復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝研究

王福巧

（貴州航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 遵義 563000）

0 引言

復(fù)雜曲面加工質(zhì)量是影響相關(guān)設(shè)備使用壽命的關(guān)鍵，通過(guò)超精密多軸銑削加工，能夠聯(lián)合數(shù)控機(jī)床和多軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)，確保零件的表面質(zhì)量與使用性能。針對(duì)銑削加工工藝的質(zhì)量問(wèn)題，研究人員設(shè)計(jì)了多種加工工藝。其中，基于NSGA-Ⅱ的多軸銑削加工工藝，與基于切削穩(wěn)定性與表面質(zhì)量約束的多軸銑削加工工藝的應(yīng)用較為廣泛。

基于NSGA-Ⅱ的多軸銑削加工工藝[1]，主要是對(duì)加工工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定銑削參數(shù)、步距、進(jìn)給速度等，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析切削參數(shù)組合形式與切削變化情況?；谇邢鞣€(wěn)定性與表面質(zhì)量約束的多軸銑削加工工藝[2]，將刀具懸伸量作為輸入條件，建立反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以此建立加工質(zhì)量約束，從而滿足銑削加工質(zhì)量需求。以上兩種工藝更傾向于數(shù)字技術(shù)，相關(guān)變量可能存在不確定性，影響最終的加工效果。因此，設(shè)計(jì)了復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝。

1 復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝設(shè)計(jì)

1.1 選擇小楔角銑削加工刀具

在多軸銑削加工工藝中，刀具的硬度需要夠大，楔角需要夠小，才能滿足加工需求[3]。因此，選用0°前角作為刀具楔角，結(jié)合刀柄結(jié)構(gòu)縮小回轉(zhuǎn)半徑，實(shí)現(xiàn)銑削刀切削穩(wěn)定的目標(biāo)。選取硬質(zhì)合金四刃立銑刀，刀具直徑為8 mm，螺旋角度為45°?？紤]到復(fù)雜曲面零件的幾何形狀與尺寸，將刀具的前角調(diào)整為0°，通過(guò)刀柄結(jié)構(gòu)保證，能夠在承受更大的力，提高磨刀的效率[4]。硬質(zhì)合金四刃立銑刀如圖1 所示。

圖1 硬質(zhì)合金四刃立銑刀示意圖

圖1 中，L為硬質(zhì)合金四刃立銑刀全長(zhǎng)；P為刃長(zhǎng)；d為柄徑；h為刃徑。

在銑削加工的過(guò)程中，隨著刀具的不斷切入，零件表面原有的單元因失效而刪除，重新定義新的接觸面單元。刀具表面與加工零件表面的接觸存在一定屬性，硬接觸銑削屬性主要應(yīng)對(duì)法向作用；庫(kù)侖摩擦屬性主要應(yīng)對(duì)切向作用。采用摩擦系數(shù)表達(dá)加工表面的摩擦屬性，則：

式中，γn為銑削加工零件表面與刀具之間的摩擦應(yīng)力；μ為摩擦系數(shù)；F為法向接觸壓力。硬質(zhì)合金四刃立銑刀的硬度較大，刀柄在加工過(guò)程中受力變形較小，γn越小，證明零件與銑刀的摩擦系數(shù)越小，能夠提升零件加工質(zhì)量。

1.2 規(guī)劃復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削走刀軌跡

在加工刀具選擇完成后，調(diào)整多軸輪廓銑的刀軸位姿與投影方向，在復(fù)雜曲面零件表面生成光滑軌跡，確保銑削加工質(zhì)量。銑削走刀軌跡的規(guī)劃流程為：利用機(jī)床坐標(biāo)系與安全平面，創(chuàng)建銑削走刀幾何體模型→在模型上創(chuàng)建刀具→創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)方式、刀軸與投影矢量、非切削移動(dòng)參數(shù)等工序→生成銑削走刀軌跡。在走刀軌跡規(guī)劃的過(guò)程中，對(duì)銑削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使零件銑削加工效率達(dá)到最高的同時(shí)，優(yōu)化零件加工質(zhì)量。銑削表面粗糙度的優(yōu)化目標(biāo)為：

式中，Ka為銑削表面粗糙度的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；MKa為加工材料的表面粗糙度；n為主軸轉(zhuǎn)速；sa為銑削行距；νs為進(jìn)給速度；a1、a2、a3為待定系數(shù)?？紤]到切削參數(shù)對(duì)側(cè)銑加工的影響，確定材料去除率。算式為：

