数控加工切学参数优化分析_毕业设计论文(编辑修改稿)

数控加工切学参数优化分析_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

、振动及温升进行科学的预测来获得优化的加工过程参数 (如合适的刀具进给量等 )。 通过建立一个这样的仿真系统，在实际加工之前不仅可以获得优化的切削加工参数，避免了传统的加工参数依照手册或经验的保守选择，充分发挥了机床的潜能，大大提高了生产效率，而且可以对加工产品的精度进行预测，给出满足加工要求的误差补偿方法，设计出合理的切削工艺方案。 只有这样，数控仿真系统才会发挥更大的作用，才能成为完善的、真正意义上的仿真系统。 国外在数控加工过程仿真方面做了许多工作。 美国 Mayland 大学开发了用于培训数控操作人员的虚拟数控机床仿真器。 作为 AMT 计划的一部分，美国 NST 也开展了虚拟机床的研究。 韩国 TurboTEK 公司开发出面向培训的虚拟数控车削及铣削加工环境，能够实现数控加工的几何仿真并配有声音信息。 口本 SONY 公司研制的 FREDAM 系统可对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，并进行干涉、碰撞检查。 意大利 Bologn,大学用 B 样条曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实感图形显示铣床精加工过程。 目前，数控加工过程仿真，尚属以理想几何图形来检验数控代码是否正确的几何仿真，此时刀具和工件均被 视为仅具几何形状的刚体，不考虑切削参数、切削力及其它因素对切削加工的影响。 迄今为止，国内外绝大多数己开发研制出的数控仿真系统只能称为一个几何仿真系统。 清华大学与华中理工大学共同开发的加工过程仿真器 HMPS 和哈尔滨工业大学的数控加工过程三维动态图形仿真器 NCMP 虽然己较好地解决了加工过程图形的描述及数控代码验证问题，但并没有模拟仿真出数控切削加工时机床、刀具、工件所实际表现出的物理特性。 在数控加工在线参数优化发展的同时，随着计算机仿真技术的口趋成熟，离线加工过程参数优化的方法近年来也在迅速发展。 与在线的自 适应控制不同，离线的参数优化是在实际加工之前，通过对加工状态的预测并结合己有的经验和数据来进行加工参数优化。 离线的参数优化又可分为定参数优化及变参数优化，所谓定参数优化是指设计参数 数控加工切削参数优化分析 5 在一道工序中保持不变，反之称为变参数优化。 定参数优化方法主要适用于零件在该工序中切削条件变化不大的情况。 定参数优化研究内容主要是利用己有的经验数据，以加工效率、加工成本和加工质量中的一个或多个为目标建立数学模型，然后选用合适的寻优算法为特定零件的某一道工序选择一组固定的最佳参数，主要包括进给量、主轴转速等等。 变参数优化主要是通过仿 真的手段预测加工过程中一些重要的数据，并以此为依据在约束范围内寻找特定目标的最优化加工参数。 目前，变参数优化研究内容主要是以最短加工时间为目标、以切削力为约束的进给量的优化。 对铣削加工来说，长期以来，离线变参数优化的研究主要集中在铣削力模型的建立上，从早期的 Wang 到最近的Fussell 和 Jeong，铣削力计算模型经历了平均刚性力模型 (根据材料去除率估算平均铣削力，即 MMR 模型 )到瞬时刚性力模型的过程，并己口趋完善，但采用这些现代优化算法对切削参数的研究还都处于初级阶段，并在特定的条件下具有一定的可行性和有 效性，同时也取得了一定的经济效益。 本文研究的主要内容 由于在数控加工过程中，切削条件不是一成不变的，但在现在的数控加工中还大都是人为的选择保守的切削参数，并且在加工过程中这些参数保持不变，从而大大降低了数控机床的生产效率。 