（机械制造及其自动化专业论文）数控铣削加工质量的研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 铣削 是最常用的高生产率切削加工方法之一 但在当前工厂的数控铣削加 工过程中 还存在很多问题 本论文主要针对数控铣削加工过程中影响表面加工 质量的各因素来展开研究 1 分别针对数控铣削加工过程中的主轴转速 进给量 跨度等几个主要铣 削参数进行研究 在wi n t e cm y 8 0 加工中心上加tc r l 2 模具钢实验工件 用 表面形貌分析仪测出大量数据 然后用数理方法对数据进行处理和分析 得出上 述参数对工件表面质量的影响程度 并给出常用参数的参考值 2 分析常用的环切法和行切法两种切削路径对曲面加工表面质量的影响 比较两种路径的加工效率 表面质量 刀具磨损等内容 为现场加工曲面提供依 据 3 用正交设计法设计实验 在研究单个因素的基础上对几个主要参数的交 互作用影响进行研究 通过实验分析它们在加工过程中对表面质量的综合作用 并结合具体工况 为现场加工提供参数参考值 建立参数的回归方程 推出经验 公式 然后对铣削过程中的参数进行优化处理 4 建立数控铣削加工过程的仿真系统 本论文重点研究仿真系统的建模过 程 包括数学建模 力学建模等 并结合实例进行说明 关键词数控铣削 正交设计法 参数优化 回归方程 仿真建模 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t m i l l i n gi so n eo ft h em o s te f f i c i e n tm e t a lc u t t i n gm e t h o d s a n dh a sg o tw i d e a p p l i c a t i o n si nv a r i o u sm a n u f a c t i l i i n gi n d u s t r i e s i nt h em e a n l h n et h e r ea r es t i l lal o t o ft e c h n i c a lp r o b l e m si nn cm i l l i n gp r o c e s sl e f tt os o l v e t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e s o nt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h es u r f a c eq u a l i t yo f n m n e r i c a lc o n t r o lm i l l i n g t h em a i n a c h i e v e m e n t so f t h i st h e s i sa r e 够f o l l o w s 1 a i m i n ga ts e v e r a lk e yp r o c e s sp a r a m e t e r si n c l u d i n gs p i n d l es p e e d f e e d r a t e s a n ds p a n e x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e d a n dw h i c hw e r ec a r r i e do u to naw i n t e em v 8 0 m a c h i n i n gc e n t e rb yc u t t i n ga c r l 2s t e e lp a r t t h es u r f a c eq u a l i t yi sd e t e c t e db ya t a y l o rh o b s o ns u r f a c ea n a l y z e r b ya n a l y z i l l gt h ee x p e r i m e n td a t a t h er e l a t i o n s h i p b e t w c e ns u r f a c eq u a l i t ya n dc u t t i n gp a r a m e t e r sw a sp r o b e di n t ora n dr e f e r e n c ev a l u e s o f t h o s ep r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ep r o v i d e d 2 t h ei n f l u e n c eo ft h et w od i f f e r e n tt o o lp a t h o s c i r c u i tc u t t i n ga n di o w c u t t i n g t ot h eq u a l i t yo f s t t r f a c ew h e nc l i t t i n ga c u r v e ds u r f a c ep a r tw a si n v e s t i g a t e d a n do t h e rf a g t o r sl i k et h ew o r ke f f i c i e n c ya n dt o o lw e a r w e r ea