（机械制造及其自动化专业论文）高速铣削型腔拐角工艺研究.pdf

摘安 摘要 与传统加工方式有着本质的不同，模具的高速加工采用商转速、快 进给、小切深和小步距的加工方法提高产品的加工效率和加工质量。在 高速加工中刀具切入切出、加工余量不均和走刀方向的突然变化等因素 直接引起刀具载荷频繁变化，影响刀具的寿命和数控机床的使用效率， 刀具过早失效是高速加工所要解决的重要难题之一。因此在高速加工编 程时，要尽可能保证刀具运动轨迹的光滑和平稳。然而大多数c a m 软件 并没有很好地考虑高速切削中遇到的这些问题，限制了高速加工的广泛 应用和加工效率的提高。 高速铣削模具型腔过程中拐角处理技术是数控加工的一个重要课 题。拐角高速加工过程中出现的加工残余和过切是解决模具型腔加工效 率和提高质量的关键技术之一。 本文通过系列实验和理论分析，主要研究小直径铣刀高速铣削模具 钢( h r c 3 0 ) 时不同的切削参数条件下，拐角角度和拐角过渡圆弧半径对加 工过程中切削力和振动的影响，以及切削残余和过切现象。并在此基础 上提出了拐角加工切削参数优选原则，为高速加工模具时拐角加工编程 提的工艺选择提供实用依据。 通过高速铣削拐角时切削力和振动的测量与分析得出以下结论： ( 1 ) 随着拐角角度减小，拐角处的加工余量增大，拐角接触角也在增 大，导致切削力有增加的趋势；为减小加工振动，应尽量避免锐角加工。 ( 2 ) 随着每齿进给量增大，切削力增大，但切削力增加的程度与拐角 角度大小有关。增加每齿进给量并不都会引起振动加剧。 ( 3 ) 随着切削速度的增加，切削力有增加的趋势，振动的振幅减小， 3 0 0 拐角加工时的振动幅值变化范围最大。 ( 4 ) 随着径向切深增加，切削力无显著变化，振动先减小后增大，径 向切深为2 m m 时切削振动最小。 厂乐i 业人掌帧l 学1 正论义 通过对拐角角度、拐角最小过渡圆弧和进给速度等因素对过切影响 的理论分析和优化试验，提出了满足给定加工精度要求的加工条件优选 原则，获得以下主要结论： ( 1 ) 最小过渡圆弧半径对过切程度的增加没有规律性的影响。 ( 2 ) 在不同的过渡圆弧半径下，随着拐角角度的减小，圆弧半径测量 值出现下降趋势，即易产生过切。 ( 3 ) 进给速度增大时易出现过切。在不同尺寸精度要求条件下，不同 最小过渡圆弧半径的最优进给速度也不相同。 关键词：高速加工拐角加工切削力过切 i l a b s t r a c t d i f f e r e n t f r o mt r a d i t i o n a l m a c h i n i n gt e c h n o l o g y ，h i g hs p e e d m a c h i n i n g ( h s m ) i su s e dt oi m p r o v em a c h i n ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yi nd i e a n dm o l di n d u s t r y ，b a s e do ni t sh i g hs p i n d l es p e e d ，f a s tf e e d ，s m a l lc u t t i n g d e p t ha n dl i t t l ep a c e d u r i n gh i g hs p e e dm a c h i n i n g ，a p p r o a c h i n g a n d r e t r a c t i n gp r o c e s s e s ，n o n - u n i f o r mo fm a c h i n i n ga l l o w a n c e ，a b r u p tc h a n g eo f t o o lp a t hw i l lr e s u l ti nf r e q u e n tc h a n g eo fc u t t i n gf o r c e ，w h i c hi n f l u e n c et h e t o o ll i f ea n ds e r v i c ee f f i c i e n c yo fm a c h i n ec e n t r e e a r l yf a i l u r eo ft o o l si s o n eo ft h ek e yp r o b l e m si nh s m h o w e v e r ，t h ep r o b l e m so fh s mh a v en o t b e e nt a k e ni n t oa c c o u n ti nm o s to fc a ms o f t w a r e w h i c hr e s u l t si nm a n y p r o b l e m si nm a c h i n i n ga n dr e s t r i c t i n ge x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fh s m t h e r e f o r e ，s m o o t ho ft o o lp a t hs h