i o ns y s t e mt oa c h i e v er e a s o n a b l em a c h i n i n g p a r a m e t e r s i np r o c e s so fn cm a c h i n i n g , e s p e c i a l l yi n p r o c e s so fm a c h i n i n gc o m p l e x s u r f a c e s ，t h ec u t t i n gc o n d i t i o n sc a nc h a n g e h o w e v e r , c u t t i n gp a r a m e t e r sa r es t i l l c h o s e na r t i f i c i a l l ya n dr e m a i nu n c h a n g e di np r e s e n tp r o c e s so fn c m a c h i n i n g ，w h i c h c a u s e st h ed e c r e a s eo fn cm a c h i n ep r o d u c t i v i t y i nt h i sp a p e r , t h eo p t i m i z a t i o no fv a r y i n gm a c h i n i n gp a r a m e t e r sf o rn c c u t t i n g o p e r a t i o n si s d i s c u s s e d i tc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c ye f f e c t i v e l y u s i n gt h em e t h o d ag r e a td e a lo ft e c h n o l o g i s t sc o u l db er e l e a s e df r o mt h er e p e a t e da n dr a t i o n a l i z a t i o n a n ds t a n d a r d i z a t i o no fc u t t i n gp a r a m e t e r sw i l lb e r e a l i z e d p r o d u c t i v i t y o ft h e m a c h i n i n gc e n t e rc a nb ei m p r o v e da n dw e l le c o n o m yb e n e f i t ss h o u l db eo b t a i n e d c o n s e q u e n t l y t h em i l l i n gd a t a b a s ea n de x p e r ts y s t e mf o rm o u l d & d i ei sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r t h es y s t e mh a st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：t h es e a r c ho ft h em o u l d & d i e m a t e r i a l s ，t h es e l e c t i o no fc u t t i n gt o o l sa n dt h ei n q u i r yo fc u t t i n gp a r a m e t e r s f o rt h e s h o r t a g eo fm i l l i n gd a t a ，t h es y s t e mh a sa l s oi n t r o d u c e dt h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e t e c h n o l o g y , a n dt h es y s t e mc a nr e c o m m e n dr a t i o n a lm a c h i n i n gp r o c e s sa n dc u t t i n g p a r a m e t e r sf o rn e wt o o lm a t e r i a l sa n dw o r k p i e c em a t e r i a l sb yt h es a m ew a yo f h u m a n e x p e r t sm o d eo ft h i n k i n g t h ef o l l o w i n gt a s k sh a v eb e e ns