l s o c o m p a r e d w h e r e b y t h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rr a t i o n a ls e l e c t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e r s c a nb ep r o v i d e ds oa st oo b t a i nt h ei d e a ls u r f a c 圮q u u l i t y 3 s p e c i a le x p e r i m e n t sw c i ed e s i g n e di no r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d b a s e do l l t h er e s e a r c ho f e v e r ys i n g l ep a r a m e t e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mw a sd i s c u s s e d s ot h a ts o m er e g u l a t i o no ft h e i rc o m b i n e de f f e c to nt h es u r f a c eq u a l i t yc o u l db e f o u n d w h e r e b y r e f e r e n c ev a l u e so fc o m m o np r o c e s sp m m n e t e r sw e l f cp r o v i d e d a e x z n d i n gt od i f f e r e n tc o n d i t i o n s e x p e r i m e n tf o r m u l a sw e r cd e d u c e d r e g r e s s i o n e q u a t i o n so f t h o s ep a r a m e t e r sw e l es e tu p a n de x p e r i m e n tf o r m u l a sw e r ed e d u c e d s o t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sc a nb e0 1 m m i z e d as i m u l a t i o nm o d e lo fm i l l i n gp r o c e s sw a se s t a b l i s h e d t h e 也e s i sf o c u s e s 0 nt h e p r o c e s so fm o d e l i n g i n c l u d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n dm e e b a n i c a t m o d e l i n g a n das p e c i a le x a m p l ew a sg i v e no u t k e yw o r d n u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n g o r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d p r o c e s s i n g p a r a m e t e ro p t i m i z i n g r e g r e s s i o ne q u a t i o n e s t a b l i s h m e n to f s i m u l a t i o nm o d e l 玎 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 近几年来 随着人们对产品质量要求的越来越高 制造工业也不断发展 在 现代工厂的加工车间里 大都采用先进的数控设备 但在很多工厂里是工程设计 人员结合最新数控技术 针对自己的具体生产情况并结合常规的车削 铣削等加 工方法对原先设备和生产技术进行的数控化改造 使其具有更加经济 更加合理 的性能 本论文就是针对目前工厂里 数控铣削加工过程中影响加工质量的各种 因素展开研究 从而为数控铣削过程中的参数选择和优化 生产效率和加工质量 的提高提供依据 1 1 数控铣削概述 1 1 1 数控加工技术概述 数控铣削是数控加工技术之一 随着科学技术和社会生产力的迅速发展 人 们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求 机械加工工艺过程的自动 化成为实现上述要求的最重要措施之一 它不仅能够提高产品质量 生产率 降 低生产成本 还能够极大地改善工人的劳动条件 减轻劳动强度 另外 在市场 激烈的竞争中 机械产品更新换代日趋频繁 并且越来越精密复杂 这就给生产 这些产品的各种加工设备提出了精度与效率 通用性与灵活性以及生产过程自动 化的要求 数控技术正是在这种条件下发展起来的一种适用于对精度高 几何形 状复杂的单件 小批机械产品加工设备的控制技术 数控技术自产生以来一直以 惊人的速度向前发展 