（机械制造及其自动化专业论文）饮料瓶吹塑模具五轴联动高速铣削工艺优化及数控编程.pdf

曰浯六号 摘要 摘要 本文结合饮料瓶吹塑模具五轴联动高速铣削工艺优化及数控编程的课题内容，首先对相 关的高速切削技术、五轴联动高速切削机床、c a d c a m 数控编程技术的特点和主要内容作 了简要介绍。 其次，对高速切削条件下多轴加工中工艺路线的安排、刀具的选用、切削用量的选择、 走刀方向、数控编程走刀步长、切削行距、以及进退刀控制等对加：i = 精度、加工表面粗糙度 和加工效率的影响进行了理论分析和计算机仿真实验，从而建立起优化的刀具轨迹和工艺参 数。 最后，对计算机辅助数控编程中通用后置处理器的结构、原理以及在u gn xc a d c a m 软件平台上进行二次开发进行了分析和研究；采用c a d c a m 技术编制了饮料瓶吹塑模具 的数控加工程序，进行了实际加工，表面粗糙度和加工效率获得了预期效果。 关键词：模具：五轴联动：高速铣削：工艺；优化；数控编程 曰胁六学 摘要 a b s t r a c t f i r s t l y ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h eh i g hs p e e dc u t t i n g ( h s c ) t e c h n o l o g i e s ， f i v e - a x i sh i g hs p e e dc u t t i n gm a c h i n e sa sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t e n t so f n u m e r i c a lp r o g r a m m i n go fc a d c a mb a s e d0 f lt h ep r o j e c to fb e v e r a g e sm o u l d p r o c e s so p t i m i z e da n dn u m e r i c a lp r o g r a m m i n go nf i v e a x i sl i n k a g eh i g hs p e e d m i l l i n g s e c o n d l y ，t h i sp a p e ra n a l y s e sa n ds i m u l a t e st h ep r o c e s sa r r a n g e m e n ti nm u l t i p l e a x i s e s ，t h es e l e c t i o no ft h ec u t t e r sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r s ，s t e pl e n g t ho fi n t e r p o l a t i o n i nn u m e r i c a lp r o g r a m m i n g ，t h eb r e a d t ho ft h ec u t t i n gr o w ，c o n t r o li nc u t t e re n g a g i n g a n dr e t r a c t i n g ，w h i c ha f f e c tt h ec u t t i n ge f f i c i e n c y ，c u t t i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c e r o u g h n e s sa sw e l la se s t a b l i s ht h eo p t i m a lc u t t i n gp a t ha n dp r o c e s sp a r a m e t e r s a tl a s t ，t h i sp a p e ra n a l y s e sa n dr e s e a r c h e st h es 仃u c n l r ea n d p r i n c i p l eo fg e n e r a l p o s t - p r o c e s s o r si nc a m 硒w e l la st h en e x td e v e l o p m e n tb a s e do nt h ep l a t f o r mo fu g n x w ep r o g r a mt h en u m e r i c a lc o n t r o lo fb e v e r a g e sm o u l du s i n gt h et e c h n o l o g i e so f c a d c a ma n dm a c h i n et h ew o r k p i e c ep r a c t i c a l l ya n dg e tt h ed a t ao fs u r f a c e r o u g h n e s sa n dc u t t i n ge f f i c