數(shù)控機(jī)床金屬零件加工中精度工藝優(yōu)化研究

王靜靜，雷 佩

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002）

在21世紀(jì)以信息化帶動(dòng)工業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略影響下，國(guó)內(nèi)制造業(yè)產(chǎn)生了翻天覆地的變化，作為現(xiàn)今的制造技術(shù)重要分支，數(shù)控機(jī)床的加工工藝為現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展邁向自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域提供的技術(shù)支持。隨著我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)機(jī)床中金屬零件的應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，如何在縮短輔助工具用時(shí)的前提下，保證加工產(chǎn)品的去除材料速率，對(duì)高速以及高精的工藝手段提出了更苛刻的要求。在計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算下實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)的選擇完成自動(dòng)化或者半自動(dòng)化生產(chǎn)，和完全依賴(lài)傳統(tǒng)手藝相比，在此模式下完成的定性參數(shù)能夠同時(shí)對(duì)不同的條件約束下，做綜合的考慮和平衡，從而達(dá)到快速低成本的經(jīng)濟(jì)成果[1]。在以美國(guó)為首的西方國(guó)家中已經(jīng)完成一系列的優(yōu)化工藝數(shù)控加工切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，在世界知名的波音飛機(jī)公司等已經(jīng)廣泛采納，并產(chǎn)生了非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益。而國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床中由于關(guān)鍵性零件的尺寸各不相同，結(jié)構(gòu)制造較為復(fù)雜，因此在加工過(guò)程中傳統(tǒng)的工藝手法會(huì)導(dǎo)致工作效率過(guò)低。本文提出利用動(dòng)力學(xué)建模的方法對(duì)典型的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，尋找切削參數(shù)的最優(yōu)結(jié)果，為提高金屬零件的加工效率提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)控機(jī)床金屬零件加工中精度工藝優(yōu)化方法

1.1 構(gòu)建動(dòng)態(tài)矢量變換模型

數(shù)控機(jī)床中金屬零件的加工中會(huì)涉及到旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度變換問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)該旋轉(zhuǎn)角度能夠滿足實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，通過(guò)動(dòng)態(tài)矢量法建立變換模型。為確保動(dòng)態(tài)矢量之間的變換關(guān)系需要根據(jù)機(jī)床的工作原理了解切削工具與零件表面的建立條件：一是金屬零件的路徑規(guī)劃不能超過(guò)材料的精度成形輪廓，二是在切割過(guò)程中要保持材料噴嘴與零件側(cè)面的平行[2]。根據(jù)上述條件在建模過(guò)程中依據(jù)動(dòng)態(tài)矢量的變化特征，對(duì)需要減材的零件設(shè)備只能延其表面做橫向移動(dòng)，工具的軸線必須和接觸點(diǎn)的矢量保持平行狀態(tài)，而在增材的過(guò)程中熔覆噴嘴的行動(dòng)路徑需要沿著切割面進(jìn)行移動(dòng)，工具的軸線必須和切削的接觸點(diǎn)保持切向平行，兩者在垂直中位線上形成90度的夾角[6，7]。在此過(guò)程中這些矢量的動(dòng)態(tài)變換必須在路徑開(kāi)始時(shí)就完成熔覆點(diǎn)的側(cè)面平行輪廓設(shè)定，在路徑選擇中通過(guò)反向螺旋的方法使工具能夠和零件的接觸面保持垂直狀態(tài)，無(wú)論工作軸怎么變換角度整個(gè)過(guò)程都可以沿著設(shè)定方向移動(dòng)，完成動(dòng)態(tài)矢量的變換模型構(gòu)建。

1.2 定位金屬零件加工基準(zhǔn)面

在變換模型構(gòu)建完成后需要對(duì)加工零件的基準(zhǔn)面進(jìn)行定位選擇，定位基準(zhǔn)面是由加工工藝中在機(jī)床或者夾具的使用中，工具放置的點(diǎn)和線在形成的夾角可以形成面狀的結(jié)構(gòu)。一個(gè)良好的加工基準(zhǔn)面可以將零件的加工程序簡(jiǎn)化，大體上基準(zhǔn)面的選擇是根據(jù)金屬零件的工件能否被加工分類(lèi)，根據(jù)其原始表面的粗糙程度將其表面分為粗度基準(zhǔn)、精度基準(zhǔn)以及中和基準(zhǔn)三個(gè)類(lèi)型。根據(jù)設(shè)定好的加工條件和要求，將設(shè)計(jì)者的想法和圖紙進(jìn)行數(shù)字化可視化處理，可以把復(fù)雜的切削過(guò)程中多個(gè)目標(biāo)分解為簡(jiǎn)單的極值條件[4，5]。每個(gè)基準(zhǔn)面在加工之前都是一個(gè)平行的分層結(jié)構(gòu)，兩個(gè)相鄰的層面之間具有同類(lèi)似的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，在模型變換過(guò)程中上一層的點(diǎn)進(jìn)行相連形成平行線，和相鄰的層面之間構(gòu)成臺(tái)階效應(yīng)。因此在零件加工過(guò)程中必須先設(shè)定一個(gè)表面作為基礎(chǔ)待加工面，利用基礎(chǔ)面作為分層結(jié)構(gòu)演變的初始面在路徑運(yùn)行中進(jìn)而矢量的變換軌跡保持一致，當(dāng)模型中的運(yùn)動(dòng)軌跡始終和選擇的初始面保持平行，則可進(jìn)行相鄰層面的遞進(jìn)選擇，將其作為金屬零件加工的定位基準(zhǔn)面。