o u l db ee n s u r e di nh s mn cp r o g r a m m a n a g i n go fs h a r pc o r n e rt e c h n o l o g yi si m p o r t a n tp r o j e c tw h i l eh i g hs p e e d m i l l i n gm o u l dc a v i t y i n t h i st h e s i s ，b ym e a n so fs e r i e so fe x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h ee f f e c t so fc o r n e ra n g l ea n dr a d i u so ft r a n s i t i o na r co nc u t t i n g f o r o ea n dv i b r a t i o na r er e s e a r c h e d ，i nw h i c hm i c r oe n d - m i l li su s e dt oh s m d i es t e e l ( h r c 3 0 ) b yd i f f e r e n tc u t t i n gp a r a m e t e r s c u t t i n ga l l o w a n c ea n d o v e r - c u t t i n g a r ea l s os t u d i e d a c c o r d i n g l y ，t h e f u n d a m e n t a lo f c o r n e r c u t t i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n i s p r e s e n t e d ，w h i c hw i l lp r o v i d e t h e o r e t i c a l s u p p o r t a n d a p p l i c a t i o ng u i d e f o r c o r n e r c u t t i n g n c p r o g r a m m i n g b ym e a s u r ea n da n a l y s i so fc u t t i n gf o r c ea n dv i b r a t i o n ，c o n c l u s i o n sa r e d r a w na st h ef o l l o w i n g ， a st h ec o r n e ra n g l er e d u c e ，c u t t i n ga l l o w a n c ei nt h ec o r n e ra n dc o n t a c t a n g l ew i l li n c r e a s e ，s h o w i n gt h et e n d e n c yo fe n h a n c e m e n to fc u t t i n gf o r c e t od e p r e s st h ev i b r a t i o n ，s h a r p a n g l e - l i k ec u t t i n g 广东t 业人学颂f 学位论文 1 s h o u l db ea v o i d e difp o s s i b l e 2 a sf e e d p e rt o o t hi n c r e a s e ，c u t t i n g f o r c ee n h a n c e s b u tt h e e n h a n c e m e n ti sa l s ob a s e do nt h ec o r n e ra n g l e h o w e v e r ，i n c r e a s e o ff e e dp e rt o o t hd o e sn o ta l w a y sr e s u l ti na g g r a v a t i o no fv i b r a t i o n 3 a sc u t t i n gs p e e di n c r e a s e ，t h et e n d e n c yo fe n h a n c e m e n to fc u t t i n g f o r c ea n dr e d u c eo fv i b r a t i o np r e s e n t s t h ev a r i a t i o nr a n g eo f v i b r a t i o nm a g n i t u d ei st h el a r g e s ta st h ec o r n e ra n g l ei s3 0 。 