i e n c y ，w h i c ha r ef i tt oo u re x p e c t a t i o n k e yw o r d s ：m o u l d ；f i v e a x i sl i n k a g e ；h i 曲s p e e dm i l l i n g ；p r o c e s s ；o p t i m i z e d ； p 浯大学 声明 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 论文中不包括任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 曰浯六号 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及选题依据 某公司在加工饮料瓶吹塑模具过程中，存在着加工件粗糙度高达不到技术要求以及加工 效率偏低等技术问题，随着生产任务的不断增加和产品质量要求的不断提高，需要引入高速 切削技术以降低表面粗糙度和提高加工效率，并向同济大学现代制造技术研究所寻求技术支 持。高速切削作为一种新的技术，目前在国内外的研究中，关于刀具材料、几何角度和耐用 度问题，机床与刀具间的接口技术问题( 刀具的动平衡、扭矩传输) ，高速切削时工艺参数、 刀具轨迹优化问题，特别是在应用多轴数控机床加工自由曲面方面仍有大量的技术难题没有 解决。基于这样的技术背景，结合企业的实际需要，以饮料瓶吹塑模具为加工对象，对高速 铣削工艺及数控编程问题进行理论分析和试切实验，主要目的是寻求高速铣削优化的工艺参 数、刀具轨迹、五轴联动数控编程的方法以及后置处理器的开发途径。 1 2 主要研究任务和内容 重点对高速铣削条件下多轴加工中工艺路线的安排、刀具和工艺参数、刀具轨迹、走刀 步长、铣削行距等对加工质量和工作效率的影响进行研究和比较，从而建立优化的工艺参数 和刀具轨迹；结合所使用的c a d c a m 软件u gn ) ( ，对通用后置处理器的工作原理、结构以及 在此平台上的后置处理器二次开发方法进行研究和实践：采用c a d c a m 技术编制饮料瓶吹塑 模具的数控加工程序并进行实际加工。 ( 1 ) 工艺路线的优化设计。结合具体的零件结构和高速铣削工艺特点，对加工工序的 安排方案进行分析比较和计算机仿真，优化并确定适合研究对象的加工工艺路线。 第1 页共6 9 页 l = ) 胁六学 硕士学位论文 ( 2 ) 刀具和切削用量确定。刀具材料、刀具类型、刀具几何参数，切削速度、进给量、 径向切削深度、轴向切削深度等，都直接影响着加工质量、效率和成本。要求通过分析、 计算，选用刀具和切削用量。 ( 3 ) 刀具轨迹的优化设计，包括对走刀方向和路线的优化。 走刀方向对加工效率和加工质量的影响在生产单位没有引起足够的重视，确定时随意性 比较大。结合具体工件，经过计算分析，要求对走刀方向进行优化设计。为数控编程中的刀 具轨迹设计提供一种比较有效的分析方法。 高速切削加工具有很高的主轴转速和进给速度，如果刀具轨迹中有突然的停止、尖角、 改变方向和不规则的刀具运动都会直接影响加工的质量和刀具寿命。因此，需要在高速切削 等体积切削和平滑刀轨的总体原则上就进刀退刀控制方式和螺旋刀轨对加工质量的影响进 行分析比较，提出设计方案。 ( 4 ) 走刀步长的分析计算。数控加工中走刀步长的长度直接影响到加工精度和效率， 通过分析步长与加工精度的关系，以工件的公差技术要求为约束条件，对步长进行设计计算。 ( 5 ) 切削行距的分析计算。切削行距即两条刀轨之间垂直于刀轴的横向距离。切削行 距的大小直接关系到加工表面的粗糙度和加工效率。在分析切削行距与加工表面粗糙度之间 关系的基础上，以工件表面粗糙度要求为约束条件，对切削行距进行设计计算。 ( 6 ) 五轴联动铣削编程刀具轨迹驱动方法和刀轴矢量的确定。刀具轨迹驱动方法用来 创建刀具轨迹的驱动点，刀轴矢量用于定义固定刀轴与可变刀轴的方向。结合具体工件和 编程工作，对刀具轨迹驱动方法和刀轴矢量的确定进行探讨。 ( 7 ) 基于u gn ) 【c a d c a m 软件平台的计算机辅助数控编程后置处理器二次开发研究。 使用计算机辅助制造编程( c 栅) 软件编制数控程序，其后置处理工作一般由针对专用数控 编程系统和特定机床的专用后置处理器完成。专用后置处理器采用固定的模块化结构，其 后置处理过程固化在模块中，不具备普适性。后置处理经常成为生产单位计算机辅助制造 的瓶颈。在研究中，需要分析计算机辅助制造通用后置处理器的机床特性数据文件生成器、 主控模块以及机床特性数据文件的结构，并对机床特性数据文件的建立方法进行探索。 第2 页共6 9 页 曰浯云学 硕七学位论文 ( 8 ) 采用c a d c a m 技术编制饮料瓶吹塑模具的数控加工程序。从加工精度和执行速度 上分析比较高速切削条件下二次曲线特别是圆弧插补相对于直线插补的优点，并用圆弧插 补方式编制饮料瓶吹塑模具的数控加工程序和进行实际加工，力求在表面粗糙度和加工效 率方面获得较好的效果。 