Ea=n·fn·Z·sa（3）

式中，Ea為材料去除率；fn為每齒進(jìn)給量；Z為刀具齒數(shù)。按照最大Ea，最高加工質(zhì)量的原則，生成本次軌跡規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)，算式為：

y= min[Ka（X），-Ea（X）]（4）

式中，y為復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削走刀軌跡的最短規(guī)劃值；X為走刀位置。在y已知的情況下，控制刀軸遠(yuǎn)離直線，選取合理的刀軸控制方式，避免刀具工件受到干涉。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的加工工藝，搭建了一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行仿真分析。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則以文獻(xiàn)[1]基于NSGA-Ⅱ的多軸銑削加工工藝、文獻(xiàn)[2]基于切削穩(wěn)定性與表面質(zhì)量約束的多軸銑削加工工藝，以及設(shè)計(jì)的復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝進(jìn)行對(duì)比的形式呈現(xiàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)在Matlab 2018b 平臺(tái)上進(jìn)行，將Mikron UCP710 多軸高速加工機(jī)床仿真出來(lái)，模擬出銑削加工設(shè)備的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、加速度。其中，最高轉(zhuǎn)速為18000 r/min，最大工作進(jìn)給速度為110 m/min，最大加速度0.8 g。在仿真平臺(tái)中輸入加工工藝參數(shù)，并選擇出Stellram 刀具，刀片材料為SP6519，為三角形可轉(zhuǎn)位刀片，刀具直徑為42 mm。復(fù)雜曲面零件為TC4 鈦合金，退火態(tài)，尺寸為110 mm × 60 mm × 40 mm。采用Kistler 9625B、Kistler5019A 等設(shè)備，配合仿真平臺(tái)的VERICUT 數(shù)據(jù)處理軟件，獲取零件銑削表面形貌，如圖2 所示。

圖2 零件銑削表面形貌仿真圖

以正交表來(lái)研究銑削工藝的多因素多水平問(wèn)題，每個(gè)正交表均存在四水平，4 個(gè)水平主要針對(duì)多個(gè)銑削加工工藝影響因素。通過(guò)影響因素與四個(gè)水平相結(jié)合，得到一個(gè)三維的四象限表格，指導(dǎo)本次實(shí)驗(yàn)，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，將正交四水平設(shè)定為1、2、3、4，將主軸轉(zhuǎn)速、銑削行距、銑削深度、進(jìn)給速度、刀具傾角作為加工工藝的影響因素。引入列因素極差，反映列數(shù)據(jù)的變化范圍與波動(dòng)幅度，從而確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。本次實(shí)驗(yàn)中，極差反映了列因素的水平變動(dòng)，極差越小，數(shù)據(jù)波動(dòng)越小，銑削加工質(zhì)量越佳。在其他條件均已知的情況下，將文獻(xiàn)[1]基于NSGA-Ⅱ的多軸銑削加工工藝的R 值、文獻(xiàn)[2]基于切削穩(wěn)定性與表面質(zhì)量約束的多軸銑削加工工藝的R 值，以及本設(shè)計(jì)的復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝的R 值進(jìn)行對(duì)比。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在文獻(xiàn)[1]工藝的極差值相對(duì)較大，見(jiàn)表1。從表極差波動(dòng)較為明顯，銑削加工質(zhì)量不佳。在文獻(xiàn)[2]工藝的極差值較之文獻(xiàn)[1]有所降低，銑削加工質(zhì)量得以提升。而本設(shè)計(jì)的復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝中，主軸轉(zhuǎn)速在110 ～126 r/min 的范圍內(nèi)波動(dòng)；銑削行距在78 ～83 mm 的范圍內(nèi)波動(dòng)；銑削深度在92 ～112 mm 的范圍內(nèi)波動(dòng)；進(jìn)給速度在88 ～103 r/min 的范圍內(nèi)波動(dòng)；刀具傾角在32 ～99°的范圍內(nèi)波動(dòng)，R 值相對(duì)較小，整體低于70。由此可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)的加工工藝，極差最小，銑削加工質(zhì)量更佳，符合研究目的。

為了對(duì)比這里的方法，在多軸銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化中的優(yōu)越性能，引入文獻(xiàn)[1]工藝和文獻(xiàn)[2]工藝作對(duì)比，分別在銑削表面粗糙度下，測(cè)試了復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削加工的效率，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種方法在銑削表面粗糙度下的加工效率對(duì)比結(jié)果

由圖3 可知，在不同的銑削表面粗糙度下，采用文獻(xiàn)[1]工藝和文獻(xiàn)[2]工藝時(shí)，復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削加工效率低于80%，采用本研究的工藝時(shí)，復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削加工效率在95%以上，能夠按時(shí)完成零件超精密多軸銑削加工任務(wù)。

3 結(jié)語(yǔ)

為了確保各個(gè)領(lǐng)域的零件使用效果，人們對(duì)零件的銑削加工工藝提出了更高的要求。因此，設(shè)計(jì)了復(fù)雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝。從刀具選擇、銑削軌跡規(guī)劃、刀具半徑補(bǔ)償?shù)确矫?，減少了工藝難度，延長(zhǎng)零件的使用壽命。根據(jù)多軸銑削加工需求，全方位地調(diào)整復(fù)雜曲面銑削加工軌跡，不僅提高了銑削加工的質(zhì)量，還提高了銑削加工的效率，為零件的應(yīng)用提供質(zhì)量保障。