4 a sr a d i a lc u t t i n gd e p t hi n c r e a s e ，c u t t i n gf o r c ee n h a n c e s ，b u tt h e i n f l u e n c eo ft h ed e p t ho nv i b r a t i o nr e d u c e s u n d e rt h es a m f f c o n d i t i o n s ，t h ec u t t i n gd e p t hh a sm o r ei n f e c t i o nt h a nt h ef e e dp e r t o o t ht ot h ev i b r a t i o n f i n a l l y ，b yt h em e a n so ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la n a l y s e s ，t h e i n f l u e n c eo fc o r n e ra n g l e ，t h em i n i m u mo ft r a n s i t i o na r ca n df e e ds p e e do n o v e r c u t t i n gi ss t u d i e d ，a n d t h ef u n d a m e n t a lo fc o r n e r c u t t i n gp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o ni sg i v e n t h e nt h ec o n c l u s i o n sc o m ea st h ef o l l o w i n g ， 1 t h ee f f e c t so ft h em i n i m u mo ft r a n s i t i o na r ct oo v e r c u t t i n ga r e i r r e g u l a r 2 a sc o r n e r a n g l er e d u c e s ，i n d i f f e r e n tr a d i u s o fc o r n e r s ，t h e m e a s u r e m e n t so fc o r n e rr a d i u s g od o w n ，w h i c hw i l l t e a dt o o v e r c u t t i n g 3 o v e r c u t t i n gp r o d u c e se a s i l y a st h ef e e dr a t e s p e e d su p t h e o p t i m a lv a l u e so ff e e dr a t ef o rv a r i o u sm i n i m u m so ft r a n s i t i o na r c a r ed i f f e r e n tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i v e r s i f i e dd i m e n s i o n a l p r e c i s i o n 。 k e y w o r d s ：h i g hs p e e dm a c h i n i n g ，c o r n e rm i l l i n g ，c u t t i n g f o r c e ， o v e r c u t t i n g 符号说明 i x 独创忤声叫 独创性声明 秉承学习严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的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，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同 工作过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， 并表示感谢。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此 枷。 删燧字：锄 论文作者签字：前鬈南刚 - 2 斫年iz 月 7 1 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 高速加工技术自上世纪三十年代德国s a l o m o n 教授提出以来，以其 高效、低成本、高质量、可加工性宽等优点受到世界各国的关注“。美 国、德国和日本等工业发达国家已将高速加工广泛地应用于航空航天、 汽车和模具工业等行业，并取得了重大的经济效益。高速切削加工与传 统数控加工方法的主要区别在于进给速度、加工速度和切削深度等工艺 参数不同”w 。 模具的高速加工采用高转速、侠进给，小扔深租小壶距的加工方式 来提高产品饰施工效率和加工质量。在高速船工中刀具切入切出、咖工 余量不均和走刀方向的突然变化等医素直接引起刀具载荷频繁变化，影 响刀具的寿命和数控机床的使用效率，刀具过早失效是高速加工所要解 决的重要难题之一。因此在高速加工编程时，要尽可能的保证刀具运动 轨迹的光滑和平稳。