（机械工程专业论文）基于知识的模具高速加工编程技术研究.pdf

浙江_ 【：业人学硕士论文 基于知识的模具高速d 【l - r 编程技术研究 摘要 高速加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，集高效、优质、低 耗于一身，对加工程序提出了更高的要求，基本要求是过渡平滑、负荷稳定。因 而传统的编程方式并不能满足高速d n - r ：的需要，编程人员必须选择合适的编程策 略，进行更多适合高速加工的参数没置。 本课题在分析国内外高速d h i ；编程技术及现状的基础上，从实际应用出发， 对高速加工工艺和高速编程c a m 技术进行研究，提出了一种基于知识的高速加工 编程方法。主要研究内容如下： 1 ) 对高速加j r = 特点与关键技术、模具高速加：1 ：编程技术国内外发展概况进行 综述，并以此为出发点丌展相关研究。 2 ) 进行模具高速加工编程策略的研究，研究了高速加工中刀具选择与切削用 量选择，高速切削的粗d i - r 、半精d n - r - 、精加工中所采用的加工策略与路径规划 方法，以及在c a d c a m 系统中进行加二r 路径的优化。重点分析了不同加工策略 所适用的加工对象形状特征。 3 ) 对模具的特征作了分析，基于d h - r - 特征将模具零件进行分类，为每一加工 特征选择适当的高速加工工艺。在此基础上，将具有代表性的、经过实践验证的 典型结构与典型零件开发为高速加工数控编程模板，从而形成高速加工的知识库 与模板库。 4 ) 创建一个网络化的辅助编程系统，实现交互式输入加工对象的基础特征信 息后，由系统以事例推理方法选择合适的加工工艺，并推荐适用的加工模板。 5 ) 以典型的模具零件作为系统丌发的实验研究，验证本系统的有效性与合理 性。实际应用表明使用基于知谚 的高速加工编程方法可以大幅度提高编程效率与 浙江t 业大学硕十论文 编程质量。 基于知识的模具高速加工辅助编程系统，针对模具零件的不同结构特征，通 过辅助系统选择高速加工工艺，并推荐适用的编程模板，调用相应的程序模板后 对少数切削参数进行相应的修改，便可以创建适于当前零件高速加工的完整数控 程序，可以提高工艺设计及编程的效率与质量，减轻数控加工工艺设计人员的劳 动量，规范模具高速加工的加工工艺规程。 关键词：高速加工，数控编程，知识加工，c a d c a m i i 浙江j ：业人学硕十论文 t e c h n o l o g yr e s e a r c ho nh i g h s p e e d m a c h i n i n gp r o g r a m m i n gf o rm o u l d b a s e do nk n o w l e d g e a b s t r a c t t h eh i g h s p e e dm a c h i n i n gi s v e r yi m p o r t a n ta d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yi nt h em o l dm a n u f a c t u r et h a th a sh i g h l ye f f e c t i v e ，h i g hq u a li t y ， l o wc o n s u m p t i o n h i g h s p e e dc n cm a c h i n i n gp r o c e s sr e q u i r e ss m o o t h t r a n s i t i o n ，s t a b i l i t yo ft h el o a d ，s op r o g r a m m e r sm u s tc h a n g et h es t r a t e g y p r o c e s s ，t h eb e t t e rt os e tt h ep a r a m e t e r so fo p ti o n s t h i sp a p e rs t u d yt h eh i g h s p e e dp r o c e s s i n ga n dt e c h n o l o g yo nt h eb a s i s o fa n a l y z i n gs t a t u sq u oa tt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lh i g h s p e e d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ， a n db r i n gu p a k n o w l e d g e b a s e dh i g h s p e e d p r o c e s s i n gm e t h o do fp r o g r a m m i n gf o rt h ea c t u a lp r o d u c t i o np l a yag u i d i n g r o l e t h em a i nc o n t e n t so ft h es t u d ya r ea sf o ll o w s ： 1 ) t h i sp a p e rs t u d yo nt h eb a s i so fr e v i e w i n gs t a t u sq u oo fm e c h a n i s m o fh i g h s p e e dp r o c e s s i n g ，h i g h s p e e dp r o c e s s i n go fk e yt e c h n o l o g i e s ， h i g h s p e e dm o l dp r o g r a m m i n ga th o m ea n da b r o a d 2 ) t h em o l dh i g h - s p e e dm a c h i n i n gp r o g r a m m i n gs t r a t e g yi s s t u d i e di n t h ec a d c a ms y s t e m f o re x a m p l e ，h o wt oc h o o s et h em e t h o do fh i g h s p e e d c u t t i n g ，c u t t i n gp a r a m e t e r s ，t o o l s ，p a t hp l a n n i n go fh i g h s p e e dc u t t i n g o fr o u g h i n g ，s e m i f i n i s h i n g ，f i n i s h i n g 3 ) t h isp a p e rc r e a t et e m p l a t e s ，d e c o m p o s et h ep a r t s ，c h o o s et h em o s t s u i t a b l eh i g h - s p e e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y f o re a c hf e a t u r e ，d e s i g n p r o c e s s i n gm e t h o d sf o rt h et y p i c a lp a r t so nt h eb a s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c s i i i 浙江j ：业人学硕十论文 o ft h ep r o c e s s i n gp r o g r a m t h et e m p l a t e so fh i g h s p e e dp r o c e s s i n gp r o g r a m a r ec r e a t e do nt h ee x p e r i e n c eo fm a n ye x p e r t s 4 ) an e t w o r kp r o g r a m m i n gs y s t e mi sc r e a t e d w h e ni n p u t t i n gt h e i n f o r m a t i o n ，t h es y s t e mc h o o s e sa u t o m a t i c a l l yt e m p l a t e sa c c o r d i n gt ot h e c a s e b a s e dr e a s o nin ga p p r o a c h 5 ) t h es y s t e mi sv e r i f i e dt h ee f f e c t i v e n e s sa n dr a t i o n a l i t yb yt h e t y p i c a lm o l dp a r t s p r a c t i c a la p p li c a ti o ns h o w st h a tt h es y s t e mc a n d r a m a t i c a l l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o g r a m m i n ga n d t h eq u a l i t yo f p r o g r a m m in g k e y w o r d s ：h i g h s p e e dm a c h i n i n g ，n cp r o g r a m m i n g ，c a d c a m ， m a c h i n i n gb a s e do nk n o w l e d g e 浙江i ：业人学硕十论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 2 奠 日期：砌缉夕月；9 日作者签名： z 谚 日期：砌烊夕月；9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据崩；进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 11 五侈幺 面移 ， 日期：力诉 日期：年 o 月d 日 月日 浙江j ：业人学硕f ：学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 高速加工h s m ( h i g hs p e e dm a c h i n i n g ) ，也称为高速切削h s c ( h i g hs p e e d c u t t i n g ) 是近年内迅速崛起的先进制造技术，它的出现极大地提高了生产率和推 动了制造业的发展，并成为模具制造中最为重要的一项先进制造技术。