数控技术是现代化加工设备的基础 是最终目的的实现手段 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 埘 所以说 发展先进制造技术 必须发展数控技术 随着制造业与 数控技术结合的日益紧密 机械制造设备的数控化率已成为衡量一个国家制造技 术水平的重要标志 1 1 2 国内外数控铣削加工的研究与发展 在数控铣削方面 美 日 德 法等国家的技术已相当成熟 他们早在上世 纪六七十年代 就很好的解决了数控铣削加工中出现的一些技术问题 目前正在 向高速铣削卧嘲 在常规切削速度几倍 十几倍条件下进行的切削 方向发展 例如美国 在七十年代就研制出最高转速达2 0 0 0 0 r m i n 的铣床 近几年来日本 在这方面进展也很快 把高速铣削列为五大现代制造技术之一 目前我国在这个领域的研究和取得的成果相对欧美 日本等先进国家整体上 还有一定的差距 不过在某些方面还是取得了令人满意的成绩 例如我国一些高 校在数控铣削方面取得了一些成果 在切削机理方面 清华方大高技术陶瓷有限 公司开发的氮化硅基陶瓷刀具以1 0 2 0 m m i n 的速度超高速铣削灰铸铁 可获得 4 6 5 2 m i n 的刀具耐用度 北京理工大学较为系统地研究了软钢 灰铸铁 高强 度装甲钢的超高速铣削和淬硬钢 钨合金和硅铁的超高速车削机理 刀具磨损及 刀具可靠性 切削力和表面粗糙度 及刀具的安全结构问题 上海交通大学研究 超高速铣削硬铝时切削力和切削温度的动态规律 表明只有超过某一临界速度 7 0 6 m m i n 铣削力和铣削温度才开始明显下降 西北工业大学研究超高速铣削 钛合金时的刀具适配和参数优化问题 在超高速机床方面 沈阳工学院研制超高 速车铣床 已取得阶段性成果 i 2 问题的提出和本论文研究的内容 1 2 1数控铣削在现代加工中的重要性和研究影响数控铣削加工质 量因素的必要性 随着科学技术发展和社会的进步 为求得高效地生产出高质量的产品 世界 各国都不借耗费巨资 投入大量人力物力 采用最先进的技术手段 不断地深入 研究与探讨切削加工方法及其理论 数控铣削技术在这种形势下很快成熟起来 的 并向高速 超高速方向发展 数控切削加工可用于加工铸铁 钢 纤维强化 复合材料等 可用来加工水平 垂直和倾斜的平面 以及台阶 沟槽和成形表面 等 当前铣削加工仍是很基本 很重要的加工方法之一 在航空航天 模具制造 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 及精密微细加工等领域得到了广泛应用 在很多的工厂车间里都具有不可替代 性 但是要想发展铣削 高速铣削等技术 就必须研究影响铣削加工的各种因素a 如果对于各种影响因素不能正确地处理 是很难提高数控铣削加工质量的 也更 谈不上研究超高速铣削等问题 1 2 2 数控铣削目前要解决的问题 目前数控铣削技术虽然相当成熟 并且关于某些切削参数也有过一定的研 究 但这些研究大多数是针对其中某一因素的研究 很少是针对符合目前我国工 厂实际加工条件的多个因素同时进行研究 所以在实际加工中会遇到很多新问 题 这些闯题在现有的材料中记载很少或者不够全面 本论文是在大量现场加工 的基础上发现问题 提出问题 总结问题 最后解决问题的 在实际加工过程中 不可能在每次加工前都做很多实际实验来验证 所以有 必要事先对加工过程进行模拟 把各种参数在能考虑到的各种工况下进行加工仿 真 建立仿真系统 在数控加工中 加工参数的合理选择直接影响到加工质量 机床负荷 刀具寿命和加工效率 在追求最大加工精度的同时 切削条件的选择 也不能违背切削加工过程约束 否则就会发生刀具的折断和振动 扭矩和弯矩也 会超过主轴驱动的能力 导致零件尺寸表面误差 甚至一些无法预料的事件发生 目前的数控加工方法通常是零件程序编制人员利用基于建模的c a d 系统确定出零 件的几何形状 尽管c a d 系统在刀具路径的规划上起到了一定辅助作用 但切削 速度 切削深度和进给量等切削参数仍需要编程人员根据经验和判断手工的输 入 由于无法精确预测铣削加工的真实过程 为避免过度的切削力 扭曲和弯曲 等会导致机床损坏和零件误差的现象发生 加工操作人员往往要牺牲加工效率而 选择一个非常保守的加工切削参数 但是 随着各种新刀具 新材料的不断涌现 这种传统的切削参数确定方法已经无法满足计算机集成制造环境下对小批量 多 品种 高质高效生产加工的需要 所以寻找一个通用的算法 可以获得用于切削 过程物理仿真的机床 刀具和零件间的关键几何信息 再依据相应的切削过程物 理模型 能够对产品的数控铣削误差进行预测 并找出误差补偿方法 还要满足 切削过程加工约束 如振动的发生 刀具的折断 零件的尺寸精度和最小加工时 青岛理工大学工学硕士学位论文 间等 基于切削过程物理仿真预测得到的准确物理信息 如弯矩 扭矩 切削力 振动和零件的表面尺寸误差 可以非常容易地获得切削加工时所需的优化参数 如主轴转速 切削深度 进给量等 此外 根据几何仿真信息和一些给定的 目标函数 还可进行刀具尺寸的合理选择 1 3 本论文研究的目标和要解决的关键技术 分析数控铣床三轴联动的刀具路径 分析路径变化对成型精度 加工效 率等方面的影响 研究现场加工中影响加工质量的主轴转速 进给量等几个主要因素 并 且找出在现有条件下提高质量的方法 逶过正交实验方法 利用回归方程建立表面质量和切削参数之间的关系 方程 为加工现场提供参考依据 建立典型铣削过程中的数学模型和切削力模型 准确反映出铣削过程的 真实情况 