在高速拐角加工过程中，随着行距的增大，刀具在 拐角处的切削用量增大，刀具接触角增加，切肖4 力也随之增大，相邻刀 具轨迹环问的距离增大，当该距离增大到大于刀具直径时，拐角处出现 加工残余。同时由于进给速度较大，机床数控系统韵加减速特性不能满 足拐角处刀具轨迹的需求，在拐角处过渡位置的速度大于预定速度，刀 具还会向前进给，因而出现了过切现象，造成拐角处的刀具轨迹理论趣 线和实际曲线不重合。因，此拐角高速加工过程中出现的加工残余和过切 是解决模具型腔加工效率和提高质量的关键技术。 本文通过系列实验和理论分析主要研究小直径铣刀高速铣削模具钢 ( h r c 3 0 ) 时不同的切削参数条件下，拐角角度和拐角过渡圆弧半径对加工 切削力和振动自争影响，以及切削残余和过切现象。并在此基础上提出了 拐角加工切削参数优选原则，为高速加工模具时拐角加工编程提的工艺 选择提供实用依据。 广东t 业人学硕i 学位论殳 1 2 国内外研究现状 1 2 1 c a m 软件中的高速加工模块 表1 1 部分含高速加r = 模块的常用c a m 软件功能比较”2 t a b i 1c o m p a r i n go ft h eh i g hs p e e dm a t h i n i n gf u n c t i o n so fc a ms o f t w a r e s 序 功能 主要高速加j ：模块 号 数据接口备注 软件狲 特点 i g e s v d a 高效区域清除策略赛 自动摆线加【：是 - f s s t e p 车线加l ：，摆线加i ：，自 指在切削人鼍材 p r o e ， 动摆线加i ：，残留租加 料时，c a m 自动 c a t i a u g j ：，高速精加i ：，等高精 lp o w e r m i l li d e a s s o l 加t = 最佳等高加i ，二 采用摆线加i ：最 i d w o r k s 维偏置精加l ：，螺旋等高 佳等高加i ：指在 c i m a t r o n 精加i 。变余量加i ：。高 平坦区域和陡峭 a u t o c a d 效的刀具路径连接，刀具 区域采用不同的 等等高方式加_ 。 路径修同功能等 l g e s s t e p高效区域清除策略，摆线 ，当前市场 加f ：基于毛坯的残留加 c i m a t r o n 上的绝大 工，w c u t 自动层问加1 ：， 在e 6 0 版本，坩 2部分c a d 区域识别，自动清根，刀 户可以根据加r e 6 0 余量，刀具，材料 统。a n s y s路自动优化，富有特色的 须_ ；i 合适的参数 等多种分_ i jr 参与模式强人的五 析软件 轴加上能力 1 g e s ，s t e p多次走刀轮廓铣，毛坯的 ，d x f ，s t l ， 定义，加工区域选择自 3 u gi i 各种c a d动清根，圆弧或者螺旋进 软件 刀。摆线加f ： i g e s s t e p 精度提升功能，产生程序 ，p r o e ，c a 短，多种棱线加= ，等高 有专门针对小刀 t i a ，u g ， 分层加工，转角圆弧过 4 s p a c e e具加t 高硬度材 i d e a s s o l 渡。螺旋圆弧进退刀，环 料部分切削参数 j d w o r k s 绕等多种高速加工轨迹 ci m a t r o n 生成 转角圆弧过渡产生代码 p r o ，e n g i n e e r i g e s ，s e t ， 短，螺旋下刀切削，相邻 5s t e p v d a 路径圆滑过渡，最大可能 野火版 ，s t l 减小刀具方向突变，恒负 载加一r i g e s a c l m a s t e r c a m 在 m a s t e r s d x f c a 切向入刀或退刀，相邻路 7 0 版本开始引入 6 d l v d a s 径圆滑过渡，刀具路径校 c a m 9 1 高速加l ：这一概 t l a s c 验，拐角报警等 i i d w g 念。 2 弟一币绪论 j 目e e e j = j _ _ 自! = = = = = = | e 目j _ _ b _ = e j _ _ _ = e # 日= e = = = e = = = = = = = e _ _ e = ! = = = ! = = = = 詈r i 日e 高速加 是种新的加 理念，与传统的数控加工方法中的 艺参 数选择有着完全不同的方式，为了能适应加工的需要，c a m 软件系统必 须具有自己的高速加工模块以实现加工的可能性。表1 1 详细地列出了目 前常用c a m 软件的高速加工模块。 1 2 2 高速加工中的刀具轨迹生成 模具高速加工的n c 编程策略，包括高速加工刀具轨迹生成的基本原 则及方法、适应高速加工的协削用量选择、采用高速高精度的高速加工 关键控制技术、典型型面及难加工型面的高速加工策略等方面 2 2 1 。 为了实现刀具快速移动e ，避免切削角度和速馊：的突然变化，加工出 高质量和高精度的表面，高速加工的刀具轨迹必须满足无干涉、无碰撞、 光滑、切削负荷平滑、满足加工要求和代码质量赢等要求；同时，保证 零件的加工精度和表面粗糙度要求；缩短走刀路线，减少进退刀时间和 其它辅助时闻；方便数值计算，减少编程工作量；尽量减少程序段数1 2 3 。 “i 。 