摘要:高速铣削加工过程中通常采用很高的主轴转速和很大的进给率速度,致使加工件的质量对切削力的波动十分敏感,因此,探讨对高速铣削加工中切削力进行有效控制的技术,不仅有助于合理制定高速铣削加工工艺,而且能够尽量发挥机床的加工性能从而提高加工质量和生产效率。
关键词:加工工艺;进给率;切削力
一、引言
传统的铣削加工模具型面时,通常采用等切削深度恒机床进给速度的加工方法,但是由于模具型面的复杂性和多样性,采取这种方法会导致刀具的切削环境的不断变化从而引起切削载荷的起伏不定,影响了工件加工质量,且传统的进给速度选择通常是根据生产加工经验和切削手册选取各加工极限条件下最小的安全进给速度,这使得刀具在整个的数控高速铣削加工中的绝大部分时间处于轻度载荷状态,不能充分发挥机床的性能,极大地降低了加工效率。进给速度控制可以分为在线方式和离线方式。在线的进给速度调节方法就是在加工过程中,实时采集各传感器信号,根据反馈结果对加工情况作出调整。该方法由于成本高昂和可靠性太低而基本无法实用。比较普遍采用的进给速度调节手段是依据某切削模型采用离线方式修正加工文件,对机床进给速度进行控制。实现对进给速度的合理控制,不仅可以保证理想的切削载荷,而且能够充分发挥机床进给系统的潜能,提高加工效率。
二、进给速度调节的控制模型
要对进给速度进行优化调整,就要建立优化的参照模型。目前在进行进给速度优化处理时,都是通过建立相应的控制模型,以此模型为约束条件对进给速度进行优化调节,其中最具代表性的控制模型是基于等切削体积的控制模型和基于切削力的控制模型。
(一)基于等切削体积模型的进给速度控制
该方法假设加工过程中切削载荷和加工时候的材料去除率成正比,若保持加工中工件的材料去除率恒定则切削载荷将维持稳定。这方面的研究工作比较典型的有通过调节局部刀具位置的进给速度值,以维持加工过程中工件材料的去除率处于一个理想的稳定状态。
该方法由于计算简单,容易用软件方法实现,已经被一些CAM软件采用。然而由于该方法的假设只能在简单的二维直线走刀加工和圆弧走刀加工中成立,对于曲线加工或者更复杂一些三维曲面加工来说,切削载荷和切削体积成正比的假设不能成立。因此该方法具有一定的局限性。
(二)基于切削力模型的进给速度控制
该方法首先建立一个切削力模型,模型中描述了进给速度与切削力之间的关系,其原理是当加工过程中其他切削参数发生变化的时候,通过调节进给速度作为补偿以保持切削载荷稳定,即以恒定的切削力作为约束条件对进给速度进行优化调整。切削力模型是实现该控制策略的基础,模型建立的好坏直接影响到进给速度计算的准确性。目前为止,国内外学者建立了大量的切削力模型,可以归纳为理论切削力模型和经验切削力模型两大类。理论模型抽象了切削过程中,刀具和工件之间的各种复杂几何和运动关系,建立切削的切削力模型由于太过复杂,而实际生产中无法应用。比较实用的是依据切削实验建立的经验模型,提炼出描述加工过程的几个切削用量,然后通过实验方法回归得到经验系数,建立切削力模型。
三、进给速度调节的实现手段
进给速度调节最终必须要反映到机床运动中,使得机床的运动情况按照预想的情况变化才是进给速度调节方法的目的。要使得机床运动遵照预想的进给速度曲线,通常有如下两种策略。
(一)NC程序修正
依据切削模型计算得到的进给速度值,只有融入到NC加工程序中才能应用于实际生产。通常由加工中心的CAM系统得到的NC程序是在不考虑机床电机的物理性能(加减速性能)的理想情况下得到的,这就导致了实际加工效果与预期的出入很大,所以NC程序的修正过程需要考虑机床的动力性能,特别是加减速性能。机床伺服系统能力有限,不可能对进给速度变化做出理性情况的即时响应,因此在NC程序修正阶段必须要考虑加减速过渡阶段进给量。另外在NC程序中进给速度是阶梯状的,而理论计算得到的进给速度是连续的,因此如何在保证加工过程中刀具运动平稳性的前提下将进给速度值阶梯化也是NC程序修正中必需要考虑的问题。本文在对NC程序进行修改时,将对机床的动力性能进行分析,建立输入指令与实际输出的关系,进而以理想指令作为实际输出来反求优化的输入指令。
(二)CNC插补控制
在CNC插补运动阶段若能实现插补步长的自适应设置,宏观上反映出来的就是实现了进给速度的自适应调节,不失为一种从根本上革新进给速度控制的方法。然而该方法在实现阶段难度很大,需要实现插补步长的形状自适[1] [2] 下一页 |
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