它采用高 转速、高进给、低切削深度加工，可以获得较佳的表面质量、较高的尺寸和形位 精度。采用高速切削可以取代电加工和磨削抛光的工序，大幅度减少电加工时问 与钳工的打磨抛光型2 1 。相对于普通切削而言，采用高速切削技术可使单位时间内 的材料切除率提高3 5 倍甚至更高，同时加工成本可降低2 0 5 0 ，加工精度 和加工表面质量可提高1 - - 2 纠3 1 。高速切削技术在模具制造中应用，可以大大缩 短工艺流程、缩短制造周期，从而提高市场竞争力。 高速加工的编程并非简单地将原先的n c 程序中的主轴转速与进给量加大，而 是提出了更高的要求，其基本要求是过渡平滑、负荷稳定。编程人员必须改变加 工策略，以创建有效、精确、安全的刀具路径，从而发挥高速切削的最大效益。 现有的c a d c a m 系统主要是提供一个叮以进行数控编程的人机交互式工具， 并且提供了对高速加工编程的支持，但需要进行相对繁烦的参数设置。同时由于 系统没有针对零件的特征信息提供一套计算机辅助的机制对数控力h - r _ 的工艺设计 进行指导，就需要数控人员对每一加工零件进行高速加工的工艺设置与参数设置， 包括加工工艺方式、走刀方式、加工参数的选择。由于个人经验的局限性，往往 不能顾及各方面因素来最优化工艺路线与参数，从而不能发挥高速加工机床的最 佳性能。 为了克服上述弱点，本课题主要研究了在模具的高速加工数控编程中汇集数 控加工工艺专家智慧，并且充分利用这些数控加工工艺知识，在此基础上基于 c a d c a m 软件平台开发模具数控编程模板；并且丌发一个基于实例推理的辅助系 统用于选择合适的高速加工工艺与编程模板。针对不同结构特征的零件数控加工， 通过编程辅助系统选择高速加工工艺，推荐使用的编程模板，在c a d c a m 系统 浙江i ：业人学硕十学位论文 中调用编程模板后只对少数切削参数进行相应的修改，或者无需修改，便可以进 行运算生成适合实际应用的加工工艺与数控程序，以提高工艺设计及编程的效率 与质量，减轻数控加工工艺设计人员的劳动量，规范数控加工工艺规程。 1 2 高速加工技术的特点与关键技术 1 2 1 高速加工的特点1 4 , 5 , 6 由于切削速度的大幅度提高，高速加工最明显的效益是提高了切削加工的生 产率，采用高速加工技术能使整体加工效率提高几倍乃至几十倍。但是高速力h - r _ 不只是提升加工速度，和常规切削比高速切削同时还具有以下优势： 1 能获得很高的加工效率 切削时问的多少取决于进给速度或进给量的大小。很显然，若保持进给速度 与切削速度的比值不变，随切削速度的提高切削时间将迅速减少。高速加工虽然 切削深度和厚度小，但由于主轴转速高，进给速度快，因此使单位时间内的金属 切除量反而增加了，由此加工效率也提高了。通常使用高速加工中心进行铣削加 工时，其主轴转速在1 5 0 0 0 r m i n 以上，进给率在3 0 0 0 m r n m i n 以上，是普通铣削 转速的几十倍乃至数百倍，加工效率自然远远高于普通铣削加工。 2 能获得较高的加工精度 由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数芒减小，切削力降 低。在加工过程中，切削力的降低对减小振动和偏差非常莺要。这使工件在切削 过程的受力变形显著减小，有利于提高加工精度。同时加工时可将粗加工、半精 加工、精加工合为一体，全部在一台机床上完成，减少了机床台数，避免由于多 次装夹使精度产生误差。特别对于大型框架件、薄板件、薄壁槽形件的高精度高 效加工，高速铣削是很有效的方法。同时当前使用的高速加工机床以及高速加工 刀具相对而言都具有更高的精度。 3 能获得较低的表面粗糙度 高速切削的力值及其变化幅度小，与主轴转速有关的激振频率也远远高于切 削工艺系统的高阶固有频率，因此切削振动对加工质量的影响很小。另一方面， 浙江一i ：业人学硕十学位论文 高速切削即使采用较小的进给量，仍能获得很高的加工效率，表面粗糙度却得以 极大的改善。 除此之外，高速加工还能获得较高的加工表面完整性，能耗低、节省制造资 源，便于生产管理等特点。 1 2 2 高速切削机床 实现高速加工的首要条件之一是要有性能优良的高速机床。目前高速加工中 心的最高转速己达6 0 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 r m i n ，主轴功率达1 5 8 0 k w ，快速行程和进给 速度已达3 0 1 2 0 m m i n l 7 1 。在j j n - r _ 过程中，机床的工作行程一般只有几毫米到几百 毫米，在这样短的行程中要实现稳定的高速加工，除了要有高的进给速度外，还 要求进给系统有很高的加( 减) 速度，其范围高达1 9 至1 0 9 ，以尽量缩短启动、变速、 停止的过渡时间，实现平稳的高速切削。 