不问c a m 软件在刀具轨迹生成方法中各有所长，侧重不同，而操作 者往往局限于某c a m 软件，并不能实现刀具轨迹最优化。下面将就高 速加工代表性几个软件刀具轨迹生成方法中常见的走刀方式、进退刀方 式、移刀方式、基于留量模型的加工等方面进行总结和分析。 1 2 2 1 走刀方式走刀方式是指生成刀具运动轨迹时，刀具运动轨迹 的分布。一般将走刀方式化分为三类：单向走刀方式、往复走刀方式和 环切走刀方式，也有将前三种的混合走刀一复合走刀方式列为单独一类 【25 1 。事实上，无论是采用单向还是往复，从加工策略角度上就是一种行 切走刀方式【26 1 。具体见表1 ，2 。 模具数控加工一般由粗加工、半精加工、清根加工和精加工四道工 序，对于表面质量要求高的模具则需进行二次半精加工。对于不同加工 工序需要达到的目标也不尽相同，粗加工追求单位时间的最大切削量， 最终产生接近半精加工的几何轮廓；半精加工要求工件轮廓尽量平整化， 使表面的精加工余量接近均匀；清根加工是为了清除被加工零件凹向交 线处的多余材料，为精加工高速化提供条件；精加工则是为了实现最终 广东1 。业大学坝f 学位论文 零件表面要求 27 】。为了实现不同加i 的要求，不同工序则需要不同的走 刀路径。高速加工走刀路径还有赛车线加工和摆线加工l2 8 3 0 1 ，见表1 3 。 表1 2 走刀方式 t a b 1 - 2t h em a n n e r so ft o o ip a t h 走刀 图示特点备注 方式 行切 焉 顺、逆铣交替进行，加 为了提高精 i 效率比较高，但是加 度，有的加 j ：中采用单 1 精度较低。 向走刀，空 同的方式 由一组封闭曲线组成。 多用于封闭环状曲面的 环切 固 刀具运动轨迹的深层。 在c a m 软件中，这种走 刀方式经常被采用：选 择环切走刀方式，然舌 定义完加l 刀具和加工 r 艺参数，软件会自动 地生成环切刀具运动轨 迹。 表1 3 特殊走刀方式 t a b 1 - 3s p e c i a lt o o lp a t hm a n n e r 摆线加工 一 高速加工中常用的 一种走刀方式。刀 保护刀具， 具沿一滚动圆的运 多用摆线 动来逐次对零件表 加工，可以 面进行高速与小切 避免全刀 量的切削。刀具运 宽切削。 动具有一致的进给 率。 夕蓉 高速加工粗加工中 。 。二 的一种走刀方式， 。鬣在拐角处或曲率半 p o w e r m i l l d 赛车线加t = ： 一：甥l 径比较小的地方。独有的加 ； _ 一j 一- 豫； 刀具可以在不减速工方式 的情况下刀路平 # “ ， _ ， g _ h 。 ， 滑，加j ：效率提高。 第一争绪记 1 2 2 2 进、退刀方式进、退刀方式就是刀具切入、切出工件选择的 方式。为了避免高速加工时刀具在刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以 免因局部过切而造成刀具或设备的损坏。进刀方式选用不当，会使刀具 在开始的一瞬，造成巨大的冲击，会造成刀具崩刃甚至断刀。迸刀方式有 以下几种o2 3 ，3 】：沿z 轴方向进、退刀；沿加工路径切线方向进、退刀： 沿加工路径法线方向进，退刀；沿加工路径相切的圆弧方向进、退刀： 沿空间某一方向进、退刀。具体参见表1 4 。 表1 , - 4 迷、退刀方式 进刀方式图示描述优缺点 垂 。孙一 在l ：件上钻一个孔，铣刀的端部 直 然后用端刃加丁。加 方中心是没有 进 式直接，算法简单，由于加r 能力，不 沿 刀t 件 乖直插入，会产生很大的具备堆直进 z 冲击力。刀的能力。 轴 种少鼍多次下刀的 方法。铣刀垂直进刀一大 步，然后退一小步，此方 耗时，精度 法利r 排屑，并能带走大 难以保证。 方 一 件 量的切削热。 向 步 进 进 刀 采用侧刃切削1 二件，需设 斜 自刀具定两个角度值：z 轴投影侧刃受力不 沿 线 久 面夹角，即刀具移动轨迹均，刀具容易 空 进 与坐标轴的夹角，通常为 发生振颤，对 间 刀 工件 零；刀具轨迹空间矢量刀具要求较 角，即刀具切入加工面的高。 某 角度。 方 自刀具 对斜线进刀的改进，把单 向 之 步斜线进刀化为多步小仍然存在侧 形 进 进刀，避免了加工路线过刃受力不对 长的缺陷，优于斜线进称的闯题。 刀 工件 刀。 ， 广东1 业大学顺卜学位论文 由内向外加i ，即从最上 面开始，螺旋向f 加1 ：， 沿 螺 _ 采用了连续加i ，易保证 最适合高速 精度。需二个参数：1 ) 加 ，具有加路 勤 螺旋半径r ( 进刀时，刀 径 旋 l ：质量好、效 具中心螺旋半径) ：2 ) 螺 率高等优点， 切 进 旋的圈数n ( 难直切削量 但设计较为 向 = h n ) ；3 ) 导入角度( 决 刀复杂。 定旋转进刀的切入点) ； 4 ) 铣削方向( 顺铣、逆 铣) 。 沿圆弧半径可 路 圆 工件自由设定。刀 刀具走圆弧轨迹切入 具运动轨迹 径 弧工件表面，一圈轨迹完成 平稳与光滑，圆 进 加工路径 后，以圆弧退刀，直线回 弧高速加工常 切 刀到起始点，如此往复。 圆弧进7 j 用的一种进、 向退刀方式 沿 工件 刀具走轨迹法线方向 路 法 切入工件表面，一圈轨迹刀具受到冲 径 线 法 进 一挪王竖径， 完成后，以法线方向退击大，不适应 刀，同到起始点，如此往于高速加工。 