第3 页共6 9 页 p 浯六学 硕士学位论文 第二章五轴联动高速切削及数控编程技术简介 2 i 高速切削技术 2 i 1 高速切削技术的概念 高速切削( h i g hs p e e dc u t t i n g ) 是一个相对的概念。它的定义与切削方式和被加工材 料联系在一起。目前世界各国通常把比普通切削速度高5 1 0 倍以上的切削称为高速切削。 不同的材料高速切削速度的范围不同，对于碳钢为5 0 0 - - 2 0 0 0 m m i n ，灰铸铁为8 0 0 - - 3 0 0 0 m m i n ，铝合金为1 0 0 0 - - 7 0 0 0m m i n ，铜合金为9 0 0 - - 5 0 0 0m m i n ，钛为1 0 0 一1 0 0 0m m i n 。 另外，不同的切削方式高速切削速度的范围也不同，车削为7 0 0 - - 7 0 0 0m m i n ，钻削为1 0 0 1 0 0 0m m i n ，铣削为2 0 0 - - 7 0 0 0m m i n ，磨削为5 0 0 0 一1 0 0 0 0m m i n 。与之相对应的进给 速度为2 2 5m m i n ，甚至达到6 0 8 0m m i n 高速切削与普通切削相比，其机理已发生改变，因此，高速切削不仅具有切削速度高的 特点，同时还有许多自身的优势n 2 1 。 切削效率高。在高速切削中，如果刀具的每齿切削厚度基本不变，进给速度可相应提高 5 一l o 倍，这样的高速切削与普通切削相比，加工单位时间材料切除率可提高3 5 倍。 切削力小。由于切削速度高，使剪切变形区变窄，剪切角增大，变形系数减小和切屑流 出速度加快，从而可使切削变形减小、切削力比普通切削降低3 0 - - 9 0 ，刀具耐用度可提 高7 0 ，特别适合于加工薄壁类刚性差的工件。 热变形小。切削时产生的热量9 0 以上来不及传入工件就被切屑带走，工件温度的上升 不超过3 0 c ，热变形小。 加工精度高。一方面，高速切削过程的激振频率很高，已远远超出“机床一刀具一工件” 第4 页共6 9 页 曰浯六号 硕士学位论文 工艺系统的固有频率( 5 0 - - 3 0 0 h z ) ，故切削过程不易产生振动：另一方面，在高速切削条件 下，单位时间内，铣刀刀齿切削工件的次数增加，达到一定程度后，相当于连续切削加工， 抑制了振动振幅的提高，从而在较高转速下，振动振幅很小，从而使加工精度增高。 2 1 2 高速切削的工艺特点 高速切削工艺与普通切削相比有许多自身的特点h ，5 引。 ( 1 ) 工艺参数特点。普通切削以低转速、大切深、缓进给、单行程为主要特征，而高 速切削以高转速、浅切深、快进给、多行程为主要特征。 ( 2 ) 使用刀具特点。普通铣削多用平头铣刀，而高速铣削多用球头铣刀。这是因为普 通铣削的主轴转速低，球头端铣刀刃口线速度低，导致加工表面粗糙度值高，加工效率低， 所以普通铣削不宜用球头铣刀，常用小直径的平头铣刀代替球头铣刀。高速铣削中，球头铣 刀以较小的铣削行距快速切削，可以获得很高的表面质量，效率也较高。 ( 3 ) 切削路径特点。在铣削加工中，进给速度和进给方向的角度变换直接影响着实际 铣削轨迹与给定轨迹之间的误差，因为在改变方向时刀具或其他运动部件在惯性力的作用下 会偏离给定的轨迹路线，而且这种偏离随着进给速度的提高和方向变换程度增大而上升。在 高速铣削时如不考虑这一因素将会导致加工精度严重下降，另外，突然改变迸给方向会带来 较大的冲击，不仅影响加工质量，而且给设备带来严重的危害。因此，高速切削路径中的刀 轨拐角处，应增加圆弧过渡，使拐角处速度矢量按照方向改变角度最小的方式逐渐变化。过 渡圆弧的半径应大于刀具半径，使切削接触距离小于刀具周长的三分之一，这样可以避免刀 具载荷的急剧变化和温度的升高。 2 2 五轴联动高速切削机床 高速切削技术的实现建立在高性能的高速切削机床之上。自1 9 7 6 年美国v o u g h t 公司 利用b r y a n t 公司提供的电机主轴系统将五轴s u n d s t r a n du m n i m i l l 铣床改造成功率1 5 k w ， 转速1 0 5 0 0 - - 2 0 0 0 0 r m i n 的高速铣床以来，高速切削机床得到了迅猛发展。主轴系统高刚度、 高转速、大功率，进给系统小惯性、优性能、超精密，计算机数控( c n c ) 系统高速度、高 性能，机床床身性能稳定，刀具装夹系统安全可靠是现代高速切削机床的主要特征幢l 8 9 1 。 第5 页共6 9 页 p 胁六号 硕士学位论文 五轴联动机床通过】【、y 、z 三根轴方向的直线进给运动可以保证刀具切到工件上任意坐 标点，同时，通过二根旋转轴的运动，可以随时调整刀具轴线的方向，使铣刀轴线与工件表 面夹角和实际切削速度保持不变，从而可以通过更为灵活地设定刀具轨迹，以满足对工件表 面给定的峰谷深度的要求。其中，当使用球头铣刀加工时，因为总是在半球面上分离切屑， 所以，无论刀具相对工件处于什么方位，分离切屑时刀刃的运动轨迹如何变化，以及由此而 确定的刀刃接触条件和切削几何运动条件如何改变，每次切下的切屑总是具有相同的几何形 状和尺寸，因此，可以通过有目的地改变和确定刀具的方位，来影响切削过程和几何运动参 数，并可从刀具磨损、表面质量和加工过程稳定性等方面入手优化二者n 仉1 1 1 。 