高速机床技术主要包括以下几个单元：( 1 ) 高速主轴单元；( 2 ) c n c 控制系 统；( 3 ) 高速进给系统；( 4 ) 床身、立柱和工作台；( 5 ) 切屑处理和冷却系统。 实现高转速、高进给、高加减速的最关键部分是高速主轴单元与高速进给系统。 1 高速电主轴【8 1 0 】 高速数控机床要求主轴高速工作时，尽量扩大主轴恒功率的工作范围，缩短 主轴的加减速时间和定位时间，实现高速、高精度控制。另外，高速数控机床要 求主轴的刚度要高、转速波动要小、发热量要小、定位精度要高、稳定性要好。 为了达到上述要求，理论上电动机与主轴之问的连接不能有任何机械传动机构( 如 齿轮传动、皮带传动等) ，只能采用电动机与主轴直接连接驱动的方式，从而把机 床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主 轴“合二为一”的传动结构形式，称为“电主轴”。电主轴与传统的皮带和齿轮传 动机构相比，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、响应性能好，并可避免振动和噪 声的干扰，精度高( 径向跳动可达2 um ，轴向跳动可达1pm ) 等特点，是高速 主轴单元的理想结构。 2 直线电机进给驱动系统 1 1 , 1 2 】 高速进给系统是高速加工机床极其重要的组成部份，对它的设计要求，首先 应当是能提供高速切削时所要求的高的进给快移速度和加减速度；其次是应具有 浙江t 业人学硕十学位论文 所要求的调速宽度和轨迹跟踪精度；同时还应有很好承受动、静载简的能力和刚 度，从而保证高速加工应有的效率和质量。高速进给运动的传动方式，目前广为 应用的主要有两种：一种是回转伺服电机通过滚珠丝杠的间接传动，另一种是采 用直线电机直接驱动。 伺服旋转电机+ 滚珠丝杠是一种传统的常用的进给驱动方式，受其结构的限制 ( 刚度低、惯量大、非线性严重、加工精度低、传动效率低、结果不紧凑等) ，采 用先进的液压丝杠轴承，其加速度最高可达l g ，进给速度可达4 0 6 0 m m i n 。 直线电机驱动实现了无接触直接驱动方式，无扭曲变形，避免了滚珠丝杆传 动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，可获得高精度的高速度移动 少，具有极好的稳定性。在效率、精度和实用性方面，机床制造达到了应用传统 滚珠丝杠所无法达到的水平。采用直线电机的加工中心移动速度高达1 2 0 m m i n ， 加速度高达2 9 ，机床的动态性能有明显提高。表1 1 列出了直线电机高速进给单 元与滚珠丝杠进给系统的性能比较。 表1 - 1 直线电机高速进给单元与滚珠丝杠进给系统的性能比较 滚珠丝杠 直线电机高速进给单冗 性能比较 进给系统 现状展望 最高速度( r n s ) 0 6 7 23 4 最高加速度( g ) o 5 l1 1 52 1 0 静态刚度( n ) 8 8 1 6 76 9 2 6 5 静态刚度( n ) 8 8 1 6 71 5 7 2 0 6 稳定时间( m s ) 1 0 01 0 1 2 最大进给力( n ) 2 6 7 0 09 0 0 01 5 0 0 0 工作可靠性( h )6 0 0 0 10 0 0 05 0 0 0 0 1 2 3 高速切削刀具系统 高速加工的刀具系统是由装夹刀柄与切削刀具所组成。刀具系统的装央刀柄 与机床接口相配，切削刀具直接加工被加工零件。在主轴转速大幅度提高后，高 速加工对于整个刀具系统提出了更高的要求，不仅要求切削刀具具有很高的刚性、 安全性、柔性、动平衡特性和操作方便性，而且对刀具系统与机床接口的连接刚 4 浙江t 业人学硕十学位论文 度、精度以及刀柄对刀具的央持力与央持精度等都提出了很高的要求。传统刀具 系统已不能满足高速切削加工的需要，因而必须研究丌发适宜高速切削加工的刀 具系统。 1 刀具材料 高速切削刀具和普通加工的刀具有很大不同。目前国内外用于高速切削的刀 具材料主要有：t i c ( n ) 基硬质合金( 也称为金属陶瓷) 、硬质合金涂层刀具、陶瓷刀 具、聚晶金刚石( p c d ) 和立方氮化硼( c b n ) 等。它们各有优点，高速切削用刀具材 料必须根据所加工的工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷刀具、t i c ( n ) 合金、涂层刀具及p c b n 刀具适合于加工钢铁等黑色金属的高速加工：而p c d 刀 具适合于对铝、镁、铜等有色金属高速i j i j 3 - t 1 3 14 1 。表1 2 列出了上述刀具材料所 适合加工的一些工件材料。 表1 2 各种刀具所适合加t 的t 什材料 耐热镍基高高硅 f r p 复 刀具 高硬度钛合金铸铁纯钢 合金温合金铝合金合材料 涂层硬质合金 o t i c ( n ) 基硬质合金 陶瓷刀具 p c b noo p c d 注：优，。一良，一尚可，一不合适 对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具结合了基体 高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐磨性而不降低 其韧性。涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的 经济效益。涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合 物，使刀具既有较高的韧性，又具有很高的硬度和耐磨性，涂层刀具的寿命比未 涂层的刀具要高2 一- 5 倍。在高速加工中使用的绝大部分刀具都是涂层刀具。近1 0 年来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟【l 5 。 2 刀具一刀柄接口技术 浙江。l ：业人学硕十学位论文 随着数控机床的普及应用和切削加工向高速、高精度方向发展，对带柄刀具 的夹紧系统提出很高的要求，传统的使用弹簧央头进行刀具央紧方法已不能适应 新的要求。如果刀柄对刀具夹持不牢固，轻则降低加工精度，重则导致刀具及工 件损坏，甚至引发安全事故。为此，近些年来国外相继丌发了一些央紧精度高、 传递扭矩大、结构对称性好、外形尺寸小的新型刀具央头【l6 1 。 ( 1 ) 热缩式夹头利用刀柄装刀孔热胀冷缩使刀具可靠央紧。在央头加热处 于膨胀状态时，将刀具柄部插入，夹头冷却收缩后，即可将刀具夹紧。如图1 1 所示，它是一种无央紧元件的夹头，结构简单对称、夹紧力大，应用非常广泛。 其 整器 紧褰 整螺钉 图1 1 热缩夹头刀柄 ( 2 ) 高精度静压膨胀式央头静压膨胀式刀具夹头的结构如图1 2 所示，它在 央头主体与装央孔的膨胀壁之间做了一个环形封闭油腔，油腔内充满了专用液压 油。它可以将油压均匀地传递到密闭油腔的每个部分，油腔内的油同时还增加结 构阻尼，改善夹头的动力学特性，对减小振动、提高加工质量具有显著的效果。 装夹孔的膨胀壁具有很好的弹性，它是经过精确计算而设定的，能在油压达到设 定值时产生需要的膨胀量。装夹孔内壁上制有环槽，在央紧时它可以容纳装央孔 内壁和被央刀具之间的残余润滑物，保持装央孔壁的清洁和干燥，保证扭矩的可 靠传递。通过用内六角扳手拧紧加压螺栓，提高油腔内的油压，那么封闭油腔中 6 浙让1 ) l k 人学硕+ 学位论文 的每个部分都会受到相同的压力，使油腔的内壁均匀而对称地向轴线方向膨胀而 夹紧刀具：当松开加压螺栓时油腔内油压回落，装必孔内壁在弹性回复力的作 用下回复到原始卣径而松开川具。该央头央持精度极高，其径向跳动小于3 p m 。 加压蒜蝗 刀具 蚓i - 2 静，f 、膨胀式夹头 ( 3 ) 应力锁紧式刀具夹头该夹头利用夹头本身的变形力央紧刀具，其工作 原理如图i 一3 所示，其夹持孔具有特殊的几何形状，在原始状态下刀具无法插入 央持孔内。安装刀具时，使用专用加载器对央持段从外部加压，将夹持孔爪成同 孔，此时可以将刀杆顺利地插入央持孔内，然后松丌加载器，撤掉外部载荷兴 持孔将试图回复到原始状态，但由于央持孔内此时已有刀丰t 使其尢法复原，于是 刀杆就被强大的弹性回复力央紧。泼央头具有结构紧凑、定位精度高( 可达3 p r o 以下) r 对称、刀具装央简单等特点。 图1 - 3 心力锁紧式刀具 l 头i 作原理不意 3 刀具一机床接口技术 浙江i ：业人学硕f ：学位论文 在常规的数控切削中，传统的b t 工具系统占据了十分重要的地位。b t 刀柄 的锥度为7 ：2 4 ，转速在1 0 0 0 0 r m i n 左右时，刀柄与主轴系统还不会出现明显的变 形，但当主轴从1 0 0 0 0 r m i n 升高到2 0 0 0 0 r m i n 时，由于离心力的作用，主轴系统 的端部将出现较大变形，其径向跳动急剧增加，刀柄与主轴锥孔问将出现明显的 间隙，严重影响刀具的切削特性【r 7 1 ，因此b t 刀柄一般不能用于高速切削。 高速加工中应用的刀柄采用在主轴内孔锥面和端面同时定位的新型连接方式 一两面约束过定位央持系统。两面约束夹持系统具有重复定位精度高、动静刚度 高等一系列优点，可满足高速加工的要求。目前，该系统主要有短锥柄和7 ：2 4 长 锥柄两种形式，具有代表性的有h s k 、k m 、n c 5 、b i g p l u s 等几种【1 8 j 。 h s k 刀柄是当前应用最广泛的高速加工工具系统，由德国阿亨工业大学机床 研究所研制。其结构特点是空心、薄壁、短锥，锥度为1 ：1 0 。端面与锥面同时定 位、夹紧，刀柄在主轴中的定位为过定位，使用由内向外的外涨式央紧机构。h s k 工具系统具有定位精度高，静、动态刚度高，尺寸小、重量轻、结构紧凑等优点。 根据d i n 标准，h s k 工具系统有a 、b 、c 、d 、e 、f 等6 种型号，总共有 3 5 个规格【1 8 t1 9 1 。不同型号所允许的规格范围也有所不同，h s k 4 0 a 、h s k 4 0 e 、 h s k 6 3 e 的极限转速可达到4 2 ，0 0 0 r m i n 、5 5 ，0 0 0 r m i n 、3 2 ，5 0 0 r m i n 。a c e 和b d f 型刀柄主要的差别在于驱动槽的位置、换刀时抓央的位置、冷却液通道以及法兰 面的面积大小。如a 型是由锥柄端面的两个驱动键槽传动扭矩、法兰上带有两个 用于刀库的键槽与定位槽，而且通过中心和轴向冷却管路供应冷却液，适用于自 动换刀的机床。