t u d i e d ： 1 t h ec o n s t r u c t i o no fs y s t e m sf r a m ea n dd e s i g ns c h e m ea f t e rt h ep r o c e s so f c o l l e c t i n gm o u l d & d i em a t e r i a ld a t a , m i l l i n gd a t aa n de x p e r te x p e r i e n c ea n d k n o w l e d g ei nt h ee n t e r p r i s e sa th o m ea n da b r o a d ； 2 w i t ht h eb a s i cp r i n c i p l e so fd a t a b a s ed e s i g na n ds o f t w a r ee n g i n e e r i n g t h em i l l i n g d a t a b a s ea n de x p e r ts y s t e mf o rm o u l d & d i ei s d e v e l o p e da f t e rt h er e s e a r c ho f c o n c e p t u a la n dl o g i c a ls t r u c t u r eo fd a t a t h ep u r p o s eo fl o g i c a ld e s i g ni s t ot u r n r e s u l to fc o n c e p t u a ld e s i g ni n t or e l a t i o nm o d et h a ti ss u p p o r t e db ymi c r o s o f ts q l s e r v e r2 0 0 0d b m s 3 t h i sp a p e r m a i n l yi n t r o d u c e st h es y s t e ms t r u c t u r e ，k n o w l e d g ea c q u i s i t i o n ， i n f e r e n c em e c h a n i s ma n di m p l e m e n t a t i o no fe a c hm o d u l e ，s e t t i n gu po p t i m i z a t i o n f u n c t i o na i m e da tl o wc o s ta n dm a d et h r e e p a r a m e t e r so fm a c h i n i n gt o b e i n d e p e n d e n t v a r i a b l e i t a p p l i e st o o l s a n d m a c h i n i n gp a r a m e t e r sc o m b i n i n g o p t i m i z a t i o nf u n c t i o na n di n f e r e n c em e c h a n i s mo fe x p e r ts y s t e m k e yw o r d s ：，n cm a c h i n i n g ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，g o a lf u n c t i o n ，e x p e r ts y s t e m 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 戳：眸新獬： 日 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 在微电子、计算机技术、信息工程和材料工程等高新技术的推动下，数控 加工技术的迅速发展开创了现代制造技术的新时代，并对人类社会进步和经济 发展产生了巨大的推动作用。金属切削技术进入了以高效、高精度为标志的切 削新阶段u 1 。 数控加工技术是计算机集成制造系统( c i m s ) 、柔性制造系统( f m s ) 、敏捷 制造( a m ) 等先进制造系统中的核心技术，它可以大幅度地缩短产品的制造周期， 提高产品的加工质量，加速了产品的更新换代，适合于加工形状复杂，加工精 度要求高的零件，它已经成为衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志。 对于现代模具制造业来说，模具数控加工是模具制造过程中的重要一环， 也是模具制造周期长短的主要影响因素之一。