刀 法线进刀 复。向 国内外学者在刀具切入、切出工件选择的方式做了很多研究，贺战 涛为避免引起切削速度波动应尽可能使刀具运动轨迹保持平稳与光滑， 走刀时应避免“拐硬弯”，尽量减少任何切削方向的突然变化；同时尽可 能采用顺铣方式；在切入、切出工件时尽量采用圆弧切入、切出方法【圳； 韩永军等应用高速加工软件p o w e r m i l l 进行模具加工，认为在精加工时 应尽量采用圆弧或螺旋等方式切入切出工件，尽量减少提刀次数和刀具路 径频繁的方向变化【33 j ；文献 3 4 】通过选择不同的切入、切出方式进行切 削力和振动实验，通过优化切入、切出刀具轨迹改善刀具破损的情况， 认为进、退刀应采用圆弧或者螺旋方式，避免直接进、退刀。文献【3 5 根据高速铣削的不同进刀方式，通过具体铣削过程中的切入角的变化对铣 刀所受载荷的影响，进行高速铣刀的有限元分析，得出如下结论：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，“步进式”进刀方式可使铣削载荷减少很多；在高速铣削中 如果进刀的方向和刀齿的旋向一致时，宜采用z 字形进刀和斜向进刀；螺 6 第节绪论 旋切向进，j 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，应该选用螺旋切向进刀。 1 2 2 3 移刀方式移刀方式是刀具轨迹行间与空间的过渡方式，这里 表1 5 移刀方式 类别移刀方式特点 采崩内切圆弧连接 在行协移刀中，该方式适应于在行切切 削用量( 行间距) 较人的情况f ，然而 厂， ， 在切削用量( 行间距) 较小的情况下会 ； 由于圆弧半径过小而导致行间的直接直 线移刀，从而也导致机床预减速，影响 加- 亡的效率，对机床也不秘。环切移刀 与行切移刀相似，环切通过行间距内切 行 圆弧移刀，差别不大。该种方式不适应 丁高速加工。 协、 该方法通过空间圆环过渡，在一定程度 环切 上解决了在前述内切圆弧移刀的不足。 但当采用直径非常小的刀具( 例如由 光滑 饕 ：炙 0 6 m m 的球头刀) 进行精加j ：时，由丁 移刀 三= 手套s 刀路间距作常小，使得该方法也无法避 垂萎蕙 免前方式的不足。该方法适应丁高速加 i = ，但有局限性。 采用高尔夫球竿头式移刀方式 该方法通过空间较大的圆环过渡，其刀 具轨迹形状类似高尔丈球竿头，故被称 之为高尔夫球竿头式移刀方式，解决了 内侧或外侧圆环过渡移刀存在的问题， 是高速加工中常用的一种移刀方式 环 采用螺旋式的移刀 切、 该方法在空间实现移刀，有效地避免了 层问 3 d 加工时圆弧过渡的环切中的过切现 象，空间螺旋移刀可减小阻力，而且是 的空 沿切线进刀。层间的空间螺旋移刀具具 间螺 有相同的优势。该方法是高速加工中常 用的一种移刀方式 旋移 刀 7 广东t 业人掌坝l 学位论义 所说的移刀方式主要指的是行切中的行| 日j 移刀。环切中的环问移刀，等 高加工的层间移刀等。普通c a m 软件中的移刀方向一般采用垂直于加工 路径移刀，走刀方向突然变化，刀具加、减速频繁，刀具稳定性差，等 高加工的层日j 移刀还会产生移刀拐角，故不适合高速加工的要求。高速 加工要求刀具过渡轨迹光滑与平稳。支持高速加工的c i m a t r o n 软件系统 提供了以下丰富的移刀策略【1 6 i 。有三种方式：行切，环切光滑移刀和层间 空间螺旋移刀，见表1 5 。 s p a c e ec a d c a m 系统在上述移刀方式基础之上的给用户提供了一 种s 型移刀方式1 3 们。s 型移刀方式指刀具从一切削行的终点沿s 形曲线 方向运动到下一切削行的始点。 1 2 2 4 清根加工所谓基于留量模型的加工【2 ”，就是综合考虑上一道 工步留下的材料量和产品几何信息计算刀具轨迹的加工。 粗加工刀具轨迹是根据毛坯和产品模型综合计算而成；半精加工刀具 轨迹是根掘租加工后半成品模型和产品模型计算而成；精加工刀具轨迹是 根据半精加工后半成品模型和产品模型计算而成；清根轨迹是根据精加工 后半成品模型和产品模型计算而成。系统根据加工每一个工步记录材料 的信息，自动判断是否要补加工、是否清根，尽量从没有材料的角度下 刀，从而实现加工的优化和智能化。清根加工是基于留量模型的加工的 一种方式。 清根加工是指去掉产品模型内凹向交线处剩余材料的一种加工方 式。常用的清根加工方式有两种：一种是笔式铣削加工，它是指刀具沿 着两曲面的凹向交线方向，并与两曲面双切而生成的刀具运动轨迹；另 一种是残余铣削加工，它是指根据前道工序指定的刀具半径和本工序所 指定的刀具半径来确定加工区域，并按切削间距生成刀具运动轨迹的方 法。 残余铣削与笔式铣削不同之处在于，残余铣削是较大型面加工，而笔 式铣削只对拐角进行清根处理 3 7 , 3 8j ，见表1 6 。 8 第一章绪论 表卜6 清根由工 t a b ，1 6c l e a n u pm a c h i n i n g 加t 方式 加r 图示 加i ：后的零什留示 说明备注 找到前 对整 残 道1 序 个表 余 的犁面 铣刚较小 面进 削的刀具 行处 理 加工 找到前 道工序 笔 皤枷 大尺寸 刀具加 j ：后残已经 式留部分经过 铣的拐角，清根。 