目前使用最广泛的是h s k a 与h s k e 型，如图1 4 所示为a 型 h s k 刀柄的基本结构。 图1 4h s k 刀柄 浙江：i ：业人学硕士学位论文 1 2 4 高速编程c a m 软件 在高速数控机床上加工时，特别是模具等单件生产的零件，其数控编程是一 项繁重的工作，编程质量在很大程度上决定了加工质量。影响编程质量的主要因 素有加工工艺路线、刀具类型、切削用量、转角清根的处理以及加工精度与过切 的检查等。其中工艺路线规划是影响制造质量的最主要因素，因此使用c a d c a m 软件进行编程时，作出合理的路径规划是非常重要的。当前主流的c a d c a m 软 件都对高速加工的编程提供了其独有的支持，为高速加工提供专门的策略【2 0 , 2 1 , 2 2 】， 主要包括有：层切中的摆线切削、粗加工时基于残余毛坯的二次开粗、角落加工 的圆角处理以及智能加减速控制、刀具轨迹的光滑连接与平稳过渡等。 1 3 课题背景及国内外研究现状 1 3 1 模具高速加工的编程 当前产品的形状同趋复杂，自由曲面所占比例不断增加，产品更新周期在不 断缩短，因此对模具制造提出了更高要求，即不仅应保证高的制造精度和表面质 量，而且要追求加工表面的美观，同时要求要尽可能短的时问内完成，高速加工 技术已越来越多地应用于模具的制造加工。通过调研获悉当前大部分模具企业的 高速加工编程仍沿用传统的编程方法，编程人员对于高速加工编程时的工艺规划 缺乏深入的理解，给企业的生产和技术进步造成了很大的掣肘，是阻碍高速切削 技术在模具制造业中推广应用的主要问题之一。 应用c a d c a m 进行数控编程，编程人员需要根据被加工零件的结构特征、 材质等条件，确定加工零件的设备、刀具、切削用量及加工路径等参数，然后生 成g 代码程序，传输到机床进行数控加工。常规的工作流程如图1 5 所剩2 3 j 。 可以看出，数控编程是一种对于技术和经验要求都很高的一项工作。要编制 一个高质量的程序，首先要对高速加工的工艺设计有相当程度的理解，而由于高 速加工是一项全新发展技术，导致编程人员的匮乏。 在编程过程中需要进行加工对象参数、切削方式选择、刀具及机械参数、加 工程序参数等大量的选项设置，导致编程效率低下，同时错误几率也急剧放大。 9 浙江j i ：业人学硕士学位论文 状得c a d 模型 上 加i ：对象设置 上 切削方式设置 0 刀具及机械参数设置 j r 加t 程膨参数设镡 。- - 一一一一。j r - - - - - - - 刀轨汁算 上 检夼校验 山 后置处理 图1 5 数控编程的一般1 ：作流程 1 3 2 高速加工编程技术的研究进展 随着高速加工技术的迅猛发展和应用的推广，对于高速加工编程技术的研究， 特别是对于高速力n - r _ 的编程工艺以及如何实现快速的编程已成为众多研究机构研 究的热点。 为了简化编程以及实现编程技术的标准化，d s o u z a 等人【2 4 1 提出了一种在2 5 d 型腔加工中基于最小瓶颈宽度的刀具选择方法。ds o u z a 等人【2 ”随后又将该理论 延伸到三维自由曲面型腔加工中，把三维自由曲面型腔当成一系列具有相同厚度 和平底面的片体。通过这一研究结果，可以帮助选择合适的刀具用于特定形状工 件的数控加工。 近年来国外对高速切削工艺进行了较深入的研究，并建立高速切削数据库， 成为机械制造业提供合理或优化的切削数据是提高加工精度、表面质量和加工效 率的最有效措施之一。当前切削数据库的研究重点以专业性为主，大多具有很强 的针对性。在此期间的研究成果大量涌现，如k j f e m a n d e s 等人【2 6 1 利用面向对象 技术研究了集成刀具选择系统i t s s ，实现了在c i m 环境中按照加工精度、表面粗 糙度、加工成本等用户要求由计算机完成对不同工件选用相应车削刀具的功能， 克n t 以往靠操作者经验选择带来的偏差和不一致性；a k a l d o s 等a t 2 7 1 利用计算 l o 浙江- t 业大学硕十学位论文 机辅助技术研究了高速铣削加工中的工艺参数优化问题，这些都是建立切削数据 库必须要解决的问题。 另外随着c a d c a m 软件功能进一步加强，对于基于知识的加工以及基于特 征的加工方面的研究也出现了一些成果。如j a m j i s h a n 等人【2 8 】通过特征识别技 术识别出加工特征，并提取特征的加工信息，接着进行工艺规划，最后基于i d e a s 实现了原型系统。他们的系统在一定程度上实现了n c 代码生成的自动化，但是离 实际应用还有距离。 为了解决模具高速加工编程问题，国内有多个机构对模具高速加工进行研究， 戴丽玲【2 9 】等结合昆明云内动力股份有限公司高速加工柔性生产线的建设与应用， 设计开发高速切削工艺数据库，实现具备查询功能的高速切削数据库系统框架的 构建和部分功能的丌发。苏艳红【3 0 】等通过分析传统模具制造系统中存在的问题， 提出了基于高速切削加工技术的现代模具制造系统的体系结构，并研究了高速切 削技术中的关键技术及应用条件，并提出了在模具制造中应用高速切削技术的部 分注意要点。陈晓曦【3 1 1 对铝合金零件的高速加工工艺及工艺参数进行了分析和实 验研究，确定了影响加工零件表面粗糙度的因素，给出了适宜的加工轨迹规划策 略和加工参数。