随着市场竞争的日益激烈，促使 工业产品越来越向多品种、小批量、高质量、低成本的方向发展，于是对制造 产品的关键工艺装备一模具的要求越来越苛刻，用户总是希望加工出来的产品 外表光洁美观，成型精度和表面质量高，交货周期短。另外，飞机、汽车和轮船 上的主要零件以及大量的塑料制品，由于功能或者美学的要求，通常包含有很 多自由曲面( 这类零件称为曲面类零件) ，其模具工作部分或相关电极一般是数 控铣削加工完成的，加工时间( 包括数控编程、切削加工和抛光时间) 占整个制 造周期6 0 以上，其中切削加工时间是最主要的，约占整个制造周期的3 0 - - 5 0 口3 。因此，如何提高模具的数控加工效率就成了一个亟待解决的问题。 在数控加工中，正确合理地选择切削参数对确保产品质量、提高生产率、 降低生产成本起着十分重要的作用。目前，大多数工厂在生产中凭经验或参考 切削参数手册来选择切削参数，这往往达不到切削参数的最优选择。切削参数 的选择是制定机械零件加工工艺的一个重要方面，选择的恰当与否，将直接影 响到成本的质量、生产率、加工成本等，然而由于影响切削参数的因素繁多， 影响因素之间又相互交叉、相互制约，因而确定最佳的切削参数较为困难。随 着各种新加工材料的不断涌现，以及数控加工机床、加工中心和柔性制造系统 的广泛应用，仅依靠个人经验来确定切削参数已远不能适应时代的发展。而运 武汉理工大学硕士学位论文 用现代切削理论、数学建模和模型分析方法寻求切削参数的最优组合，则是切 削参数优化的一个重要发展方向。 金属切削加工参数中包括三要素：切削速度、进给量和背吃刀量，该三要素 是切削加工中最活跃的因素，它们是数控切削加工的基本控制量。如果选择不 当，不仅难以保证工件加工精度及控制加工成本，而且可能因切削力过大等原 因造成机床被迫停机，影响数控机床效能的正常发挥。切削加工中，优化选择 切削参数的问题已成为现代化机械制造业中极为重要的经济问题之一。因此， 以提高数控切削加工效率、降低加工成本、获得高质量产品为目的而进行的数 控切削参数优化研究，本文主要针对模具型腔的高效数控加工进行理论和应用 研究，从优化加工方案和加工参数选取出发，探讨了提高数控加工效率的多种 有效措施，具有重要的现实意义和实用价值口钔。 长期以来，我国的数控系统多为传统的专用体系结构，c n c 只能作为非智 能的机床顺序动作控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定， 数控程序在加工前以手工方式或通过c a d c a m 及自动编程系统进行编制。在整 个制造过程中c n c 只是一个专用的开环执行机构。由于数控系统识别和处理切 削过程中不可预知的、模糊和不确定性情况的能力较低，在复杂环境以及多变 的条件下，加工过程中的工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深 度、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动 态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正设定量。为避免或减少可能出现的 异常，在实际加工时一般都选用较保守的切削工艺参数，制约了数控机床加工 潜力和切削效率的提高。就我国数控技术的发展现状而言，大多数工艺人员仍 然依靠工作经验，或是通过查询有关的资料来选择加工参数。由于切削参数选 择不当而影响零件的加工质量和加工效率的情况还较严重。尤其在分工越来越 细致的今天，往往编程员对于实际数控切削加工应采用的参数不太清楚，而通 过查询有关的资料来选择加工参数，就使得编程效率很低，而且容易产生错误， 致使现场的工人往往需要进行人工干预，加工效率大大降低，工时定额不准， 难以提高数控) j nt _ 的管理水平。 随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和 通用性提出了更高的要求。在柔性制造系统中，切削过程的在线检测和监控要 直接用到金属切削原理的知识。机械制造系统柔性化之后，满足了小批量多品 种产品的生产要求，提高了产品的市场竞争能力，给企业带来经济效益。但是 2 武汉理工大学硕士学位论文 也同时带来设备投资大，加工成本升高的问题。解决这个问题的主要途径是提 高生产率。为此，首先应考虑对柔性制造系统进行切削用量的优化：再就是研制 新的和充分利用现有的刀具材料，改进刀具结构和优选刀具的几何参数，以强 化切削用量( 包括提高切削速度) 。就我国数控技术的发展现状而言，切削参数 的选择一直是困扰数控加工的一个大问题。本项目的目的是在通过建立铣削加 工数据库，利用复合形法对数控加工切削参数进行优选，实现提高数控加工设 备效率的目标。论文所研究的重点在于优化系统中的数控加工切削数据库和复 合形法在加工参数优化中的研究。 