为建立数控系统的仿真系统提供参考依据 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章数控铣削加工质量的单因素研究 在铣削加工中 各切削参数和加工条件对加工质量有不同程度的影响 本章 将分别研究切削量 进给速度 主轴转速和切削路线几个因素对加工质量的影响 然后通过对实验数据的分析得出相关结论 2 1 切削用量对表面加工质量的影响和选择 在切削加工中 切削用量选择的合理与否 直接影响着加工质量 加工成本 和生产率 如果切削用量选择得当 便能充分发挥机床和刀具的功能 以取得生 产的最大效益 倘若选择不当 会造成很大鳇浪费或导致生产事故 所以必须合 理选取 2 1 1 切削用量的选择原则 切削用量的选择原则嗍 从金属切除率公式q 1 0 0 0 v a f m m3 s 分析 增大三要素中任何一个似乎都可以提高生产率 但从刀具寿命与三要素关系 t c 和 f a l i p j 分析 三者的影响程度是不同的 v c 影响最大 f 次之 口 最小 在刀具寿命已确定的条件下 欲使v 伍 f 三者乘积即金属切削率最大 无 疑应首先选择尽量大的背吃刀量a 其次再选择尽量大的进给量f 最后依据三 要素与刀具寿命关系计算确定切削速度v c 这是选择切削用量的基本原则 实际合理切削用量的选择与机床 刀具 工件及工艺等多种因素有关 只从 刀具角度分析 寿命公式本身具有局限性 另外任何工件材料与刀具材料的组合 都有其最佳的切削温度 如硬质合金的红硬性好 在较高的切削速度下才能发挥 其耐温性能好的特长 而低温脆性是硬质合金的弱点 在低速低温的切削条件下 刀具寿命往往反而降低 所以真正合理的切削用量是在综合考虑零件工艺及工 艺系统状态后 逐步探索才能达到最佳状态 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 2 切削用量的选择方法 1 迸给量f 的选择 粗铣时铣削力较大 进给量要受到切削力的限制 对于高速钢刀具限制进给 量取大值的主要因素是机床 刀具和夹具等工艺系统的刚度 采用硬质合金刀具 时 限制进给量的主要因素是刀齿的强度 硬质合金刀片材质的强度越低 刀片 越薄 楔角p 越小所允许的每齿进给量 确切的说应是切削厚度 越小 机床 的刚度与其功率相适应 功率越大的刚度越好 小的则差 粗齿的高速钢刀具齿 数少 刀齿强度好 容屑空间大 允许的每齿进给量大 适用于粗铣 细齿高速 钢刀具适用于半精铣 精铣 当用一把铣刀分二次进给进行粗铣和半精铣时 若 采用细齿铣刀应注意刀齿强度和容屑空间所允许的每齿进给量 半精铣和精洗时应根据已加工表面粗糙度直接选择每转进给量f 硬质合金 面铣刀上带有刮光刀齿时进给量可以加大 以稍低的切削速度大进给铣削 对减 轻刀具磨损 以减少动力消耗发挥机床潜力有利 但切削速度不宣过低 因为在 同样条件下 速度高时已加工表面粗糙度值小 具体选择可查相关手册 2 铣削速度v 的选择 确定铣削速度之前 首先应确定铣刀的寿命 但是影响寿命的因素太多 诸 如铣刀的类型 结构 几何参数 工件材料的性能 毛坯状态 加工要求 铣削 方式 甚至机床状态等 所以在查相关参数表时 还必须紧密结合具体实际加工 工况 由公式v 孟导知道 对于刀具直径一定的加工来说影响v 的重要因 素是刀具 主轴 转速n r m i n 下面的分析和实验将要对r l 进行研究 3 确定背吃刀量c 背吃刀量指的是一次进给切去金属层的深度 它的选 取应视工艺系统的刚度和加工表面的精度 表面粗糙度而定 加工表面租糙度值r 1 2 5 m 时 一般 次租铣可达到要求 但当工艺刚度 差 机床动力不足或余量过大时 可分两次铣削 第一次铣削背吃刀量应尽可能 大些 第二次铣削量小有利于获得较好的加工表面质量 一般粗铣铸钢和铸铁时 a 5 7 哪 粗铣无硬皮的钢料时 3 5 m 在粗加工时 工艺背吃刀量a p 根 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 据工序余量来确定 除为以后工序留的余量外 其余的粗加工余量尽可能一次切 除 以使走刀次数最少 加工表面粗糙度值r 6 3 3 2 妒l 时 可分为粗铣和半精铣两次铣削 租铣 时为半精铣留余量伍 0 5 l m m 加工表面粗糙度值为兄1 6 o 8 历时 可分为三次铣削来达到要求 半精 铣时a 1 5 2 o 咖 精铣时a p 0 5 m m 在数控机床上 一般用跨度和步长深度来衡量吃刀量 跨度 设置相邻两条 刀具轨迹间的重叠部分 单位r a m 通常取不大于刀具直径的一半 在刀具路径为 行切时 研究跨度对加工质量的影响 步长深度 设置分层铣削中 每一层的切 削深度 单位m l n 在刀具路径为层切法 环形路径 时研究步长深度对加工质量 的影响 2 2 单因素影响的实验研究 2 2 1 实验目的和原理 实验目的 测定影响工件加工质量的几个主要因素 采集相关数据 找出各因素对 加工质量的影响关系 进行分析 掌握p r o e 绘图软件 对比由p r o e 生成程序和实际机床所用程序的差 异 为后面建立仿真系统提供相关依据 实验原理 运用相关数学 物理思想和知识 对各加工参数进行定量定性分析 数控加工中心的相关操作规程和相关编程原则 技巧 数控加工中心工 件坐标系的选择 先确定z 轴 然后确定x y 轴 刀号 刀具编号 刀补 刀 具长度补偿量 号的选择 指令t x xm 0 6 与m 0 6t x x 区别 还有h x x 中 的 含义 