李芳华f 3 2 】、冯长林吲分别应用u g 与p o w e r m i l l 进行了汽车覆盖 件模具数控加工工艺模板开发来实现汽车覆盖件模具标准化快速数控编程。 当前国内外高速加工技术的关键技术研究已取得了一定的成果。对于高速加 工的编程研究主要集中在切削用量等工艺参数的研究之上，而对于编程中面向具 体应用层面的研究则相对匮乏，具体到有针对性的包括实际的刀具路径规划以及 实现快速编程的研究相对较少。另外对于如何应用原有的知识来进行辅助编程也 缺少深入的研究，而这些应用技术j 下是目前模具制造企业所急需的。 1 4 课题来源与研究的主要内容 本课题是来自于企业的实际需求，台州x x 模具企业购置了两台高速数控加 工中心。由于高水平的编程人员缺乏，编程效率较低，造成了实际生产中因为机 床等待程序而停机，导致延误生产的情况；编程人员在编程考虑不够周全，从而 不能做出j 下确的工艺选择，严重影响加工质量；另外，由于某些编程“新手”的 熟练程度不足，编程时错误设置参数造成刀具与工件的损失。种种不利现象导致 浙江t 业人学硕十学位论文 了以高昂的代价购买的设置不能发挥其应有的效益。 本课题在分析国内外高速加工技术及现状的基础上，从实际应用出发，对高 速加工工艺和高速加工c a m 技术进行研究，并提出一种基于知识的高速加工编程 方法，以期对实际生产起到一定的指导作用。主要研究内容如下： 1 ) 对高速加工的特点、高速加工编程技术国内外发展概况进行综述，并以此 为出发点开展相关研究。 2 ) 进行高速切削加工编程策略研究，包括切削用量的选择与切削参数设置， 以及高速切削的粗加工、半精加工、精加工的路径规划，并介绍不同的形状特征 所应采用的加工策略。 3 ) 对加工零件进行基于加工特征的分类，为每一特征选择最合适的高速加工 工艺，为典型零件创建高速加工的加工链，形成高速加工的知识库。在此基础上 应用c a d c a m 的编程模板功能，创建对应的模板。 4 ) 创建一个网络化的辅助编程系统，输入加工对象的基础特征信息后，由系 统以事例推理方法选择合适的加工工艺方式，推荐选择适用的加工模板。 5 ) 以典型的模具零件作为系统开发的实验研究，验证其有效性与合理性。 论文共分六章，第一章简要介绍高速加工的特点与关键技术，并指出本文的 主要内容；第二章讨论高速切削加工的编程策略问题，对高速切削加工与普通数 控加工的区别，切削用量的选择，粗加工、半精加工与精加工的加工策略以及路 径优化进行研究；第三章研究了基于特征的数控加工模板集的建立，建立模具高 速加工的知识库，结合知识库应用c i m a t r o ne 软件创建程序模板与轨迹模板。第 四章开发了一个网络化的辅助编程专家系统，可以实现输入模具零件的结构特点 及要求，由系统辅助选择模板；第五章以一个典型模具型腔为例介绍了基于知识 的高速加工编程系统的应用与编程全过程，并以实际加工作验证；第六章对全文 的研究成果进行了总结，并对进一步研究方向给出了展望。 1 2 浙江i ：业人学硕卜学位论文 2 1 引言 第2 章模具高速加工编程策略研究 数控高速切削加工从概念和应用上讲，仍然属于数控加工的范畴，但是高速 切削与普通数控加工不同，具有其独特的性质，对于数控加工的刀具路径与切削 用量等都与普通数控加工有很大的差别，所以对c a m 系统的要求也更高，现有的 主流c a m 软件，如p o w e r m i l l 、m a s t e r c a m 、u gn x 、c i m a t r o n 等都提供了高 速铣削刀具轨迹策略【2 0 _ 2 1 ，2 2 1 。 普通数控加工中，高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程。而在高速 切削中，采用高转速、小切深、快进给，则会更为有利。高速加工并不是简单地 将原有的普通切削加工工艺以高的主轴转速和快速的进给速度来运行。相对于传 统的数控编程而言，高速加工要求刀具路径平顺、切削负荷稳定、切削效率更高， 并且要求刀路必须有很高的安全性，因而要求在c a m 编程时必须考虑这些特定的 工艺要求。 在c a d c a m 软件系统中，针对工件高速铣削不同的加工要求需要选择合适 的加工工艺方式，并可以进行针对性的高速加工的参数设罱。通过合理的设置， 创建适合高速的数控程序可以最大限度地发挥机床的效益。 2 2 高速加工的刀具选择 2 2 1 刀具形式选择 高速铣削刀具分为整体式和机夹式两类。小直径铣刀一般为整体式，而大直 径铣刀采用机央式。高转速机床对刀具直径有一定限制，整体式高速铣刀在出厂 时经过动平衡检验，使用时比较方便，模具精加工时一般使用整体式的高速铣刀。 而机夹式需要在每次装夹刀片后进行动平衡，机床在转速比较低、能提供较大扭 矩时可采用机夹式铣刀，通常用于粗加工或者顶部平面的加工。 铣刀节距定义为相邻两个刀齿问的周向距离，受铣刀刀齿数影响。短节距意 味着较多的刀齿和中等的容屑空间，允许高的金属去除率。一般用于铸铁铣削和 13 浙江t 业人学硕十学位论文 中等负荷铣削钢件，通常作为高速铣刀首选。大节距铣刀齿数较少，容屑空间大， 常用于钢的粗加工和精加工，以及容易发生振动的场合。 选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。