1 2 与本课题有关的国内外研究现状 随着计算机技术的发展，传统的制造业发生了根本性变革，各工业发达国 家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代 制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检 测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点， 对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用畸儿引。由于人工 智能、模糊控制、神经网络等新技术的发展，数控技术正向着高精度、高柔性 和智能化的方向发展。数控技术已应用在各种各样的机床上，形成了数控车床、 数控铣床、数控磨床：并发展了工序集中的复合数控机床，如加工中心等：开发 出了柔性制造单元( f m c ) ，从而为柔性制造系统( f m s ) 和集成制造系统( ( c i m s ) 奠定了基础。数控技术广泛地应用在制造业的各种部门，己成为先进加工技术 的基础引 数控加工技术是2 0 世纪4 0 年代后为适应加工复杂外形零件而发展起来的 一种自动化加工技术，它是指高效、优质地实现产品零件特别是复杂形状零件 加工的有关理论、方法与实现技术，是自动化、柔性化、敏捷化和数字化制造 加工的基础与关键技术。数控加工过程是根据给定的零件加工要求( 零件图纸， c a d 数据或实物模型) 进行数控加工的全过程，一般来说，数控加工技术涉及数 控机床技术和数控编程技术两大方面。数控加工特别适用于产品形状复杂、改 型频繁、多品种、小批量生产的制造业。其主要优点是：工艺装备数量减少、结 构简化，扩大平行作业程度，缩短新产品研制周期，提高加工精度和协调性， 特别是重复精度，产品质量稳定：自动化程度高，生产效率高：能迅速适应产品 武汉理工大学硕士学位论文 的改型，技术经济效益显著。尤其近年来随着c a d c a p p c a m p d m 等技术的发展 及应用，更加体现出数控加工技术的优越性。 早期各国切削数据通常依据切削手册、生产实践资料和切削试验来确定。 切削手册上的数据来源最广泛，条理性一般较强，但针对性和准确性较差，通 过查阅切削手册来获得数据，在信息量和方法的先进性上都非常不足m ：生产实 践资料对具体应用企业而言，针对性较强，但数据太分散，缺乏规律性：通过切 削试验获得的数据，最有针对性，但受到试验条件等多方面的限制，数据量极 为有限，而且试验条件与生产现场条件往往差别较大。按照这种方法选用的切 削参数虽然是可行的，而且也具有一定的优化性，但往往由于不是最佳数值而 导致资源浪费和生产效率不高n 训 为了解决加工系统的经济效益问题，提高机床的利用效率，各种加工参数 优化的方法相继提出，主要包括在线和离线参数优化方法两大类。 1 2 1 数控加工在线参数优化的国内外发展状况 在线加工参数优化技术是自适应控制理论在数控加工领域的应用，也称为 自适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 。通过在加工过程中随时检测切削力、刀具温 度或机床主轴扭矩等变量，根据反馈的信息来实时地调节切削参数，以获得最 优的切削效率，提高加工质量。从美国本迪克斯公司1 9 6 4 年研制开发了第一个 优化t l 适应数控系统以来，数十年间，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发 展，自适应控制系统的构成更容易、简洁和廉价，从而极大地促进了数控加工 在线参数优化的研究儿1 2 1 第一个优化自适应系统( a c o ) 是美国本迪克斯公司于1 9 6 4 年在美国空军技 术监督下研制开发成功的【墙1 。该系统由一台型靠模铣床、控制器、传感器及自 适应控制器组成，传感器测量切削力矩、刀具温度及机械振动，自适应控制器 利用这些数据可获得最优进给速度，并使规定的性能指标达到最优化。但该系 统并未得到推广应用，其主要原因是系统要求对刀具磨损进行在线测量，而迄 今为止还没有工业界广泛接受的直接测量刀具磨损的方法。1 9 7 0 年德国西门子 公司研制成一台可控制x ，y 轴方向进给速度的约束自适应控制车床，该车床可 在加工过程中利用传感器直接测量力矩信号。日本公司、意大利公司和研究所 也都相继研制出公约数自适应控制机床，以实现恒力矩加工，但由于在力矩信 4 武汉理工大学硕士学位论文 号的处理和转换方面都做了不同程度的条件假设，因此限制了机床的实用性。 国内对自适应数控加工技术的研究开发起步较晚。1 9 7 9 年清华大学在国内 率先对铣削过程的功率约束自适应控制进行了试验性研究。1 9 8 0 年上海交通大 学对以扭矩为约束目标的数控车削自适应控制进行了试验研究。1 9 8 3 年北京航 空航天大学研制出铣床的微机自适应数控系统，该系统可根据实测的主轴电机 电枢电流来确定主轴力矩。