削自动驱处理 动刀具 沿交线 方向运 动加上。 1 2 3 过切 * 在数控铣削加工中，铣刀在加工表面产生过量切削现象，即轮廓理 论曲线和实际曲线不重合，这种情况就是过切。过切现象一般出现在下 列几种情况下：轮廓曲率半径小于刀具半径，轮廓曲率变化较大的曲面 加工，机床加减速特性不足等。 1 2 3 1 产生过切的原因数控加工实际是一个复杂的加工系统，因此 产生过切的原因也是多方面的，主要影响因素有复杂的型腔曲面形状、 刀具系统的受力状态、铣削用量的选择、机床运动的加减速特性等f 3 9 1 。 ( 1 ) 轮廓曲率半径小于刀具半径 随着工业产品不断向多样化和高性能化发展，复杂的型腔曲面的铣 削加工越来越广泛地应用于实际加工，而出于工作效率和加工成本的考 虑，复杂零件加工中往往出现轮廓曲率半径小于刀具半径的情况。由于 刀具半径大于曲面的曲率半径，对理论轮廓线进行刀具功能补偿时，必 9 然导致部分轮廓线被加工，即产生过切；而不破坏理论轮廓线加j - 时， 又有部分未加工，即产生欠切。而对于拐角加工，两直线段相交，实际 也是曲率半径无限小的圆弧相交，按理论轮廓加工时也必然出现过切现 象1 3 9 4 ，详见图1 1 。 c ( a )( b ) 图1 1 轮廓曲率半径小于刀具半径时的过切现象1 4 1 】 f i g 1 一io v e r c u t t i n go fc u r v a t u r er a d i i l e s st h a nt o o l sr a d i i ( 2 ) 刀具补偿过程中的过切 在实际编程时，常常由于刀具补偿在建立或取消时程序轨迹方向不 当引起过切；在半径补偿模式下，使用无坐标轴移动类指令，即两个或 两个以上连续程序段内无指定补偿平面内的坐标移动，也会导致过切现 象。前者是刀具补偿建立或取消引起的过切，后者是无移动类指令引起 的过切 4 1 1 ，详见图1 2 。 ( a ) ( b ) 图1 2 刀具补偿过程中的过切现象【4 1 i f i g 1 - 2o v e r c u t t i n go ft o o l sr a d i ie o m p e n s a t i o i l i o 荡 i!j 一够。 ，嗲一议 弟一节矫论 ( 3 ) 机床加减速特性不能满足插补指令 由于一般数控机床只有直线和圆弧插补功能，对于复杂曲线加工一 般由若干段直线和圆弧插补逼近形成，在各段衔接时由于数控系统与伺 服系统的不同步导致在加工中的停顿，在节点处由于铣削力减小，工艺 系统的弹性变形减小而产生过切。在拐角加工时，某一加工路径沿着机 床坐标轴时，将会出现由于在拐角处的转向而导致某一方向，的坐标伺服 系统减速到零，然后又加速到给定进给速度，而另一坐标方向由零直接 加速到某一进给速度，这时可能由于机床坐标方向的加减速度不足和运 动惯性，而导致过切。 1 2 3 2 消除过切钓方法消除过切的方法有以下几种： ( 1 ) 对于轮廓曲率半径小于刀具半径的情况，可以采用较大直径的铣 刀先进行基于留量模型加工，然后才爝小直径铣刀对于内凹i 向交线处剩 余材料进行清根加工。这样既能保证大直径铣刀韵 工作效率，也能实现 小直径铣刀的可加工性，实现高效高质量的快速加工。 ( 2 ) 对于刀具补偿过程中的过切，则应在编程指令执行之前对刀具轨 迹进行仿真，通过仿真可以预先发现加工中的过切现象，并及时修改程 序防止过切的产生。一般的数控加工编程软件豁具有这种功能。 ( 3 ) 对于机床加减速特性不能满足插补指令，可对复杂的型腔曲面进 行分段编程，对于产生过切的地方提前进行降速处理而达到防止过切； 也可对走刀路径进行优化处理，如赛车线加工和摆线加工等。 ( 4 ) 合理安排工艺也能达到消除过切粥产生，综合考虑上一道工步留 下的材料量和产品几何信息计算刀具轨迹：的加工，粗加工刀具轨迹是根 据毛坯和产扁模型综合计算而成；半精施工刀具轨迹是根据粗加工后半 成品模型和产品模型计算而成；精加工刀具轨迹是根据半精加工后半成 品模型和产品模型计算而成；清根轨迹是根据精加工后半成品模型和产 品模型计算而成。 ( 5 ) 改善刀具系统的刚性也能消除过切，选择刃部长度较小的短刃铣 刀和适当的主轴夹头，能够提高系统的剐度，增强系统的稳定性，减小 系统的变形量，从而实现过切现象的抑制。甚至消除。 i l 广东t 业人学硕 学位论文 1 2 3 3 在高速加工过程中拐角处产生的过切高速加工要求高效低成 本，这就要求生产时满足加工要求的情况下速度最快，然而由于机床加 减速特性，在型腔拐角加工中往往容易产生过切，这是因为当进给速度 太大时，机床数控系统刀具沿直线走刀不能在既定位置走刀，而是在直 线终点位置走一小段，然后在沿圆弧走刀，刀具在拐角处出现理论刀具 轨迹线和实际刀具轨迹线不重合而导致过切。图1 3 中表明在过切中理 论轮廓线与实际轮廓线不一致，以及理论刀心轨迹线与实际刀心轨迹线 的偏离情况。 ，一 实际轮廓线、。 理论轮廓线、7 一。 7 一 一实际刀心轨迹线 一= r 一理论刀心轨迹线 1 3 过切现象示意图 f 1 9 1 。3s c h e m a t i cf o ro v e r c u t t l n g 1 2 4 拐角的高速加工策略 拐角过渡就是在切削过程遇到拐角时的处理方式，一般有直线、圆 弧和圆环三种过渡方式。