常用指令g 0 1 g 0 2 g 0 3 g 0 4 m 0 2 m 0 3 m 3 0 等的用法嘲 等等 表面形貌分析仪的坐标规定 把零件曲面的最高点设为x y z 轴所构 成三维坐标系的坐标原点 其正方向的规定同数控机床 即面对形貌仪测针向左 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 移动为向x 轴正向移动 向右移动为向x 轴负方向移动 面对形貌仪测针向前运 动为向y 轴的正方向 注意 实际运动的为测量平台 此时平台向靠近我们的方 向运动 z 轴正向是测针抬高的方向 注意 一般在x 方向上选取取样长度 用s 表示 z 方向坐标值由测针自动调节 接触曲面 所以只需确定取样的y 值 几个参数含义 r a 粗糙度算术平均r a 取样长度内轮廓偏离平均值的算术平均值 r f 陟g 出或r 三喜 y i r q 轮廓均方根偏差r q 取样长度内 轮廓偏离平均线的均方根值 它是 对应于r a 的均方根 r q 比r a 能更灵敏地反映离开中线的偏差 r z l o 个峰谷高度的算术平均值r z 取样长度内的平均峰一谷高度 r z 指川 壹j i r l k i l 川 o j l r t 粗糙度最大高度r t 评定长度内的最大峰一谷高度 r p 最高波峰到平均线的距离 r s 粗糙度局部峰的平均间距r s 在评价长度内 相邻峰的平均间距 在实验时 得出这几个重要参数 然后以一个具体参数为例进行分析 2 2 2 实验设备 刀具 加工对象 主要加工设备 m y 8 0 立式加工中心 如图2 1 具有三轴联动功能 能实 现各种平面 成形表面 各种复杂形状的凸轮 样板 靠模等的铣削加工 特别 是各种复杂模具型腔的加工 各种键槽 t 形槽 螺旋槽 齿轮的加工 利用固 定循环功能实现钻孔 扩孔 铰孔 攻丝等的加工 能实现d n c 加工 具有极坐 标 坐标旋转 比例缩放等功能 聂 青岛理工大学工学硕士学位论文 操作系统 法兰克系统 测量 采集数据主要设备 表 面形貌分析仪 t a y l o rh o b s o n s u r f a c ea n a l y z e r 如图2 2 测量范围 x 轴 2 0 0 咖 粗糙度及轮廓测 图2 1 矾一8 0 立式加工中心 测量精度 粗糙精度 2 4 m m 角度精度 o 5 m i n 半径测量不确定度 0 1 8 0 m 0 1 1 0 0 0 2 0 0 0 m m 0 1 水平方向性能 量单元 z 轴 同时测量粗糙度及轮廓形 状 范围 8 m m 6 0 m m 标准测针 测量轮廓形状范围 1 6 m 1 2 0 m 标 准测针 0 0 0 0 1 0 0 0 0 5 8 0 1 0 0 0 m m0 0 0 5 传动箱行程 2 0 0 珊 0 1 m m a x m i n 行走 测量速度 0 1 姗 s 1 0 锄 s 采样间隙 最小值0 1 2 5 p m 垂直方向性能 测量范围 8 m 5 0 m 标准测针 同时测量粗糙度 轮廓形状 1 6 m 1 2 0 m 长测针 分辨率 3 2 n m 8 m m 范围 分辨率比 2 5 0 0 0 0 0 1 z 轴非线性 0 0 7 0 0 3 2 姗 h m z 轴示值的重复性 与使用环境有关 s 0 1 5 m 平面 s 0 1 6 m 曲 面 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 电动立柱行程 4 5 0 u 系统性能 标定精度 p t 0 2 p m 系统噪音 r q 3 n m 图2 2t a y l o rh o b s o ns u r f a c ea n a l y z e r 加工对象 1 0 0 x 6 0 6 0 mc r l 2 模具钢 九块 硬胶木 粗加工刀具 牛鼻子铣刀6 3 x 6 m 齿数4 硬质合金螺旋立铣刀3 2 m 齿数2 高速钢立铣刀4 2 h r n 齿数3 精加工刀具 球头铣刀r 5 m m 齿数2 当加工对象材料是木头时 选用刀 具材料为高速钢 当加工对象材料是c r l 2 模具钢时 选用刀具材料为硬质合 金 2 2 3 实验方案 本实验重点测试影响铣削加工零件表面质量的三个因素 进给量 主轴转速 和跨度 在其它加工条件相同情况下 分别改变主轴转速 进给量和跨度值 且每一 青岛理i 大学工学硕士学位论文 个因素采用三个水平在m v 8 0 立式加工中心进行数控加工 然后把加工好的工件 在e x p l o r i n gs u r f a c et e x t u r et a y l o rh o b s o n 测量 得出数据进行分析 在这里将采用行切法 考虑的主要因素是三个 各因子的含义 a 表示转速s r m i n a 1 1 0 0 0a 2 1 2 0 0a 3 1 5 0 0 b 表示进给速度 m m m i n b l 1 0 0b 2 1 2 0b 3 1 5 0 c 表示跨度 咖 c l 0 3c 2 0 5c 3 0 7 方案一 在进给量和跨度不变的情况下 改变主轴转速值进行实验 a l b l c l a 2 b l c l a 3 b l c l 方案二 在主轴转速和跨度不变的情况下 改变进给量进行实验 a i b i c l a t b 2 c l a 1 8 3 c i 方案三 在主轴转速和进给量不变的情况下 改变跨度值进行实验 a 1 8 1 c 1 a b 1 c 2 a l b l c 