1 9 8 9 年西安交通大学研制了用t p - 8 0 1 单板机作为 自适应控制器的恒功率、恒扭矩的最优自适应控制系统n 钔1 9 9 3 年哈尔滨工业 大学对钻床和铣床的恒功率自适应控制系统进行了较系统的分析，并研制出一 套实用的功率检测系统。该系统对从刀具到电机的传动链作了较大的结构模型 上的工程近似，并在此基础上用传统的自适应控制理论进行在线自学习控制。 但对于非线性的数控加工过程，其工程近似度毕竟有限。这一点是该系统目前 还不能推广应用的主要原因。1 9 9 8 年华中理工大学研制成功恒功率切削的自适 应数控铣削加工系统，该系统充分利用智能控制理论建模，克服了传统自适应 控制理论对时变非线性系统建模的局限性，为智能自适应数控加工的实用化提 供了理论途径。但该研究成果目前还存在一个致命的弱点，即测力传感器对加 工工件尺寸及切削力的要求十分严格，而且所用的测力传感器造价昂贵，使得 该系统目前还难以达到完全实用化。 二十世纪九十年代末，以色列分别研制出了适用于数控车床和数控铣床 ( o m a t 优铣装置) 的金属切削自适应优化系统，该系统降低生产成本最高可达 4 0 ，还具有自学习功能，可以说是数控加工中的一项革命性突破。该系统己经 实现了市场化。目前，我们国家某些工厂的数控设备上就使用了该产品并且效 果很好。g m a t 技术在全国已得到了一定程度的推广，受到了客户的好评。 1 2 2 数控加工离线参数优化的国内外发展状况 在现代加工生产中，为提高生产效率，获得较高的加工精度，关键是在加 工之前能够给出加工参数( 如合理选择刀具、主轴转速、进给率等) 的合理评判 及对产品质量的合理预测。如果我们能够建立起一个基于产品质量预测与分析 的数控仿真系统，一方面它既可以对工件及刀具做出精确的几何描述，对数控 程序进行验证：另一方面又可以对加工过程中任意时刻的几何信息进行提取( 如 切屑厚度，切屑几何形状，刀刃与工件啮合部分) ，根掘数控加工过程的动力学 5 武汉理工大学硕士学位论文 模型，对影响加工质量的刀具、夹具及工件的弯曲、疲劳、振动及温升进行科 学的预测来获得优化的加工过程参数( 如合适的刀具进给量等) 。通过建立一个 这样的仿真系统，在实际加工之前不仅可以获得优化的切削加工参数，避免了 传统的加工参数依照手册或经验的保守选择，充分发挥了机床的潜能，大大提 高了生产效率，而且可以对加工产品的精度进行预测，给出满足加工要求的误 差补偿方法，设计出合理的切削工艺方案。只有这样，数控仿真系统才会发挥 更大的作用，才能成为完善的、真正意义上的仿真系统n 射 国外在数控加工过程仿真方面做了许多工作。美国m a y l a n d 大学开发了用 于培训数控操作人员的虚拟数控机床仿真器：作为a m t 计划的一部分，美国n s t 也开展了虚拟机床的研究：韩国t u r b o - t e k 公司开发出面向培训的虚拟数控车 削及铣削加工环境，能够实现数控加工的几何仿真并配有声音信息：日本s o n y 公司研制的f r e d a m 系统可对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，并进行干 涉、碰撞检查：意大利b o l o g n a 大学用b 样条曲面建立端铣刀与工作台模型，采 用真实感图形显示铣床精加工过程。目前，数控加工过程仿真，尚属以理想几 何图形来检验数控代码是否正确的几何仿真，此时刀具和工件均被视为仅具几 何形状的刚体，不考虑切削参数，切削力及其它因素对切削加工的影响n 6 1 。迄 今为止，国内外绝大多数已开发研制出的数控仿真系统只能称为一个几何仿真 系统。清华大学与华中理工大学共同开发的加工过程仿真器h m p s 和哈尔滨工业 大学的数控加工过程3 维动态图形仿真器n c m p 虽然己较好地解决了加工过程图 形的描述及数控代码验证问题，但并没有模拟仿真出数控切削加工时机床、刀 具、工件所实际表现出的物理特性。 在数控加工在线参数优化发展的同时，随着计算机仿真技术的日趋成熟， 离线加工过程参数优化的方法近年来也在迅速发展。与在线的自适应控制不同， 离线的参数优化是在实际加工之前，通过对加工状态的预测并结合已有的经验 和数据来进行加工参数优化。离线的参数优化又可分为定参数优化及变参数优 化，所谓定参数优化是指设计参数在一道工序中保持不变，反之称为变参数优 化n 刀n8 l 。定参数优化方法主要适用于零件在该工序中切削条件变化不大的情况。 定参数优化研究内容主要是利用己有的经验数据，以加工效率、加工成本和加 工质量中的一个或多个为目标，建立数学模型，然后选用合适的寻优算法为特 定零件的某一道工序选择一组固定的最佳参数，主要包括进给量、主轴转速等 等n 9 】啪】。变参数优化主要是通过仿真的手段预测加工过程中一些重要的数据， 6 武汉理工大学硕士学位论文 并以此为依据在约束范围内寻找特定目标的最优化加工参数。目前，变参数优 化研究内容主要是以最短加工时间为目标、以切削力为约束的进给量的优化。 