1.3 計(jì)算位置誤差確定優(yōu)化參數(shù)

在完成的組合定位設(shè)定上，每個(gè)定位基面的選擇需要滿足工件加工的精度要求，因此需要計(jì)算加工工件和刀具之間的位置誤差用以保證后續(xù)的優(yōu)化參數(shù)設(shè)定[3]。在每個(gè)加工零件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸中，將零件尺寸的中心位放置在直角坐標(biāo)系中，每個(gè)軸線的的具有一定的選擇范圍，X軸可以代表零件在其坐標(biāo)系中的自由旋轉(zhuǎn)度，不超過(guò)0.05設(shè)定值，Y軸代表定位基準(zhǔn)和另加加工位置的重合范圍，設(shè)定值小于0.04。由于每個(gè)金屬零件的尺寸各不相同，在位置選擇過(guò)程中產(chǎn)生的定位、安裝以及調(diào)整三者之間的誤差，會(huì)對(duì)最終的加工精度起到關(guān)鍵影響，因此三者之間必須滿足工件公差，表達(dá)式為：

公式中：?K表示定位產(chǎn)生的誤差范圍；?U表示安裝過(guò)程產(chǎn)生的誤差范圍；?Z表示調(diào)整時(shí)產(chǎn)生的誤差范圍。其定位基準(zhǔn)必須滿足零件的垂直軸線，工序的基準(zhǔn)設(shè)定要滿足平行軸線。每個(gè)零件在安裝時(shí)都會(huì)將其放置在垂直中心點(diǎn)的位置上，讓其圍繞坐標(biāo)做自由旋轉(zhuǎn)過(guò)程，尋找能夠和基準(zhǔn)面重合的位置。當(dāng)中心點(diǎn)的位置能和兩個(gè)軸線重合時(shí)，其實(shí)水平放置定位誤差在0.01mm以?xún)?nèi)，將該范圍的1/4作為參數(shù)優(yōu)化值即可，在此基礎(chǔ)上完成優(yōu)化方法的研究。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法具有實(shí)際應(yīng)用效果，以數(shù)控機(jī)床中螺旋金屬孔群加工為樣本，選取一組傳統(tǒng)加工工藝下作為優(yōu)化對(duì)比參照。設(shè)置孔群中的孔位中的加工直徑與加工中心坐標(biāo)各不相同，為了區(qū)別每個(gè)孔位的擺放位置，按照1-12進(jìn)行排序，具體參數(shù)設(shè)定如下表1所示。

表1 孔位加工參數(shù)

根據(jù)表中設(shè)置的12個(gè)孔位參數(shù)，在數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生11組不同的組合路徑，其中參數(shù)最小的孔位作為起始點(diǎn)為最短路徑。將傳統(tǒng)工藝方法和優(yōu)化后的工藝分別運(yùn)用在孔位起始點(diǎn)選擇中，具體形成的路徑如圖1所示。

圖1 工藝優(yōu)化前后路徑對(duì)比結(jié)果

如圖所示傳統(tǒng)工藝在路徑選擇上直接按照孔位放置路線的順序進(jìn)行排列，而使用文本方法優(yōu)化后，在路徑選擇上可以根據(jù)孔位最小參數(shù)選擇路徑起始點(diǎn)，找到最短距離。說(shuō)明本次設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法具有實(shí)際應(yīng)用效果。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

為了測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確，分別利用傳統(tǒng)工藝和優(yōu)化后的工藝進(jìn)行孔位路徑的設(shè)定，測(cè)定優(yōu)化前后路徑的選擇時(shí)間。根據(jù)霍梅爾Y300測(cè)試儀，在機(jī)床主軸最大電機(jī)功率為30kW的設(shè)定下進(jìn)行6次測(cè)試，具體結(jié)果如下表2所示。

表2 優(yōu)化前后所用時(shí)間（min）

從表中數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化前傳統(tǒng)工藝的實(shí)際平均用時(shí)為55.10min，優(yōu)化后的平均用時(shí)為31.99min，較比之前減少了23.11min，能夠有效提高加工工作效率。