3 2 2 4 实验过程和数据采集 首先要用p r o e 工具绘制出要加工工件的三维实体模型 其次用软件使其自 动生成程序 但必须对生成程序进行修改 因为很多工艺问题需要现场处理阱n 1 1 然后把处理好的程序输入加工中心 对硬胶木进行加工 如图2 3 所示 进一步 调试程序 最后加工工件 图2 3数控铣削硬胶木现场 在用p r o e 完成建模过程 并且用p r o e 软件模拟出加工路径和设好各种参 数 下面是设好参数的粗 精加工程序 输入加工中心加工硬胶木 因程序太大不可能全部写出 只针对关键部分进行说明 坐标系 为了简便起见 设置工件坐标系时 粗加工用6 5 5 指令 精加 工用g 5 4 指令 因为粗加工对工件表面质量要求不高 所以设置的转速 进给 跨度值 都以提高效率为基础 租加工程序 n i g 5 5g 9 0 s 1 2 0 0m 0 3 g oz 3 0 x 4 9 0 2 y 5 9 9 9 g 1z 1 0f 3 0 0 n 2z i 0f 3 0 0 g 2x 5 9 9 9y 4 9 0 2i 一4 9 8 8j 6 0 8 5 g lz 3 0 g ox 3 8 8 5y 5 9 9 9 g 1z 1 0f 3 0 0 精加工程序 n i g 5 46 9 0 s 1 2 0 0m 0 3 g oz 3 o x 3 1 2 4y 一3 4 2 n 2z 1 0 0 6 1z 1 2 0f 1 2 0 在精加工程序中需注意 每个程序都因切削参数的不同而不同 这里只 是其中一个糖加工程序 青岛理工大学工学硕士学位论文 在精加工程序中 还可以根据具体情况加入 高精度轮廓铣 指令 即 在程序前半部分 在第一个直线插补指令g 0 1 前加上指令g 0 5 1q l 同时必须 在程序末端取消这项功能 即在结束指令姻o 前加上取消 高精度轮廓铣 指令 g 0 5 1q o 指令 这样可以在不增加程序长度的情况下有效的提高工件的表面质 量 用上述程序对c r l 2 模具钢钢工件进行加工 其中针对几个典型数据以及在 此过程中出现的情况进行分析 1 对粗加工过程的分析 因为每次粗加工的程序相同 并且对粗糙度 形状轮廓度等参数没有具体要 求 所以只分析一组数据 在p r o e 中完成建模过程 并且模 拟出刀具路径 这里选用环形路径 如 2 4 图示 模拟好切削路线后 生成加工程 序 并把处理好的程序用s u r f c a md n c 软件输入m v 8 0 加工中心 在粗加工程 序中 选用的主要切削参数为 转速 s 1 2 0 0 n m i n 进给f 3 0 0 咖 m i n 图2 4p r o e 软件模拟加工路径 切深口 1 衄 加工时间一般为2 小时 3 0 分钟 在几次加工中 因为对刀点 加工毛坯外形尺寸 进刀和退刀 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 5 c 图2 6 d 图2 5 工件租加工过程和加工后表面形貌 时间等因素的影响 时间略有差异 一般相差十几分钟 所用刀具是硬质合金 螺旋立铣刀 3 2 r a m 齿数为2 开始用牛鼻子铣刀6 3 6 m m 但刀具磨损太严 重 用高速钢立铣刀时 转速一般为s 6 0 0n m i n 效率太低 加工结束后的情 况如图2 5 a d 所示 2 精加工程序 因为每次精加工程序中的参数不一样 所以每次都有新情况出现 如加工时 间的长短 刀具的磨损等 但是所用刀具都是球头铣刀 其r 为5 珊 齿数为2 方案一 a 1 1 0 0 0 r m i n b i i 0 0 r a m r a i n c l 0 3 r a m 这种情况下 所用的时间为3 小时5 3 分钟 加工的过程和最后的情况如图2 6 示 图2 6 a 精加工方案一加工中工件表面形貌 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 6 b 精加工方案一加工后工件表面形貌 加工完毕后 用形貌仪对其进行检测 采集数据 在测量过程中 采用i s o 标准 取样长度分别为2 0 x 2 4 0 r a m 得到如图2 7 a b 图2 7 a 表面形貌仪采集数据 n p 月 一 一 二 一r 卜d c 1 f 一 一 一 i d 山 i i l l n 蚶 k 双止l 虬 1 l 泌 匕且 丑趟屯一k i 矗融上魁l l i i n d l i n lt 叼 一f 娜剐p 27 l r 7 驯 一 秽 聊 l 4 n 0 一 一 一j 一 1 84 b 1 1 2 1 0 4 表面形貌仪采集数据 青岛理工大学工学硕士学位论文 a 2 1 2 0 0 r m i n b 1 1 0 0 m r a i n c 1 0 3 哦 这种情况下 所用的 时间为3 小时5 2 分钟 采集数据如图2 8 图2 8 表面形貌仪采集的数据 a 3 1 5 0 0 r r a i n b l 1 0 0 皿n m i n c l 0 3 衄 这种情况下 所用的 时间为3 小时5 2 分钟 采集数据如图2 9 2 1 图2 9表面形貌仪采集的数据 由以上数据知 主轴转速改变基本不影响加工效率 并得出下面的数据表 表2 1 数据采集表 汰 r a r p r s r q r tr z 组别 肛m m pm 肛m m a b 1 c 0 9 8 0 02 6 5 8 35 7 1 01 4 7 8 62 2 1 5 9 25 1 7 2 9 a z b