对铣削加工来说，长期以来，离线变参数优化的研究主要集中在铣削力模型的 建立上，从早期的w a n g 到最近的f u s s e l l 和j e o n g 乜小别乜引，铣削力计算模型经 历了平均刚性力模型( 根据材料去除率估算平均铣削力，即m r t 模型) 到瞬时刚 性力模型，已日趋完善，但采用这些现代优化算法对切削参数的研究还都处于 初级阶段，并在特定的条件下具有一定的可行性和有效性，同时也取得了一定 的经济效益。 1 2 3 数控加工参数优化研究的发展趋势 切削加工参数优化的研究一直是从事切削加工技术人员所关心的问题，大 量文献表明：通过提高切削速度来提高加工质量和效率，是目前研究的一个主要 方向。切削可以降低切削力、提高加工零件精度和表面质量等。最近又有学者 提出高效率加工的新概念，认为在金属切削过程中，选择很高的切削速度，并 不一定是提高加工效率的唯一方法。不要忽视在中等切削速度下的大进给量加 工方案。通常所谓的切削，是选用很高的切削速度和很低的进给量及很小的背 吃刀量进行切削的。这种切削方案实际存在着许多问题，用于提高生产效率的 切削加工，由于进给量和背吃刀量都很小，因此对提高生产效率的影响并不大。 以降低进给量、减小背吃刀量为代价的切削其切除率较低，生产率也不高。当 然，这时机床的主轴功率可以很小。这一点对于那些尺寸精度、表面粗糙度及 表面完整性要求很高的零件的精加工( 要求零件不变形，因而切削中产生的切削 力要小等一系列极其苛刻条件下的加工) 确实是非常有利的。 要提高生产效率，就必须提高切除率。由切削原理可知，金属切削中的切 削量与切削速度、进给量和背吃刀量有密切的关系。受切削动力学的限制，在 一般切削中，背吃刀量不能选择太大，高效率切削也不例外。但高效率加工可 以选择大进给量( 除在短距离的切削中，由于受加工速度的限制，只有选择小进 给量加工外) 与适当大的背吃刀量进行加工，再通过选择尽量高而不是选择很高 的切削速度加以配合，也能达到高切除率。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容： ( 1 ) 总结分析了目前流行的刀具轨迹的使用场合和特点，主要包括进退刀 方式，走刀方式，和走刀方式选择的原则，刀具轨迹优劣的评判标准，刀具选 择的原则等，给现场实际编程人员编制程序一定的指导。 ( 2 ) 分析和切削用量选择的选择标准，建立切削用量优化的数学模型，运 用复合型法对切削用量进行优化。 ( 3 ) 结合切削参数工程数据库的要求，设计出规范化的切削参数工程数据 库结构，并以商用关系数据库管理系统作为底层支撑环境，实现切削参数工程 数据库结构设计和功能需求，最终实现对切削参数的合理管理和高效查寻。 ( 4 ) 针对切削用量优选专家系统中知识表示的特点，介绍了将知识库与数 据库混合使用的知识表示策略，并且构建了二者结合的耦合模型应用于系统中。 ( 5 ) 对具体零件进行数控加工参数优化的优化计算及结果分析。 1 4 本课题研究的目标和意义 随着国内经济的发展，越来越多的企业迫切需要用先进的制造技术 c a d c a p p c a m 来提高其在国际、国内的市场竞争能力，由于目前的大型 c a d c a m 集成系统运行成本昂贵，国内中小型企业难以承受其高昂的软硬件费 用，而国内开发的c a m 系统不能完成数控加工所需要的计算机辅助作业，因此 可以开发某一类型产品的c a m 系统，为中小型企业提供价廉物美的 c a d c a p p c a m 系统。通过本课题的研究可以实现加工参数的优化，它不仅对数 控加工切削参数优化专家系统进行了补充和完善，而且也是建立金属切削数据 库的重要研究部分。另外通过与c a m 制造过程的结合还可以形成数控自动编程 系统的加工程序中的切削加工参数，即用优化的切削参数来代替普通数控加工 过程中需要工艺人员输入经验切削参数，达到提高加工效率、降低加工成本及 获得高质量产品的课题研究目的，并为完善面对中小型企业的c a m 系统的参数 优化做出一份贡献。 在切削参数优化研究的基础上，通过和刀具管理数据库的结合，还可开发 出数控加工切削参数管理和优化系统，该系统能把工艺人员从大量的手工重复 8 武汉理工大学硕士学位论文 劳动中解放出来，并实现切削参数选取的科学化、合理化、规范化，能够为企 业创造了良好的经济效益。 1 5 课题来源 论文得到武汉市青年科技晨光计划项目( 编号：2 0 0 7 5 0 7 3 1 2 8 9 ) 和国家自 然科学基金重点项目网络环境下的数字制造关键技术研究( 编号：5 0 3 3 5 0 2 0 ) 的支持。 9 武汉理工大学硕十学位论文 第二章数控加工轨迹优化技术 曲面的数控加工广泛应用于航空、航天、汽车、造船、模具、机械等行业 复杂型面的加工中。其中曲面的三轴数控加工是应用最为广泛的n i 方法之一。 长期以来曲面数控加工刀具轨迹的生成，组合曲面的粗、精加工，曲面型腔的 粗、精加工，刀轨优化、干涉处理、切削过程动态仿真模拟，一直是在c a d c a m 系统中实现数控编程的关键技术。