表2 一l h e p 瑚l ec1 2 0 0u 五轴铣削加工中心主要技术参数 机床类型 h e r m l ec 1 2 0 0u 五轴铣削加工中心 五轴 xyz c 五轴铣床的结构双转盘结构( 5 一a x i sd u a lt a b l e ) 行程范围( x 卜z ) 1 2 0 0 x 8 0 0 x 6 0 0l l l l l l a1 5 一9 7 0 旋转轴范围 c0 - 一3 6 0 0 主轴功率 2 3k wa t4 0 e d 速度范围 2 0 2 4 0 0 0r p m 最大工作进给速度( 卜y z ) 3 0m m i n 轴加速度 4 m s 2 移动精度 0 0 1 0n l l l l 工作台直径 巾8 0 0i l l l l l 承重1 0 0 0 k g 换刀时间 6 5 s a+ - 8 ” 旋转精度 c + - 8 ” 五轴联动机床的典型结构有三种，一是双摆头结构( 5 a x i sd u a lr o t a r y ) ，即主轴 头带两个旋转自由度，这种机床大多为大型机床，优点是比较灵活，很少发生干涉，且后置 第6 页共6 9 页 l ：) 浯六学 硕士学位论文 处理时出错几率低；缺点是由于结构的原因，尤其是要求某一轴能够3 6 0 。旋转时价格往往 比较昂贵。第二种是单摆头和一个转盘的结构( 5 一a x i sr o t a r y 出l e 瓜0 t a r yh e a d ) ， 主轴头带一个旋转自由度，转盘提供另一旋转自由度。这种机床体型较小，发生干涉较多， 在后置处理时若判断不好容易发生意外，造成工件的铣伤甚至会发生机床碰撞。但这类机床 在加工回转类零件时有着特殊的优势。第三种是双转盘结构( 5 叫x i sd u a l t a b l e ) ，其优 点是价格便宜，加工叶轮类零件有相当的优势，缺点是后置处理出错几率高，很容易发生干 涉1 2 】。后置处理时，机床第四、五轴的参数如两旋转轴之间的距离，旋转轴的旋转精度、 最大旋转速度、角度偏置等都十分重要。 在研究过程中使用的德国造五轴联动高速铣床具有双转盘，可以同时控制x 、y 、z 、a 、 c 轴。其主要技术参数如表2 一l 。 2 3c a d c a m 数控编程技术 目前常用的数控编程方法有手工数控编程和c a d c a m 数控编程两类。对于几何形状复 杂，尤其是需用三轴以上联动加工的空间曲面组成的零件，编程时数值计算繁琐，所需时 间长，且易出错，程序校验困难，用手工编程难以完成。据有关统计表明，对于这样的零 件，编程与机床加工时间之比平均约为3 0 ：1 n 引。为了缩短生产周期，提高数控机床的利用 率，有效解决各种模具及复杂零件的加工问题，必须采用c a d c 麒数控编程。 c a d c a m 数控编程是先利用计算机辅助设计( c a d ) 软件的图形编程功能，将零件的几 何图形绘制到计算机上，形成零件的图形数据文件；然后激活计算机内相应的数控编程模 块，通过工程数据库或网络通讯等技术调用图形数据，由计算机自动对零件加工轨迹的每 一节点进行运算和数学处理，从而生成刀位文件，并同时在计算机上动态地显示刀具轨迹 图形；最后经相应的后置处理( p o s t p r o c e s s i n g ) ，自动生成数控加工程序。c a d c a m 数 控编程使从零件设计到数控加工编程的信息流从“孤岛”成为连续，从而实现了c a d c a m 集 成。目前比较流行的c a d c a m 集成软件有u gn ) ( 、p r o e n g i n e 职、l a s t e r c a m 、c a x a 等。 c a d c a m 数控编程有五大主要步骤：零件图形分析；c a d 几何造型及加工工艺分 析：刀位的计算、刀具轨迹生成及动态仿真；后置处理；数控加工程序输出。如图2 1 所示。 第7 页共6 9 页 曰浯六学 硕士学位论文 图2 - 1c a d c a w 数控编程基本步骤 第8 页共6 9 页 曰浯六学 硕士学位论文 第三章饮料瓶吹塑模具高速铣削工艺分析及优化 优化加工工艺的目标，一是获得良好的加工质量，二是获得较高的切削效率。影响这 两个目标的工艺因素很多，包括工艺路线的安排、刀具材料、刀具类型、刀具几何参数、 切削用量，和刀具轨迹的设计、数控加工走刀步长的大小、切削行距的大小以及进刀与退 刀方式的控制等。下面主要针对这些因素的影响方式和规律进行研究。 3 1 工件分析及c a d 建模 研究对象饮料瓶吹塑模具零件示意图如图3 - 1 。总体尺寸2 0 2 7 4 x 7 8 r a m 。加工区域自 右向左分别为半圆柱面、半圆锥面、半圆柱面和一段由圆弧绕轴线旋转半周而成的曲面， 上面均匀分布着六条螺旋槽，槽的横截面为直径4 m m 的半圆。它们组合成复杂的曲面型腔。 i 2 0 2 5 6 s o捩 雠严i 7一 上 盆 畸 罾 珍壤 叶 心谜1 姥f 卜 浆 &。翟吝 一 毯i n 磊 、 2 ：豇彰 己 3 l 3 基经? 88一s o _ 。