復雜曲面多軸加工技術切削穩(wěn)定性研究

汪榮青

摘? 要：針對復雜曲面多軸加工的條件下，提出了基于實際切削工況的情況下，對切削受力的優(yōu)化而進行的有效預測。根據(jù)被加工復雜曲面的復雜情況進行分級，根據(jù)所加工設備的軸數(shù)進行分級，根據(jù)不同的軸數(shù)來配置切削的穩(wěn)定性進行分級，裝夾工況的工藝性系數(shù)和刀具加工時與曲面的夾角大小來確定切削受力狀況，從而來保證切削的穩(wěn)定性。從仿真和實驗都說明了預測的有效性分析。提出了，優(yōu)化復雜曲面多軸切削加工的優(yōu)化因素。為后續(xù)的研究，明確了優(yōu)化方向，具有一定的應用價值。

關鍵詞：復雜曲面;多軸加工;切削穩(wěn)定性

中圖分類號：TG54? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0169-03

Abstract： Under the condition of multi-axis machining of complex curved surface， an effective prediction of cutting force optimization is put forward based on the actual cutting conditions. Classification is carried out according to the complex situation of the machined complex curved surface， according to the number of axes of the machined equipment， and according to the different number of axes， the stability of cutting is graded. The technological coefficient of the clamping condition and the angle between the tool and the curved surface are used to determine the cutting force condition， so as to ensure the stability of cutting. Simulations and experiments show the effectiveness of the prediction. In this paper， the optimization factors for optimizing multi-axis machining of complex curved surface are put forward. For the follow-up research， the optimization direction is clear， which has a certain application value.

Keywords： complex curved surface; multi-axis machining; cutting stability

引言

數(shù)控切削加工復雜曲面的過程，既是一個機械的切削過程，也是一個動態(tài)幾何形成的過程，更是一個復雜的金屬切削過程。隨著數(shù)控機床性能的大幅提升，各種高性高速機床的蓬勃出現(xiàn)，機床的最高進給量和轉速的限速不斷更新。著眼于高性能加工的工藝規(guī)劃不僅要重視刀具路徑層面的走刀路線設計，也要考慮對加工過程物理切削特性有重要影響的工藝參數(shù)優(yōu)化組合，以實現(xiàn)對高主軸轉速、大進給切削過程中刀具負載、磨損和表面完整性的有效控制，特別是要避免加工過程中，出現(xiàn)因切削力的變化所引起的切削系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。

復雜曲面的表面加工質量難度很高，這是由很多因素產生的，有機床的剛性因素，有工件工藝系統(tǒng)剛性的因素，其中最主要和銑刀在切削工件的過程中存在著切削振動造成的。所有這些因素都是切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性不佳造成的。目前對于切削系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究很多，其中主要的對于切削力的分析的。關于切削力預測的研究主要分為三類，基于神經網絡的人工智能方向、基于切削機理的切削力預測方向和基于經驗公式的銑削方向。對于切削穩(wěn)定性的系統(tǒng)研究特別是針對復雜曲面的切削穩(wěn)定性研究一直是一個期待解決的難題。多軸加工技術是目前難度較大和應用范圍較廣的數(shù)控技術，也是數(shù)控技術的發(fā)展方向。多軸數(shù)控加工中心主要應用于復雜曲面的加工，在軍工航天、機械工業(yè)等重要領域起到了決定性的作用。它標志著一個國家的自動化切削加工技術水平的高低。多軸聯(lián)動技術的目的之一就是實現(xiàn)高速切削加工，提高切削加工效率。然而在凹凸復雜曲面的切削加工中，切削穩(wěn)定性一直是難以攻克的問題。主要是多軸加工機床主要由多軸機床床身、機床主軸、多軸機床工作臺、多軸刀具系統(tǒng)和多軸夾具系統(tǒng)組成，組成系統(tǒng)復雜。多軸機床是由多體系統(tǒng)通過剛性和柔性連接來實現(xiàn)加工運動。由于多軸切削加工系統(tǒng)的復雜性，所以如何提高多軸數(shù)控加工中心的切削效率，是使其最大程度地發(fā)揮作用的關鍵。