刀具直径的 选用主要取决于设备的规格和工件的加工尺寸，还需要考虑刀具所需功率应在机 床功率范围之内。 2 2 2 刀具形状选择 在模具的高速加工中，由于单件生产，因此要使用通用刀具。在刀具中，加 工中心上用的立铣刀主要有三种形式：球头刀( r = d 2 ) ，平底端铣刀( r - o ) 和 圆角刀( r d 2 ) ( 俗称“牛鼻刀”或“圆鼻刀”) ，其中d 为刀具的直径、r 为刀 尖圆角半径。某些刀具还带有一定的锥度a 。 1 粗加工的刀具选择 在高速加工的粗加工中，最好的选择是圆角刀。平底立铣刀在切削时刀尖部 位由于流屑干涉，切屑变形大，同时有效切削刃长度最短，导致刀尖受力大、切 削温度高，导致快速磨损。而球头立铣刀由于其有效的切削区域小，只能以很小 的步距行进，加工效率较低。圆角立铣刀在加工时只有局部受力，铣削力明显小 于平底立铣刀，同时在轴向切深较小时铣削力迅速下降，并且保持了较高的切削 效率。使用可转位的圆角刀，还可以将刀片进行多个角度的使用，从而大幅度降 低刀具费用。 2 精加工的刀具选择 模具精加工时，如果加工面是曲面，并且采用投影方式进行加工时，通常选 择球头立铣刀进行精加工，可以获得较高的精度并保证各个部位加工到位。采用 层切方式加工时，也可以选择圆角立铣刀或者平底立铣刀进行精加工。 2 3 高速加工的切削用量 切削用量主要包括切削速度、进给量和切削深度。高速切削加工的切削用量 将决定加工工件的力h - r _ 精度、表面粗糙度与加工效率。在切削用量确定时需要综 合考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同材 料时，切削用量会有很大差异。切削参数的合理选取能避免埘高速机主轴的损伤 1 4 浙江1 ：业人学硕十学位论文 和高速切削刀具的无效损耗，进而最大限度地发挥高速机床的效率。 2 3 1 主轴转速 高速加工的基本概念就是高转速，但究竟多高的转速才是合理的呢? 主轴转 速对切削参数的选择一般遵循以下原则： 主轴转速是与刀具及加工材料密切相关的，需要根据切削速度v c 来选定。计 算公式为： n = v 。x1 0 0 0 ( 丌d 。) ( 2 - 1 ) 式中：n 为转速，单位是r m i n ；v 。为切削线速度，单位为m m i n ；d 。为刀具 直径( m m ) 。 在高速) j n - v 中使用球头刀时要作一些调整，球头铣刀的计算直径d 。f r 要小于铣 刀直径d 。，故其实际转速不应按铣刀直径d 。计算，而应按计算直径d 。f r 计算。 d 。f f = ( d 。2 ( d 。2 a p ) 2 ) o 5 ( 2 2 ) 式中：d 。为铣刀直径，a p 为切削深度。而： n = v c x1 0 0 0 ( 丌d 。仃) ( 2 - 3 ) 提高v 。值也是提高生产率的一个有效措施，但v 。与刀具耐用度的关系比较密 切。随着v 。的增大，刀具耐用度急剧下降，故v 。的选择主要取决于刀具耐用度。 切削速度v 。值还要根据工件的材料硬度来做适当的调整，表2 1 所列是某品牌刀 具对于工件材料的硬度值与标准值之间修f 系数3 4 1 。例如用某硬质合金立铣刀铣 削合会刚时，v 。可采用2 0 0 m m i n 左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，v 。可 选1 2 0 0 m m i n 以上。 表2 1 某刀具的切削线速度与硬度变化修正系数 硬度减少的硬度值增加的硬度值 材料 h b一6 04 02 00+ 2 0+ 4 0+ 6 0+ 8 0+ 1 0 0 钢材 1 8 01 4 41 2 51 1 ll0 9 l0 8 4o 7 7 0 7 2 0 6 7 2 3 2 切削进给速度 1 切削进给的计算 切削进给是指机床工作台在作插位时的进给速度v f ，v f 的单位为m m m i n 。 v f 应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。v f 的增 浙江1 3 j k 人学硕f ：学位论文 加也可以提高生产效率，但是刀具的耐用度也会降低。加工表面粗糙度要求低时， 巧可选择得大些。进给速度可以按公式进行计算： 吩2n x z x f z ( 2 4 ) 式中，巧表示工作台进给量，单位为m m m i n 。 n 表示主轴转速：单位为转分。 z 表示刀具齿数：单位为齿。 乒表示进给量：单位为m m 齿，力值由刀具供应商提供。 2 不同工作状态下的进给 在高速加工的数控编程中，还应考虑在不同情形下选择不同的进给速度。如 空运行、初始切削时、转弯时其切削状态将发生变化，导致切削负荷突变，产生 类似于冲击的运动，对机床与刀具都极其不利，此时应该以相对较慢的速度进给。 通常高速加工的状态可以分为以下几种： ( 1 ) 快速：快速选项用于设置快速运动时的进给，即从刀具起始点到下一个 前进点的移动速度。 ( 2 ) 逼近：逼近选项用于设置接近速度，即刀具从起刀点到进刀点的进给速 度。在平面铣或型腔铣中，接近速度控制刀具从一个切削层到下一个切削层的移 动速度。而在表面轮廓铣中，接近速度控制刀具作进刀运动前的进给速度。 ( 3 ) 进刀：进用选项用于设