f c l 1 4 4 9 3 3 6 6 9 9 4 2 1 9 2 0 2 5 02 1 5 4 8 97 6 2 7 8 a 3 b l c l1 3 9 5 43 6 6 2 5 4 6 2 7 2 0 0 8 72 4 3 1 5 27 5 6 4 2 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 从上表可以得出 主轴转速对r r r r 的影响均呈现相同的曲线趋势 如图2 1 0 所示 同 后面将遇到 通过多方面考虑 图2 1 0r a r p r q r z n 曲线趋势图一般选取1 0 0 0 r m i n 1 5 0 0 r m i n 或者8 0 0 r m i n 为好 方案二 a l 1 0 0 0 r m i n b f 1 0 0 n m m i n c l 0 3 珊 这种情况下 所用的时间为3 小时5 3 分钟 所得数据见图2 7 a 1 0 0 0 r m i n b 1 2 0 m m m i n c o 3 咖 这种情况下 所用的 时间为3 小时2 0 分钟 采集数据如图2 1 1 图2 1 1表面形貌仪采集的数据 a 1 1 0 0 0 r r a i n b 3 1 5 0 r a m r a i n c i 0 3 r a m 这种情况下 所用的 时间为2 小时4 0 分钟 采集数据如图2 1 2 图2 1 2表面形貌仪采集的数据 由上面数据得出 进给量影响加工效率 从进给量1 0 0 m m i n 到1 2 0 m m m i n 再到1 5 0 m n m i n 所用时间分别为3 小时5 3 分钟 3 小时2 0 分钟和 2 小时4 0 分钟 即进给量每增加1 0 加m m i n 所用时间就减少1 5 分钟 并得出表 2 2 表2 2 数据采集表 泛 r a r p r s r q r tr z 组别 m 肛m m l pm 矗ib i c 0 9 8 0 02 6 5 8 35 7 1 0i 4 7 8 62 2 1 5 9 25 1 7 2 9 a l b 2 c 1 4 5 7 03 7 7 7 74 7 9 82 2 3 1 33 0 0 5 0 47 6 4 8 4 a b 3 c 1 6 4 7 4 4 2 5 5 13 8 0 92 3 8 8 02 9 1 4 8 58 4 1 7 5 从数据明显得出 这符合一般的观点 郎当迸给增加时 表面粗糙度也会随 之增加 不过要认真研究其增加的幅度 这在后面的分析中将详细说明 还会发 现 各质量参数的数值增加程度会随着进给量的增加逐渐减小 这是因为当进给 量达到一定程度 但必须符合安全合理生产条件 后 各参数就趋于一个数值 再增加就是不合格产品了 方案三 a i 1 0 0 0 r m i n b 1 1 0 0 m m m i n c l 0 3 衄 这种情况下 所用的时间为3 小时5 3 分钟 所得数据表见图2 7 a i 1 0 0 0 r m i n b 1 0 0 m m m i n c 2 0 5 啪 这种情况下 所用的 时间为2 小时2 0 分钟 采集数据如图2 1 3 1 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 1 3表面形貌仪采集的数据 a l 1 0 0 0 r r a i n b 1 1 0 0 m m m i n c 3 0 7 r a m 这种情况下 所用的 时间为小时4 0 分钟 采集数据如图2 1 4 图2 1 4表面形貌仪采集的数据 由上面数据得出 跨度也影响加工效率 从跨度0 3 m 到0 5 唧再到0 7 r c a 所用时间分别为3 小时5 3 分钟 2 小时2 0 分钟和1 小时4 0 分钟 跨度每增加 表2 3 数据采集表 参数类型 r a r p r s r q r t r z 组别 um pm p 曲 肛m m a b c 0 9 8 0 02 6 5 8 35 7 1 0 1 4 7 8 6 2 2 1 5 9 2 5 1 7 2 9 a b c 2 1 0 3 1 92 8 5 5 93 1 7 71 4 6 5 92 0 1 5 9 85 7 3 8 4 a l b i c 3 1 4 7 2 93 8 5 3 67 4 0 72 6 0 1 73 9 1 9 7 47 5 7 9 7 1 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 0 i m m 所少用的时问要比进给量每增加1 0 m m m i n 所少用的时间多 即跨度相比 进给量更能影响加工效率 者的可比性是据常规来定的 并得出表2 3 0 0 3 0 5o 7 更科学 更准确的得出结论 还必须运 图2 1 5r a r p r q r z 一跨度变化趋势图用数学工具 方差分析 2 2 5 单因素实验的方差分析 因为任何实验过程都有误差 当误差比较小时 或者对实验的精度要求不高 时 可以不考虑 但如果误差比较大或者对实验的精度要求较高时 就必须考虑 在这里 用数学的一种方法一方差分析 4 用它来对上述参数进行单因子实验 的统计分析 上述一共是在七种不同的工况条件下对工件进行加工的 在每种工况下采集 了四次实验数据 上面图表只是其中之一 以方案二为例分析参数r 测得的 数据如下表2 4 所示 表2 4 数据采集表 l 数据试验号 234 合计平均值 i 1 1 况 a i b l c