在工程實際中由于切削穩(wěn)定性不好，有時不得不降低切削用量，導致切削效率降低。因此，對多軸數(shù)控加工中心的切削穩(wěn)定性進行研究十分重要。加工精度是零件切削加工過程中首要的評價標準，對零件加工精度測量、提高切削加工穩(wěn)定性研究，對實際生產具有現(xiàn)實意義。

從彈性工件加工入手，對薄壁工件的切削穩(wěn)定性進行分析。運用MATLAB對切削穩(wěn)定域進行了仿真分析，得出切實可行的穩(wěn)定域仿真算法，解決了目前國內加工過程中在選取工藝參數(shù)方面存在的問題。薄壁工件是非常特殊的工件，其各方向上的剛度存在很大差異。夾具的壓力對薄壁零件的動態(tài)性能的影響也是非常顯著的[1]。

從工藝剛性入手，對夾具工藝剛性進行研究。將夾具對工件上的壓力作為切削穩(wěn)定性的主要影響因素。并結合刀具的頻率響應函數(shù)和不同壓力條件下工件呈現(xiàn)的模態(tài)特性生成不同正壓力條件下的銑削系統(tǒng)穩(wěn)定性圖[2]。王廣越等學者，首先研究了刀具前傾角與曲率半徑對瞬時切屑厚度的影響，進而得出前傾角與曲率半徑對銑削穩(wěn)定性預測曲線的影響規(guī)律。切削穩(wěn)定性差會造成刀具震顫，零件的表面有振紋，嚴重者會直接導致刀具跳刀，刀具損壞等問題。通過時域、頻域分析綜合驗證了穩(wěn)定性的準確性。

從切削用量優(yōu)化選擇入手，對切削用量進行選擇的合理性出發(fā)，將進給量因子引入到穩(wěn)定性分析中，通過進給量的大小調節(jié)來實現(xiàn)切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3，4]。分析了由于切削的快慢可以影響切削加工的穩(wěn)定性。

從切削加工經驗入手，對切削穩(wěn)定性進行整體分析，通過實踐以基于經驗公式的方式來實現(xiàn)切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。按照經驗公式的方式來保證切削的穩(wěn)定性。張寶等學者，通過使用時間序列分析方法對動態(tài)切削力進行預測，對于動態(tài)切削力進行自適應性高精度建模。

目前，關于切削穩(wěn)定性研究，主要由通過數(shù)控機床的幾何誤差補償法、切削刀具角度補償法解決刀具與工件的震顫來解決切削穩(wěn)定性問題、機床動態(tài)切削力預測補償法解決切削穩(wěn)定性問題。這種方法進行切削補償?shù)木容^高，但僅局限于平面類型的零件，對于復雜曲面的多軸加工條件狀況下，很多因素還不可控。因此還需要對復雜曲面多軸加工切削穩(wěn)定性進行研究，分析出較為準確的復雜曲面在多軸加工條件下的切削穩(wěn)定性預測方法。

1 復雜曲面在多軸加工條件中切削變形的預測方法

復雜曲面切削情況下變形比較復雜，本文提出了一種基于實際工況下，復雜曲面在切削狀況下變形的有效預測。該方法實現(xiàn)的復雜曲面在多軸加工條件中切削變形的預測步驟如圖1所示。

首先，根據(jù)被加工復雜曲面的復雜情況進行分級。分析被加工曲面的復雜程度，對復雜曲面進行分區(qū)域，在一定的區(qū)域內分析曲面的復雜性，并配置復雜系數(shù)。然后，根據(jù)所加工設備的軸數(shù)進行分級。三軸加工中心剛性好，切削穩(wěn)定。四軸加工中心相對剛性就要差一些。而五軸加工中心切削剛性就更差了。根據(jù)不同的軸數(shù)來配置切削的穩(wěn)定性系數(shù)。除了機床本身的剛性差距，還有不同的裝夾工況，其工藝剛性是不一樣的。根據(jù)工件在裝夾過程中，懸伸量在大小，來確定裝夾工況的工藝性系數(shù)。最后，根據(jù)刀具加工時與曲面的夾角大小來確定切削受力狀況。其夾角越大，切削力就越大，對工件的穩(wěn)定性影響也就越大。本文的研究中，實測與仿真以均勻切除一定的曲面量來計算，計算如式（1）所示。