鹞一 技术要求： 公差均为3 0 um零件各处形位 瞄i o 删_ q 矗_ 1 - j l i t 耨赢灰囊兵 i | ii 。， - lf l r l t 【- l 1ti，1tl 弼济大学 - i tj h j ， 曰浯六号 硕士学位论文 从技术要求来看，各半圆柱面、半圆锥面、圆弧旋转曲面必须保证同轴度3 0l am ，各曲 面圆度、圆柱度、跳动等形状公差均为3 0l am ，粗糙度凡= 0 4l am 。材料为n a k 8 0 塑模钢， 硬度4 0 h r c 。 c a d c a m 数控编程，首先要通过c a d 绘图方式对所加工零件进行几何建模。采用u gn ) 【 c a d c a m 软件对饮料瓶吹塑模具进行c a d 几何建模的具体方法步骤如下： ( 1 ) 建立新文件w a h a h a p r t ，选取计量单位为m illi m e t e r ； ( 2 ) 进入u gn x - m o d e l i n g 模块； ( 3 ) 用草图方式( s k e t c h ) 创建扫描线串； ( 4 ) 将线串绕坐标轴旋转( r e v o l e d ) ，得到实体特征： ( 5 ) 创建与圆弧旋转曲面相切的基准面( d a t u m ) ； ( 6 ) 在基准面上作螺旋槽导线的展开线，螺旋升角6 0 。； ( 7 ) 将导线向圆弧旋转曲面投射( p r o c j e c t ) ，得到空间的螺旋槽导线( g u i d e ) ； ( 8 ) 过导线端点作于该点处与导线垂直的基准面； ( 9 ) 在该基准面上过导线端点作直径( p 4 m 的圆； ( 1 0 ) 将圆沿着导线扫描( s w e p ta l o n gg u i d e ) ，得到螺旋特征； ( 1 1 ) 通过t r a n s f o r m 将螺旋特征绕x 坐标轴旋转( r o t a t ea b o u tal i n e ) 3 0 。并拷 贝( c o p y ) ，得1 2 个螺旋特征； 型。 ( 1 2 ) 将以上创建的所有特征进行布尔加运算( u n i t e ) ，得实体特征： ( 1 3 ) 创建2 0 2 7 4 7 8 的长方体： ( 1 4 ) 将长方体与第十二步创建的实体进行布尔减运算，得到饮料瓶吹塑模具几何模 第l o 页共6 9 页 弁士学 硕士学位论 ：料瓶吹塑摸具3 维几何模型如图32 所示 圈32戗料瓶畦塑模具3 维几何攥型 晰该零件的结构可以看出，旋转型腔面可用车s 恂工或者三轴联动固定轴铣削。 l 要求采用后者固定轴铣削时刀具轴线的方向不可改变，当刀具轴线与被加 i 个或两个以上的切点或交点时，就不能在一次装夹中完成该曲面的加工，而必 i 铣削。加工螺旋槽时就碰判这种情况。五轴联动铣削中通过两根旋转轴的运动， 调整刀具轴线的方向，满足下凹较浅的零件的加工要求”“，因此，加工螺旋槽； ；动铣削。 3 2 定位夹紧方案分析 ! 据对加工要求的分析可阱确定加工过程中需要限制工件沿x 、y 、z 轴移动以及鳕 女旋转等六个自由度。考虑到被加工零件的特点以及毛坯件为长方体，田此，执! 第l i 页共6 9 页 田备 号 硕士学位论文 毛坯底面、一侧面和一端面为定位面，以毛坯另一侧面为夹紧面进行定位夹鐾。对于该零 件的五轴联动试切加工，没有必要开发专用夹具，可以将工件直接定位夹紧在机用平口钳 上，再固定在机床工作台上进行加工，如图3 - - 3 所示。 圈33饮料瓶吹堑模具装央示意图 3 3 工艺路线方案优化 高速切削工艺需要考虑尽量保持切削负荷均匀一致、充分发挥高速进给的优势、使程 序处理建度尽可能快等三个问题。其中，保持切削负荷均匀是实现后两点的基础。为此 就必须设计台理的租加工、半精加工方案，以保证工件留有较均匀的余量。人们往往轻视 从粗加工到精加工的过渡即对半精加工重视不够。但是，只有综合考虑高速切削的全过 程，充分重视半精加工，才能达到安全和高效的目的。 如果加工过程分为租加工，半精加工、精加_ t 三个阶段，在安排饮料瓶畋塑模具加工 f 序时，可以有两个方案。 方案1 ( 1 ) 租加工型腔面 第1 2 页共6 9 页 洚女学 硕士学位论文 ( 2 ) 半精加工型腔面，同时租加t 螵旋槽( 租加 与半精加工合二为一) ( 3 ) 精加工型腔面和螺旋槽 方案2 ： ( 1 ) 粗加工型腔面 ( 2 ) 半精加工型腔面 ( 3 ) 租加工螺旋槽 4 ) 精加工型腔面 5 ) 精加工螺旋槽 方案1 比方案2 工序少，换刀次数少，可以提高加工效率，但在型腔面与螺旋槽交线 处发生刀轨方向突变，不符合高速切削保持切削负荷均匀一致的要求，将导致刀轨紊乱、 不连续以及振动加剧、过切等不蛊后果。计算机仿真刀轨也验证了这一点见圈3 4 。 圈3 4i 艺路线方案1 导理月路错误仿真 圈中在型腔中的纵向线条即计算机仿真的刀轨。正常情况下，它们互相平行，并且连续、 第1 3 页共6 9 页 p 胁六号 硕士学位论文 光顺。但图3 4 中的纵向刀轨在型腔面与螺旋槽交线处发生大量呈尖峰状的剧烈突跳，这 是由于刀轨方向突变引起的。在刀轨其它部位也发生了不同程度的突跳、交叉等不正常现象。 方案二将螺旋槽加工与型腔面加工分开，在不同工序中分别完成，避免了刀轨方向突变，有 利于提高加工质量。