基于UG的凹模零件加工工藝分析及軌跡優(yōu)化

張群威 馮凱

摘 要：在數(shù)控加工過(guò)程中，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)對(duì)零件的加工質(zhì)量有很大的影響，本文分析了凹模零件的加工工藝，并且對(duì)銑削加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，基于UG生成各種運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)各種軌跡的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。在理論分析的基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，以切削力波動(dòng)小，表面質(zhì)量精度高為目標(biāo)快速設(shè)計(jì)出適合加工要求的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，優(yōu)化刀具運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)提高加工效率、降低生產(chǎn)成本及提高精度具有重要意義。

關(guān)鍵詞：加工工藝；軌跡；優(yōu)化；凹模

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.010

0 引言

隨著制造技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)制造工藝正逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)系統(tǒng)中。并且制造系統(tǒng)的發(fā)展方向也發(fā)生了變換，逐漸向著數(shù)字化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在現(xiàn)代加工制造過(guò)程中，先進(jìn)的數(shù)控加工設(shè)備是制造系統(tǒng)的核心內(nèi)容，對(duì)制造系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)代生產(chǎn)加工技術(shù)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。在生產(chǎn)過(guò)程中，切削加工工藝參數(shù)及刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)化可以有效的發(fā)揮數(shù)控加工設(shè)備生產(chǎn)效率。

1 工藝分析

隨著技術(shù)的發(fā)展，輕量化是零件設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)重要方向，薄壁零件具有重量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)，但加工困難，也是生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的一個(gè)難題，圖1所示為實(shí)際生產(chǎn)中的一種小型薄壁零件，材料為硬質(zhì)鋁合金。該零件凸臺(tái)壁厚不足2mm，并且大部分形狀尺寸都有較嚴(yán)的公差要求，屬于整體薄壁結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較差。因此，如何保證零件尺寸、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及形狀位置精度是加工工藝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

本文以圖1所示的凹模零件為基礎(chǔ)，主要進(jìn)行了基于加工特征的刀具選樣的分析。在此基礎(chǔ)上，建立了基于加工特征的銑刀選擇規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀具的優(yōu)選，并將數(shù)控加工刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化。

數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的確定，運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)也是影響零件的加工質(zhì)量的重要因素。本文以切削力波動(dòng)小，表面質(zhì)量精度高為優(yōu)化目標(biāo)針對(duì)典型凹模零件的銑削加工對(duì)幾種刀具軌跡進(jìn)行分析。以控制切削力波動(dòng)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)鍵槽銑刀的切削力進(jìn)行理論與試驗(yàn)研究，選擇并優(yōu)化了切削力波動(dòng)最小的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 軌跡優(yōu)化

在切削加工過(guò)程中，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡是刀具相對(duì)于被加工件的運(yùn)動(dòng)路線和方向。 對(duì)各種數(shù)控設(shè)備而言，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成是數(shù)控編程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵內(nèi)容，本文對(duì)此進(jìn)行了分析研究，并且針對(duì)加工對(duì)象的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了許多實(shí)用的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2.1 行切法軌跡分析

在型腔銑削加工過(guò)程中，型腔是指具有封閉邊界的平面凹坑，并且在封閉邊界的內(nèi)部可能有一個(gè)或多個(gè)島嶼，我們以二維型腔（型腔底面為平面）為分析對(duì)象。那么型腔的加工內(nèi)容主要包括兩部分：型腔區(qū)城的加工與輪廓的加工，一般采用鍵槽銑刀進(jìn)行加工。加工過(guò)程主要有兩個(gè)步驟，第一步加工內(nèi)腔，第二步銑削輪廓。銑削輪廓一般先進(jìn)行粗加工然后再精加工。并且刀具運(yùn)動(dòng)軌跡要從型腔邊界輪廓向島嶼輪廓偏置銑刀半徑R進(jìn)行補(bǔ)償，還要留出精加工余量，這是計(jì)算內(nèi)腔區(qū)城加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的依據(jù)。

在內(nèi)腔加工時(shí)，實(shí)際生產(chǎn)中常用的兩種方法是環(huán)切法和行切法兩種走刀路線。行切法加工刀具運(yùn)動(dòng)軌進(jìn)如圖3所示，這種方法的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算相對(duì)比較簡(jiǎn)單，首先根據(jù)型腔輪廓和步距計(jì)算各行的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，然后再沿輪廓的邊界將各行刀具運(yùn)動(dòng)軌跡有序的連接起來(lái)。

2.2 環(huán)切法軌跡分析

環(huán)切法加工時(shí)，刀具一般沿型腔邊界輪廓，并且根據(jù)設(shè)定的步距走等距線，如圖3所示。刀具既可以由外向內(nèi)進(jìn)行環(huán)切也可以由內(nèi)向外進(jìn)行環(huán)切，在這個(gè)過(guò)程中，銑刀的銑削方式不變。環(huán)切法加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡本質(zhì)上就是平面封閉輪廓曲線的等距線計(jì)算。當(dāng)然如果輪廓包含有自由曲線或者含有島嶼的封閉曲線，那么刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算就應(yīng)該考慮等距線的自交與互交。刀具切削運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度就是各等距線的長(zhǎng)度之和。

衡量行切與環(huán)切走力路線的優(yōu)劣要從加工效率、走刀路線長(zhǎng)度以及代碼質(zhì)量等方面進(jìn)行分析。還要根據(jù)型腔邊界的尺寸、島的數(shù)量以及具體形狀等情況。并且型腔加工還可采用行切和環(huán)切混合的走刀方式， 通過(guò)采用各種不同的走刀方式，以加工時(shí)間最短作為評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行比較，原則就上可獲得最優(yōu)的走刀方案。

3 結(jié)論

本文主要分析了數(shù)控銑削加工過(guò)程中的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，并且以較小切削力波動(dòng)、降低表面粗糙度為目標(biāo)，測(cè)得切削力后對(duì)各種刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值進(jìn)行分析優(yōu)化，完成了以下工作：

（1）完成了以切削力波動(dòng)和表面粗糙度為目標(biāo)的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的單目標(biāo)優(yōu)選。

（2）基于UG分析了刀具軌跡和切削力的關(guān)系：隨著曲率的增大，切削力在不斷減小。

（3）基于UG在分析切削力的基礎(chǔ)上對(duì)刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化。

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