式中，fi+1為第i層曲面復雜性變形切削力，fi+2為多軸加工中心機床軸數(shù)切削力，fi+3為復雜曲面零件加工工況條件切削力。fi+4為刀具加工時與曲面的夾角大小來確定切削受力。

2 實驗驗證

實驗所用到的工件是曲面零件，材料為304鋼，在DMU50五軸加工中心上進行加工試驗，所用的刀具為？覫4mm的球頭銑刀，夾具為精密平口鉗。

復雜曲面工件切削區(qū)域切削所選用的工況為S=5000m/min，F(xiàn)=200mm/min，加工中心主軸刀具在-30°～+30°之間變化。所加工復雜曲面如圖2所示。

工件右端底部為裝夾位置，刀具在切削工件表面，應用切削力的變形預測。根據(jù)變形比例調整切削受力的大小。曲面受力變形狀況如圖3所示。

刀具切削工件時的曲面受切削力的影響很大，工件的變形很大。因此，優(yōu)化切削參數(shù)減小切削力的大小很重要。

3 切削參數(shù)優(yōu)化

復雜曲面多軸切削加工下零件的復雜性、多軸加工設備的軸數(shù)和裝夾工藝系統(tǒng)的剛性基本不變。切削參數(shù)優(yōu)化基本可以從幾個方面調整。首先從切削層的厚度來調節(jié)，減小刀具每一層的切削厚度。其次從切削用量的優(yōu)化來調節(jié)，從高轉速高進給和小切削深度來切削曲面。然后從刀具懸伸的長度來調整，縮短長度，增強切削剛性。切削變形控制的切削參數(shù)優(yōu)化，在其他工況因素都已經確定的條件下，影響復雜曲面切削加工效率的主要是多軸切削速度、切削深度、每齒進給速度和切削寬度等因素，綜合考慮切削力變形的影響。

參數(shù)優(yōu)化因素之一是切削深度。切削深度的計算公式，如式（2）所示，為所切削的待加工表面和已加工表面的差距。切削深度越大，切削受力就越大。

ap=W-M （2）式中：W-待加工表面尺寸，單位mm;M-已加工表面尺寸，單位mm。

參數(shù)優(yōu)化因素之二是切削速度。切削速度與切削效率成正比。切削速度v的提高也是提高生產的一個措施，但v與刀具耐用度的關系比較密切。隨著v的增大，刀具耐用度急劇下降，故v的選擇主要取決于刀具耐用度。另外，切削速度與加工材料也有很大關系。切削速度與刀具直徑主軸轉速等有關。

參數(shù)優(yōu)化因素之三是切削寬度。切削寬度L與刀具直徑d成正比。在多軸加工中心的切削加工中使用圓鼻刀進行加工，刀具直徑應扣除刀尖的圓角部分，即d=D-2r（D為刀具直徑，r為刀尖圓角半徑）;而在使用球頭刀進行精加工時，步距的確定應首先考慮所能達到精度和表面粗糙度。而在復雜曲面的切削加工中，廣泛使用球頭刀作為切削刀具。

切削參數(shù)的提高，對工件的材料去除率也提高了，切削效率也增強了。然而，當增加過大時，切削的受力也增大了。如果在一定的切削效率的基礎上，優(yōu)化切削參數(shù)，可以穩(wěn)定切削力，最終達到切削過程的整體穩(wěn)定性。

4 結論

針對復雜曲面多軸加工的條件下，提出了基于實際切削工況的情況下，對切削受力的優(yōu)化而進行的有效預測。根據(jù)被加工復雜曲面的復雜情況進行分級，根據(jù)所加工設備的軸數(shù)進行分級，根據(jù)不同的軸數(shù)來配置切削的穩(wěn)定性進行分級，裝夾工況的工藝性系數(shù)和刀具加工時與曲面的夾角大小來確定切削受力狀況，從而來保證切削的穩(wěn)定性。仿真和實驗都說明了預測的有效性。提出復雜曲面多軸切削加工的優(yōu)化因素。為后續(xù)的研究，明確了優(yōu)化方向。

參考文獻：

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