据此，选择方案2 的工艺路线。 饮料瓶吹塑模具材料为n a k 8 0 塑模钢，高速铣加工钢和铸铁工件材料时刀具的负荷很 大，而且理论研究和实践表明，一旦降低切削深度可以明显提高刀具的耐用度，所以粗加工 钢和铸铁材料一般采用多道工序多台机床的方式，放到功率强大的柔性加工单元上或柔性制 造系统上完成，而半精加工、精加工才采用高速铣削。为了课题的完整性，将粗加工也 纳入研究，但饮料瓶吹塑模具型腔面的粗加工在普通数控铣床上进行，半精加工、精加工在 高速铣削中心上完成。 3 4 刀具的选用 刀具材料、刀具类型、刀具几何参数都直接影响着加工质量、效率和成本，因此必须 合理选择刀具。 3 4 1 刀具材料的选用n 5 墙1 饮料瓶吹塑模具工件材料为n a k 8 0 塑模钢。 金刚石刀具价格昂贵，且不宜用于切削钢铁黑色金属，因为在切削所产生的局部高温 下，金刚石中的碳原子很容易扩散到钢铁这样的铁碳合金的铁素体中，造成金刚石碳化磨 损( 扩散磨损) 。因此，不能选用金刚石作为加工饮料瓶吹塑模具的刀具材料。 立方氮化硼( c b n ) 刀具价格也很昂贵，在硬切削淬硬钢工件时才能够显示出经济意义， 因此也不宜采用。 用于切削钢件的硬质合金刀具材料必须有很高的热硬度，因此t i c 含量较高的p 类硬 质合金优于w c 含量较高的k 类硬质合金。 第1 4 页共6 9 页 曰浯六号 硕士学位论文 与w c 硬质合金相比，金属陶瓷刀具以t i c n 为基，其耐用度高得多，特别是在中等高 速切削速度范围内。在圪= 1 6 0 0 m m i n 的高速范围内，后者耐用度高的优点完全丧失， 在高温下象前者一样容易磨损。 非氧化物陶瓷如s i3 n 4 ，在中等高速切削速度范围内能够达到与金属陶瓷相似的刀具耐 用度，在更高切削速度下刀具耐用度超过后者。此时不会发生由扩散过程引起的月牙洼磨 损，通常则出现后刀面磨损和点蚀崩刃。通过涂附t i n 涂层可以提高其刀具耐用度数倍。 根据基体材料、涂层种类和方式不同，涂层硬质合金表现出大不相同的磨损特征。 a l 一0 _ n 陶瓷涂层通过月牙洼磨损被完全去除后不久，刀具宣告失效，而t i c t i n 多层涂层 刀具用于切削才不多几米路程，涂层中就会出现横向裂纹。采用物理气相沉积( p ) 方法 涂附的t i n 涂层则表现出良好均匀的磨损特性。与非涂层硬质合金比较，根据切削速度的 不同，涂层刀具的耐用度可提高5 0 2 5 根据以上的分析，从性能上，金刚石不能作为饮料瓶吹塑模具的高速铣削刀具材料； 从经济上，立方氮化硼不宜采用；其它如硬质合金、涂层硬质合金、金属陶瓷( t i c n 基硬 质合金) 、陶瓷等都可以使用，从研究所现有的条件出发，选用t i a i n 涂层硬质合金刀具 材料。 3 4 2 刀具类型及几何参数的选择 铣刀的种类有很多，按用途可以分为圆柱铣刀、面铣刀( 端铣刀) 、盘铣刀、锯片铣 刀、键槽铣刀、角度铣刀、成形铣刀和立铣刀n7 1 。立铣刀根据刀端的形状可以分为平底立 铣刀、带圆角的平底立铣刀( 环形铣刀) 和球头铣刀，如图3 - - 5 所示。平底立铣刀( 墨= 0 ) 的底面中心0 、环形铣刀( r 足) 的刀刃圆环中心0 、球头铣刀( r = 焉) 的球心0 为 刀具中心1 。 饮料瓶吹塑模具加工表面均为曲面，加工精度要求高。采用平底立铣刀加工，只能用 小的台阶面逼近曲面，形状精度雄以达到要求。所以除型腔面的粗加工选用平底立铣刀外， 其余均选用球头铣刀。 第】5 页共6 9 页 曰浯六号 硕士学位论文 宙囱固 a ) b ) 图3 - - 5 立铣刀及其刀具中心示意图 a ) 平底立铣刀b ) 环形铣刀c ) 球头铣刀 合理的刀具几何参数应该在保证加工质量和刀具寿命的前提下，能够满足提高生产率 和降低成本的要求。 刀具直径：对于立铣刀的半径计算依据是必须满足关系戤懈 1 ，式中，曰为刀具 半径，七。为加工表面凹处的最大法曲率1 此式表明，刀具半径应小于加工表面凹处最 小的曲率半径。除此之外，选择刀具的直径还应考虑以下因素： 加工效率。由式3 - - 1 1 可知，刀具半径r 越大，在残留高度毛不变的情况下，切削 行宽越大，因此加工效率越高。 刀具直径应与加工表面的大小相匹配。小的加工表面应采用直径足够小的铣刀，避 免刀具与非加工表面发生干涉。 取通用标准值。按照通用标准系列数值选取刀具直径，就容易购买获得所需的刀具。 根据以上原则和因素综合考虑，用于粗加工型腔面的平底立铣刀的直径选为* l o m m ； 考虑到半圆锥面与半圆柱面之间、半圆柱面与圆弧旋转曲面之间的过渡槽宽度为8 m m ，半精 加工和精加工型腔面球头铣刀的直径取中6 咖；又因为螺旋槽直径为4 咖，故采用直径为 4 姗的球头铣刀进行加工。 第1 6 页共6 9 页 p 浯六号 硕士学位论文 前角：从切削力、切削温度和刀具寿命来看，刀具的前角不应该太小，也不宜过大， 有一个合理值【1 引。普通铣削时采用正前角，可降低切屑变形系数，减小月牙洼磨损9 1 。但 是国外高速铣削4 5 号钢系列试验获得的结果表明，正前角儿= 8 。