拐角的高速加工是数控加工的一个重要课题。 直线过渡方式不适宜于高速加工，这是由于拐角高速加工存在切削力波 动，刀轨方向突变和残留区域材料的加工。 国内外学者对拐角高速加工进行了大量的实验，并提出了许多加工方 法，如靠刀法、留余量行切法、边角优化法等。南航的赵威等提出了一 种细化圆角走刀路径的铣削方法【42 1 ，以解决航空薄壁件的圆角铣削加工 问题。实验结果表明，该方法是有效、可行的。h s c h o y 等在定义九种拐 角类型的基础上，提出了两种拐角加工路径策略【4 4 】：单个圆环加工策略 ( s l s ) 和双圆环加工策略( d l s ) ，该方法可以通过调节附加刀具路径 环的数目，控制加工的接触长度，为不同形状拐角设计改进加工路径程 1 2 第一章绪论 序得到很好的解释说明。实验从铣削力的最大值的形式和联系传统平行 轮廓加工路径，用s l s 和d l s 加工路径分别显示了l9 和35 的减少。从 平均铣削力的角度来看，用s l s 齐e id l s 加工路径分别预示着实质性的5 l 和6 3 的减少，详见表i 7 。 表1 7 拐角优化方式 t a b 1 - 7o p t i m i z t i o no ft o o l m a r lf i er si nc o r n e rm i i i i n g 加r 方 加丁图示说毋备注 a 高速加 靠刀法 链 避免了直接用细长刀具加工精加i ：中 时变形和切削振动，却牺牲拐角加工 了加工效率的一种走 傺还互 刀方式 高速加1 留余量 鼯i 消除了加二 _ ：的拉刀和振纹现精加工中 行切法 | l ! 吨型趟 象，但是数控程序段较大，加拐角加i = 工效率较低。的一种走 ilk 、媳撬点爨妻! 漫鑫 刀方式。 l j 该方法中 二i 一_ o 当等距环中任意相邻边间存 边角优 一羔坦，7 在着拐角就顺序插入直线 的曲线段 段、圆弧段、直线段三条边。 有参数。 化法 这三条边的插入方法是：假 【4 3 】 i ； 定三条边分别为直边12 、弧 和刀具加 2 0 3 、直边3 】，么2 13 为e ，圆 工行距h 弧半径为r 。 确定 细化圆 倭 铣削薄壁件圆角时，以径向 高速加工 切削深度的变化作为细化依 据，进行二次细化。适当地降 精加工中 低了刀具在走刀过程中的切 角法 拐角加工 削力，不仅提高工件的加工 【42 】 精度，而且可以增加刀具的 的一种走 | | | 嗡 使用寿命，降低生产成本，提 高生产效率。刀方式。 广东t 业人学硕l 。学位论义 拐角平分线长度b e ，其中问 点为h 。刀具是沿着当前加 t i ，i j | 】路径段a b c 移动的。当达 l： 、 到g 点时，刀具将沿着圆弧高速加 。 单圆环 g h i ，经过中间点h 和重结 h “一e ； 合段a b c 的l 点。刀具接着 精加i ：中 加法 ，岛 从点i 向g 点再次经过弧1 j ， 拐角加j ”j ， 直线j k 和弧k g 移同。刀具 i4 4 1 接着从g 点移动到点b 和c 的一种走 从而完成拐角加【。s l s 的 刀方式。 基本思想是切除拐角材料成 两个阶段，以致能够减小铣 削力和切削厚度。 d l s 的目的是更进一步减少 f 、t 铣削时在拐角处产生的切削 矗；，| 阻力，将全部的材料切除成 高速加工 一7 i t 三个阶段。这是靠构成两个 双圆环 i j j 。j j 7 ， ，| 铣削圆环来完成的。如图( b )精加工中 ，! 矽铲，l 所示，点h 和m 将拐角等分 加- i ：法 n j 。电、茹 线分成三个相等的部分。在 拐角加工 f 44 l 粤v _ 孑= 、奥! 第一个铣削环形路线，刀具 的一种走 一宵“+ ：7 + “y ， 中心经过点a g h i j k g 。在第 ，。一“? 。? 二个环形路线，刀具中心接 刀方式。 f b n t s 着经过点b n i c 移动来清除 拐角的材料。 1 2 5 高速加工过程参数优化 在高速切削过程中，合理选择切削用量、刀具走刀路径和使用条件、 机床性能，对提高加工生产率、降低加工成本有重要意义。通过对切削 条件的优化，可实现切削用量的最佳选择，改善刀具的使用条件，最大 限度的发挥刀具和机床的作用。 文献4 5 1 提出了一种新的方法来提高刀具寿命，即变进给方法，如图 1 4 所示。此方法同时考虑前、后刀面磨损作为刀具失效标准。变进给加 工方法在加工高硬度和难加工材料中可以有效地提高刀具寿命4 0 。文 献【4 6 】同样用变进给方法，可以提高刀具寿命2 0 一3 0 ，并且若使用 7 0 的可靠性标准，刀具寿命可比常规进给条件下刀具寿命提高1 0 0 。 德国的h s c h u l z1 2 】等以刀具倾角及其它切女0 参数为优化参数，以刀 具寿命和表面质量为优化目标，经大量实验( 实验条件：球刀，直径2 0 毫米，单刃) 得出如下结论：复杂的切削参数可用参数矢量表达式计算 虬i 二- _ ；， ! 一 兰 切削对阈 匿1 4 变进给加工策略【2 l f i g 1 4m a c h i n i n gs t r a t e g yo fc h a n g i n gf e e dr a t e1 2 l 并估计，刀刃上钓负载主要由切削轨迹、平