数控加工刀具轨迹计算是数控编程的基础和 关键。近几年来，国内外学者和工程技术人员对此进行了大量的研究工作，取 得了许多有效的成果。现在有许多实用的曲面加工刀具轨迹计算方法如参数线 加工方法，投影加工方法和截面线n t 方法等。本文主要研究并讨论目前流行 的刀具轨迹的使用场合和特点，给实际编程人员编制程序具有一定的指导意义。 2 1 粗加工进退刀方式的选择 2 1 1 刀具进退刀方式分类 刀具的进退刀方式不仅影响加工质量，同时也直接关系到加工的安全。刀 具以高进给速度切入工件将会缩短刀具寿命。通过较平缓地增加切削载荷，并保 持连续的切削载荷，可以达到保护刀具的目的。在数控铣削机床上加工一个封 闭的型腔零件，常见的导入方式有如下几种：比钔 ( 1 ) 垂直进刀。这种导入方式首先需要用钻头在工件上钻一个孔，然后再垂 直进刀。垂直导入方式直接明了，不需要太多的计算。虽然先在工件上钻一个孔 可以避免产生极大的冲击力，但这种导入方式不容易排屑，产生大量的切削热 不容易散发，使得刀具和工件的变形量加大。 ( 2 ) 步进进刀。步进进刀是对垂直进刀方式的改进，就是少量多次进刀，也 就是说垂直进刀一大步，然后回退一小步，接着再前进一大步。这种方法有利于 机加工的排屑，带走垂直加工时产生的大量的热，因此可以在一定程度上保护 刀具和工件，减少工件变形，但是要耗费较多的加工时间，而且精度不容易保 证。 ( 3 ) 斜线进刀。这种方式是令刀具与工件保持一定斜角进刀，直接铣削到一 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 定的深度，然后在平面内进行来回铣削。因为采取侧刃加工，加工时需要设定 刀具切入加工面的角度。这个角度如果选取得太小，加工路线加长，反之，如果 选取得太大，又会产生端刃切削的情况。此外，由于斜线进刀的速度变化不连 续，因此不适合加工。 ( 4 ) 折线进刀。这种方式是刀具以折线下降的方式进刀，到达一定深度后， 水平铣削平面。折线进刀是斜线进刀的改进方式。同样也存在速度变化不连续， 不适合加工的问题。 2 1 2 进刀方式的选择原则 随着切入角度的减小，无论是刀具的最大等效应力值s m x ，还是最大应变 量d m x 的值都是呈减小的趋势的，在切入角2 8 。 - 6 0 。，s m x 和d m x 达到了最 小。所以在数控加工特别是加工中螺旋进刀也是最好的选择，它避免了刀具与 工件的刚性碰撞和干涉，刀轨的光顺性提高，且易于实现对切入角的算法优 化。2 盯 ( 1 ) 有一定切入角度的进刀方式对刀具载荷的影响比一次垂直进刀方式 对刀具载荷的影响要小。但如果铣刀采用“步进式”进刀方式可使铣削载荷减 少很多。 ( 2 ) 在铣削中如果进刀的方向和刀齿的旋向一致时，最宜采用z 字形进刀 和斜向进刀。 ( 3 ) 螺旋切向进刀对铣刀轴向载荷的减少最大，所以在加工薄壁零件等对 轴向载荷敏感的零件，还是以螺旋切向进刀为好。 2 2 粗加工走刀方式的研究 加工中广泛应用的走刀方式有行切走刀方式、环切走刀方式以及螺旋走刀 方式。自由曲面的加工要根据表面形状特征，通常采用不同的走刀方式或采用 多种走刀方式的组合。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 行切走刀方式 行切法加工是自由曲面加工中最常用的方法之一。行切走刀方式的刀具轨 迹是以一组相互平行的行切平面截切加工区域得到的一组平行平面轨迹线，由 于采用这种方法生成的刀具轨迹都是直线，刀具轨迹自观明了，数控加工的程 序段数较少，每个程序段的平均长度较长，有利于提高数控加工的切削效率。 行切走刀方式又分为单向式走刀( z i g ) 与往复式走刀( z i g z a g ) 。采用单向走刀 式，可以让刀具沿最有利的走刀方向加工，可以获得较好的表面加工质量，但 需反复抬刀，空行程较多，切削效率低；而往复式走刀则由于切削方向交替改 变，引起切削力方向的不断变化，给机床和工装带来冲击振动，影响工件表面 的加工质量，但切削效率较高。 2 2 2 环切走刀方式 环切走刀方式的刀具轨迹是偏置加工区域的边界元素而得到的一组轮廓等 距线，轨迹的形成方式可以是逐步收缩或扩张的。h p e r s s o n 最早提出一种采 用v o r o n o i 图生成等距轮廓的方法，这种图的生成过程比较复杂。对于环切来 说，环的等距、自交和互交处理、环切加工的走刀顺序优化是核心，这方面学 者们己经做了很多研究。由于环切走刀方式的刀具轨迹连续，空行程小，走刀 方向一致，可以进行分区规划加工路径，因而特别适合对含有岛体或凹坑的复 杂切削区域的加工。 2 2 3 螺旋线走刀方式 对于自由曲面加工，除了目前广泛应用的行切法和环切法之外，螺旋线加 工方法也是学者们重点研究刀具轨迹的加工方法，它的思想来源于阿基米德螺 线，由于阿基米德螺线具有等距性，也就是过极点的射线与曲线的交点之问距 离相等，且轨迹连续。