l 1y l l 2 8 9 y 1 2 2 2 4y 1 3 o 9 8v 1 4 0 6 0 6 7 1 y l 1 6 8 a b 2 c 2y 2 i 1 9 0y z 2 1 4 9y 盘 1 4 6翔 1 6 6 6 5 ly 产1 6 3 a b 3 c t 3y 3 i 1 3 3 y 3 2 1 6 5y 船 1 5 7y 抽 1 4 4 5 9 9谤1 5 0 表中y 2 3 1 4 6 表示水平b 2 下第三次实验数据是1 4 6 注意 在这里把原来数据 中的四位小数四舍五入为两位小数 分析过程要注意 但不影响最后有关方差分 青岛理工大学工学硕士学位论文 i i 析的结论 其余记号意义类似 本实验中 只考察一个因子 它取了三个水平 即三个不同数值 因此叫 作单因子实验 对其进行方差分析的基本任务是 分析实验误差对数据的影响 分析因子水平的改变对指标的影响 并将他们进行比较 以判断因子b 对指标的 影响是不是显著的 1 误差的分析 虽然在同一条件下进行实验 得到的数据也不会是完全一 样的 但是它们都围绕着某一个数值上下波动 这个数值是在没有误差干扰的情 况下 实验条件所应该达到的真值 因此 只要实验过程存在误差 同 条件的 实验数据总可以分为两部分 即真值与误差两部分 前者是在实验条件不变的前 提下是固定的 后者则随具体的实验数据而变化 因为实验数据是围绕真值上下 波动的 所以误差也围绕着o 上下起伏变化 当把同一条件下的大量实验数据平 均起来的时候 误差在相当大的程度上互相抵消了 而数据的平均值就接近于真 值 这样 就可以用同一条件下各次实验数据减去他们的平均值的办法把误差近 似的计算出来 这里必须指出 数据的平均值毕竟只是接近于真值 而并不是 真值 数据平均值本身 也仍然包含着误差的干扰 不过 由于大量的数据相加 使得误差对平均值的影响己远较单次实验误差小的多 因此 用各次实验数据与 其平均值的差值也只能是近似地估算误差 并不是客观的误差 用这个办法 先求出b 的每一水平下的平均值 i 扣1 y 1 2 y y 1 4 扣8 9 2 7 4 0 9 8 0 6 0 1 6 8 再 去0 2 l y 魄 y 扣9 0 4 9 4 6 6 6 1 6 3 y 3 g 3 l y 3 2 y y 1 3 3 1 6 5 1 5 7 1 4 4 1 5 0 2 1 然后把各水平下的四个数据都减去他们的平均值 便得到各数据的误差部分如表 2 5 所示 这个表给出了各次实验中误差的一个近似估计 其中所有的 合计 都等于o 这是由于在计算各数据的误差时 用平均值代替了真值的结果 注意 本实验开始对数据进行了四舍五入处理 所以在进行相关计算时必须在原数据基 础上多记一位小数 我们知道 在一次实验中误差是正是负 是大是小 带有一定的偶然性 因 此 仅仅从表2 5 豹数据中 即单看各次实验的误差 并不能了解到各实验过程 2 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 误差的性质 要获得对误差的规律性认识 必须把各次实验的误差总起来加以考 表2 5 各数据的误差部分 谶号 堡差 l 2 3 4合计 x 誉 b l1y l l i 1 2 1y z 面 0 5 6y 而 0 7 0y 4 一1 i 0 7 o 2y 2 i o 2 7两 0 1 3强训 1 7物辱 0 0 3 o 3 y 3 t 亨净 o 1 6 强哼瑚 1 5 了嚣二感 0 7y 而 o 0 6 o 虑 这时 通常是用先平方再求和的办法把它们汇总起来 表2 5 的数据这样汇 总的结果是 2 2 s 瑗 一页 z y 一y y y 一对 y 一元 2 一再 2 g r 一元r b 一再 2 斟一元 2 6 r 一亨 2 b 一可 2 y 一亨 2 0 3 一 2 1 2 1 2 o 5 6 2 o 0 7 2 o 0 6 2 3 5 8 8 8 2 2 这个数 叫误差的变动平方和 简称误差的变动 表2 5 的每一个数反映了一次 实验下误差引起的数据变动 s 谩就反映了所有的实验中误差引起的总变动 其 计算公式 s 误 蚝一 i m 一因子水平个数 n 一每个水平下采集的数据个数 i l 尸l 注意 要进一步估计误差对每次实验的数据造成的变动有多大 从表面上分 析 是把s 误用1 2 去除 但是这样做是不正确的 因为 每次实验中客观存在的 误差虽然是相互孤立的 但是他们并不是毫无关系的 因为它们满足下面三个约 束条件 2 3 一 旷 p 旷习 旷 0 g 一再 一再 b 一习 p 一再 0 一 强一元 一习 一 0 c 籼 青岛理工大学工学硕士掌位论文 由于这三个条件的限制 表2 5 虽然列出了1 2 个数值 实际上可以变动的却只 有1 2 3 3 4 1 9 个 因此 不应该是1 2 这就得到 v m 3 5 8 8 8 0 4 0 2 4 o 上面的数字9 叫做误差自由度 记为k 它的一般计算公式 2 n 1 2 5 而把比值 v 谩 2 误 称为每个自由度的误差变动 或者简称为误差的平均变动 2 因子的分析 如上面所述 一般用各实验条件下数据的平均值去近似估 计其真值 所以可得表2 6 表2 书实验真值表 均值 警验号 工n j l 23 4 b 1 ly 1 6 8y l 1 6 8菇1 6 8菇1 6 8 b 2 2y 2 1 6 3y 2 1 6 3 y 2 1 6 3 y 2 1 6 3 b 3 3 y 3 1 5 0 y s 1 5 0 y 3 1