时前刀面月牙洼磨损几 乎没有比零前角时减少，原冈在于前者排屑速度较高，而且容易导致月牙洼前缘刃口破损 以及磨损过程不均匀。选取负前角例如儿= - 8 。时尽管刀刃强度较高，却会引起月牙洼磨 损加剧和切削力增大，同样导致刀刃容易发生破损n 引。 后角：后角会影响后刀面与工件间的摩擦，但过大的后角会使刀刃强度和传热能力 减小。普通铣削加工钢件时，后角一般采用a 。= 6 l o o ，以保证刀具切削楔有足够的强度。 高速切削加工切削力及弯矩较小，可以选用较大的后角较尖锐的切削楔。例如高速铣削4 5 号钢时口。= 1 2 - - - - 1 6 。，以便降低工件材料在后刀面弹性变形产生的接触磨擦效应，有利于 提高刀具耐用度。由于切削力随进给量增大而上升，高速铣削时刀刃后角也应当随进给量 增大而减小，使刀刃能够承受增长的切削力引 由以上分析讨论可知，在以刀具耐用度为目标优化刀具几何参数时，刀刃后角连同楔 角的选取起决定意义，而刀刃前角的选取只产生次要影响。综合考虑前、后角时，选取 y o f 仅o = o o 1 6 0 i s , 1 9 1 。 综合以上分析，粗加工型腔面选用s a n d v i k r 2 1 6 6 1 0 0 4 5 一a c 2 2 h1 0 1 0 型整体硬 质合金立铣刀，半精加工和精加工型腔面选用s a n d v i kr 2 1 6 4 2 0 6 0 3 吐a c l 0 p1 0 1 0 型整 体硬质合金球头铣刀，粗加工和精加工螺旋槽选用s a n d v i kr 2 1 6 4 2 0 4 0 3 叶c 0 8 p1 0 1 0 型整体硬质合金球头铣刀。 3 5 切削用量的选择 高速铣削切削用鼍包括切削速度圪、进给量工径向切削深度啦和轴向切削深度唧。 当工件材料、刀具材料和刀具几何参数确定以后，选择切削用量是否合理，会直接影响加 工质量、生产率和生产成本，对高速切削的应用推广具有重要意义。 第1 7 页共6 9 页 同洚六学 硕士学位论文 3 5 1高速铣削切削用量的特点 3 5 1 1 切削速度k 高速加工切削用量的特点首先体现在很高的切削速度，一般比普通切削速度高5 1 0 倍以上，主轴转速能达到1 0 0 0 0 转 一 1 0 0 0 0 0 转。 切削速度的计算公式为k = 型专孟笋m i n ，其中j | 为主轴转速，。为刀具直径。对 于高速铣削加工，计算公式中要把刀具直径改为刀具的有效直径，即把d 改为现，【引。有： 球头铣刀的有效直径为： 矿：竺兰! 兰坠m m i ny = 卫 1 0 0 0 = 2 、| a px ( d - a p ) 带圆角平底立铣刀的有效直径为： d 矗= d 一2 r + ( 2 r l x s i n a ) 墨为平底立铣刀的圆角半径，a 为刀具的轮廓角，如图3 - - 6 所示。 i d ! i 么 l d e f f 图3 6 带圆角平底立铣刀的有效直径示意图 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 第1 8 页共6 9 页 固浯六号 硕士学位论文 3 5 1 2 进给量， 高速铣削切削用量的特点还体现在高的进给速度。随着切削速度的大幅提高，一方面， 切屑与刀具之间的相对运动速度加快，刀一屑之间接触温度上升，在切屑底面形成一个软 质滞流层，从而使刀一屑之间的摩擦系数下降：另一方面，由于切屑底部和顶部之间的温 差加大，切屑底部受热膨胀加剧，使切屑流经前刀面时弯曲程度增加。 由此可知，随着切削速度的提高，第二变形区中切屑因摩擦而产生的附加变形减小， 刀一屑接触长度因切屑的弯曲严重而缩短，所以切屑的剪切变形程度降低，从而导致剪切 角度增大，使切屑变形下降，为进给运动速度的提高创造了有利条件。 进给速度0 = 可= 幔z ，式中，为每转进给量，为铣刀转速，石为每齿进给量， z 为铣刀齿数。随着切削速度和刀具转速大大提高，如果珞不相应提高，势必大大减小 每齿进给量正，而当z 小于刀尖圆弧半径时，将会使切削产生困难，并出现表面质量降低， 产生振动等现象。因此，高速切削时，应该有高的进给速度，一般可达2 2 5m m i n ，甚至 达到6 0 - - 8 0m i nn 1 。但是增加z 使每一刀齿的切削量增大，流过前刀面的质量增加，切 削力和切削温度会有所提高。此外，z 的增加可使刀一屑之间的接触长度增加，使得前刀面 上的温升加大，这一现象会导致刀具磨损从后刀面向前刀面转移。经试验证明，高速铣削 最佳每齿进给量z 应随铣削速度提高而减小。因此，可以说最优的正与铣削速度圪密切相 关n 引。 3 5 1 3 径向切削深度和轴向切削深度唧 极高的主轴转速和进给速度下，较大的径向切削深度吼意味着巨大的切削力，这试必 导致加工振动、工件变形、刀具磨损甚至折断等严重后果，因此，在高速加工过程中，径 向切削深度应该取较小值。但径向切削深度以的选取与每齿进给量正密切相关。一般情 况下，正较小时，可选择较大的，这样在刀具切入形成切屑时不会产生大的挤压过程。相 反，正较大时，应选择较小的，否则会增加切削变形的过程。 高速切削的轴向切削深度口p 由刀具的直径、刀具的长径比以及工件材料的硬度等因素 确定。