它的数学定义：如果这条曲线是以一动点以常速v 沿一 射线运动，而这一射线又以定角速度。绕极点o 转动时，该动点所描成的轨迹 就是阿基米德螺线。 螺旋线加工方法的优点，与环切法加工相比，无须进行环的切入和切出， 武汉理工大学硕士学位论文 在螺旋线内部不会留有余料，因此对某些型腔轮廓的加工具有明显的优点。 刀具的切削过程是非常复杂的，影响因素很多。刀具轨迹的规划除了轨迹 生成方法和走刀方式以外还要考虑切入切出方式，走刀方向和刀具轨迹线的连 接等等。 2 2 4 走刀方式的选择原则 选择走刀方式时要考虑两点：一是加工时间的长短；二是加工余量是否均 匀。一般来说，环切方式是基于工件形状的走刀方式，加工余量较均匀。而选用 行切方式的加工余量较不均匀，若希望行切加工后留下较均匀的余量，通常需 要增加围绕边界的环切刀轨。若忽略余量不均匀性要求，行切走刀的刀轨长度通 常是比较短的；若考虑余量的不均匀性而增加环切刀轨，当加工区域所有边界 较长( 如多岛屿情况) ，则围绕边界的环切刀轨对总的加工时间影响比较明显， 行切刀轨一般会比环切刀轨长。行切走刀刀位容易计算，占用内存少，但抬刀次 数较多。采用环形刀轨时，则需要多次对环边界进行偏置并清除自交环陋j 。 2 3 顺铣和逆铣的比较 1 顺铣时，每个刀的切削厚度都是由小到大逐渐变化的。当刀齿刚与工作 接触时，切削厚度为零，只有当刀齿在前一刀齿留下的切削表面上滑过一段距 离，切削厚度达到一定数值后，刀齿才真正开始切削。逆铣使得切削厚度是由 大n d , 逐渐变化的，刀齿在切削表面上的滑动距离也很小。面且顺铣时，刀齿 在工件上走过的路程也比逆铣短。因此，在相同的切削条件下，采用逆铣时， 刀具易磨损。 2 逆铣时，由于铣刀作用在工件上的水平切削力方向与工作进给运动方向 相反，所以工作台丝杆与螺母能始终保持螺纹的一个侧面紧密贴合。而顺铣时 则不然，由于水平铣削力的方向与工作进给运动方向一致，当刀齿对工件的作 用力较大时，由于工作台丝杆与螺母间间隙在存在，工作台会产生窜动，这样 不仅破坏了切削过程的平稳性，影响工件的加工质量，而且严重时会损坏刀具。 3 逆铣时，由于刀齿与工件问的摩擦较大，因此己加工表面的冷硬现象较 严重。 4 顺铣时，刀齿每次都是由工件表面开始切削，所以不宜用来加工有硬皮 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 的工件。 5 顺铣时的平均切削厚度大，切削变形较小，与逆削相比较功率消耗要少 些( 铣削碳钢时，功率消耗可减少5 ，铣削难加工材料时可减少1 4 ) 。 6 在什么情况下选用顺铣或逆铣：采用顺铣时，首先要求机床具有间隙消 除机构，能可靠地消除工作台进给丝杆与螺母间的间隙，以防止铣削过程中产 生的振动。如果工作台是由液压驱动则最为理想。其次，要求工件毛坏表面没 有硬皮，工艺系统要有足够的刚性。如果以上条件能够满足时，应尽量采用顺 铣。特别是对难加工材料的铣削，采用顺铣不仅可以减少切削变形。降低切削 力和功率。 2 4 刀具轨迹的算法研究 刀具轨迹生成是加工中最重要同时也是研究最为广泛深入的内容。自由曲 面的刀具轨迹生成方法在近年来更是得到长足的发展，有诸如等参数线法、截 面法、等残留高度法、空间填充法等。这些方法各有优点，有的算法简单，计 算量小，有的效率高，有的加工精度高，因此在不同的加工要求情况下都有实 例的应用。矧 2 4 1 常用轨迹生成算法 1 等参数线法 等参数线加工方法是一种常用的刀具轨迹生成方法，也是多轴数控加工中 生成刀具轨迹的主要方法。该方法刀具沿曲面的u 向和v 向等参数线运动，适 用于参数分布比较均匀的曲面加工。它的优点是刀具轨迹计算简单、速度快： 缺点是刀具轨迹排列较密、加工效率不高。等参数法虽能得到较平整的轨迹曲 线，但轨迹排列以轨迹问最小切削宽度为依据，以牺牲大多数刀位点的切削宽 度为代价，轨迹排列很密，自然得不到较高的效率。嵋印 2 、截面法： 截面法的基本思想是采用一组截面去截取加工曲面或加工曲面的偏置面 ( 刀位面) ，截出一系列的交线作为切削刀具的走刀轨迹。若截取的是加工曲面 的原始曲面，则刀具与加工曲面的刀触点在同一截平面内：若截取的是偏置面 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 一般即为刀位面) ，则刀具的刀位点在同一截面内。对于单一曲面的加工，采 用刀具沿截面与加工曲面的交线运动效果要好一些，因为刀具与加工曲面的切 触点被限制在同一截平面内：对于组合曲面的加工，采用截面与加工曲面的刀位 面求交生成刀具轨迹要简单得多，因为交线位于同一截面内，连接处理容易进 行。删 对于复杂曲面的加工，截面法加工效果明显，容易实现曲面间的光滑走刀。 其不足之处在于计算比较复杂，如果曲面求交算法的可靠性不高或精度低，那 么可能会导致计算结果错误或者轨迹不满足精度要求