对于较硬的材料的铣削，口p 的理论计算公式为口p = i d c 2 c 3 ，式中，c ：为工 第1 9 页共6 9 页 p 浯- 学 硕士学位论文 件材料的硬度系数，可由图3 7 查出；c 3 为刀具长径比系数，可由图3 - 8 查出。但在具体 加工中，轴向切削深度还取决于主轴头的稳定性、刀具质量、工件材料的特性以及夹具的 刚度等。实际应用中一般取口，0 0 5 d 。 r 钐彩a 弋 、 髟久 弋a 乃 彰 匕囊 弋玖 、 珍 匕l 长 径 比 系 数 c 3 图3 - 7 工件材料硬度系数计算曲线 硬度推c l l f f l l 、i1 - 12 3l 5 678 91 0 l l 刀具长度直径比 图3 - 8刀具长径比系数计算曲线 第2 0 页共6 9 页 |材料硬度系数 拿 8 7 8 5 4 3 2 l o n n n n o 乱 n 乱 曰湃六号 硕士学位论文 与以相比，在高速铣削时轴向切削深度对刀具磨损的影响远远小于以n 9 1 。因此在机 床主轴负荷允许的情况下选择较人的a p 比选择较大的有利。 3 5 2 各工序切削用量的计算选用 根据饮料瓶吹塑模具的工件材料，硬度和选用的刀具材料，确定3 3 中所选定工艺方 案各工序中的切削用量如下： 选用 3 5 2 1 型腔面粗加工 根据3 4 2 确定的刀具直径d = 1 0 m m ，齿数z = 2 ，平底立铣刀圆角半径r 1 - - 0 ，计算 径向切削深度a e = ( 0 0 6 0 0 8 ) d ，取吼= 0 0 7x1 0 = 0 7m m ， 轴向切削深度口，o 0 5 d ，取a p 2 0 0 5 x1 0 = 0 5 r a m ， 每齿进给量z = 0 1 8 历肌( 推荐值为0 1 2 册竹o 2 5m m ) ， 切削速度圪= 1 8 0 r e r a i n ( 推荐值为1 2 5r e ( r a i n - 2 5 0r e 彳r a i n ) 嘲 其它相关工艺参数计算如下： 刀具有效直径= d 一2 墨+ ( 2 焉x s i n a ) 2 l o m m ， 主轴髓肚鬻= 篇31 4 等1 0 堋o o ，7 r 进给速度v f = nx 正xz = 6 0 0 0 x0 1 8 2 = 2 1 6 0 r a m r a i n = 2 1 6 m m i n 。 3 5 2 2 型腔面半精加工 根据3 4 2 确定的刀具直径d = 6 m m ，齿数z = 2 ，计算选用 径向切削深度以= ( 0 0 6 - - - 0 0 8 ) d ，取a e = 6 0 7 = 0 4 8 r a m ， 第2 1 页共6 9 页 l = ) 浯六号 轴向切削深度= 半精加工的余量( 0 3 m m ) ， 硕士学位论文 每齿进给量z = o 1 2 5 m m ( 推荐值为o 0 8 m m , - - 一o 1 5 m m ) 6 1 ， 切削速度圪= 1 2 5 m m i n ( 推荐值为1 2 5 m m i n - 2 5 0 m m i n ) 。 其它相关工艺参数计算如下： 球头铣刀有效直径= 2 4 a px ( d - a p ) ：2 4 0 3x ( 6 - 0 3 ) ：2 6 2 m m ， 主轴转速- 鬻= 丽1 2 5 x 丽1 0 0 0 - 1 5 0 0 0 r 眦7 r 上t 3 1 4 z o z 进给速度0 = n l z = 1 5 0 0 0 x0 1 2 5x2 = 3 7 5 0 m m m i n = 3 7 5 m m i n 。 3 5 2 3 型腔面精加工 根据3 4 2 确定刀具直径d = 6 m m ，齿数z = 2 ，计算选用 径向切削深度a e = o 1m m ， 轴向切削深度a p = 精加工余量( o 2r a m ) ， 每齿进给量正= 0 1m m ( 推荐值为0 0 5 删咒o 1 m m ) 嘲， 切削速度圪= 1 5 0 m m i n ( 推荐值为1 2 5m m i n - 2 5 0m m m ) 。 其它相关工艺参数计算如下： 球头铣刀有效直径= 2 4 x ( d - a t ) = 2 4 0 2 x ( 6 - 0 2 ) = 2 1 5 m m ， 主轴转速= 筹= 羔黑= 2 2 0 0 0 r 1 4 1 毗 7 r 上乞，r j z 3 进给速度= n x 五z = 2 2 0 0 0 x 0 1 2 = 4 4 0 0 r a m m i n = 4 4 m m i n 。 第2 2 页共6 9 页 曰浯六号 硕士学位论文 3 5 2 4 螺旋槽粗加工 根据3 4 2 确定刀具直径d = 4 m ，齿数z = 2 ，计算选用 轴向切削深度a p = 0 0 5 x 4 = o 2 m m ， 每齿进给量正= o 1m m ， 切削速度圪= 8 0 m r a i n 。 其它相关工艺参数计算如下： 球头铣刀有效直径= 2 、a p ( d - a p ) = 2 4 0 2x ( 4 - 0 2 ) = 1 7 4 m m ， 主轴转速= 等= 罴罴= 1 4 6 0 0 r 31 4 11 4 疵， 万 进给速度= n 正