课题的任务是采用通过对数控加工刀具，走刀轨迹的优选，以及对数控切削加工工艺参数优化目标、约束的研究，建立相应的数学优化模型，找到一种相对简单的切削参数优化方法。 (a)基于加工工艺参数的刀具选择。 分别对数控车削、铣削刀具及数控铣削刀具的优选进行了阐述。 (b)确定加工工艺参数的优化目标。 包括单目标函数数学模型的建立及多目标函数数学模型的建立。 (c)建立正确的数学模型和恰当的约束条件。 (d)软件分析与计算。 包括用 MATLAB 求解的数控车削切削参数单目标优化。 陕西科技大学毕业论文 6 2 基于加工工艺参数的刀具优选 在数控加工中刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。 应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。 刀具选择总的原则是 :安装调整方便，刚性好，耐用度和精度高。 在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。 选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应，加工工艺参数的优化也要基于加工刀具的优选。 数控铣削刀具优选 现代铣削是种非常普遍的加工方式。 过去几年以来，伴随着机床的不断发展，铣 削发展己经成为可加工大量不同结构产品的通用方法。 铣削主要通过旋转的多切削刃 刀具，沿着工件在几乎任何方向上执行可编程的进给运动，从而完成金属切削。 最常 见的应用是平面铣削，伴随着五轴加工中心和柔性制造单元的不断增多，其它的加工 方式和表面加工方法也得到了长远的发展。 数控铣削刀具应用十分广泛，各种平面轮廓和立体轮廓的零件，如凸轮、模具等都采用数控铣床加工。 此外，数控铣床还可以进行钻、扩、铰、攻丝等加工。 数控铣削常用刀具的种类有面铣刀 (采用在盘状刀体上机夹刀片或刀头组成 )、立铣刀、成形铣刀、球头铣刀和玉米铣 刀等，它们的选用是根据加工的对象的情况来进行选择的。 从铣削加工的角度考虑，主要加工对象分为平面类零件 (加工面平行、垂直于水平面或加工面与水平面成定角的零件 )、倾斜角类零件 (加工面与水平面的夹角是连续变化的零件 )、曲面类 (立体类 )零件 (加工面为空间曲面的零件 )。 一般而言，平面类的零件广泛采用立铣刀，也常用面铣刀铣较大的平面。 倾斜角类零件和曲面类零件则常采用球头铣刀。 总的来讲，面铣刀常用于端铣较大的平面。 立铣刀广泛用于加工平面类零件。 球头铣刀适用于加工空间曲面零件，有时也用于平面类零件较大的转角或圆弧的差补加工。 而成形铣刀一般都是为特定的工件或加工内容专门设计制造的，适用于加工平面类零件的特定形状(如角度面、凹槽面等 )，也适用于特殊形状的孔及台的加工。 铣刀刀片的选择 某些加工场合选用压制刀片是比较合适的，有时也需要选择磨制的刀片。 粗加工最好选用压制的刀片，这可降低加工成本。 压制刀片的尺寸精度及刃口锋利程度比磨制刀片差，但是压制刀片的刃口强度较好，粗加工时耐冲击并能承受较大的切深和进给量。 压制的刀片有时前刀面上有卷屑槽，可减小切削力，同时还可减小与工件、切屑的摩擦，降低功率需求。 但是压制的刀片 表面不像磨制刀片那么紧密，尺寸精度较差，在铣刀刀体上各刀尖高度相差较多。 由于压制刀片便宜，所以在生产上得到广泛应用。 对于精铣，最好选用磨制刀片。 这种刀片具有较好的尺寸精度，所以刀刃在铣中的 数控加工切削参数优化分析 7 定位精度较高，可得到较好的加工精度及表面粗糙度。 另外，精加工所用的磨制铣刀片发展趋势是磨出卷屑槽，形成大的正前角切削刃，允许刀片在小进给、小切深上切削。 而没有尖锐前角的硬质合金刀片，当采用小进给小切深加工时，刀尖会摩擦工件，刀具寿命短。 磨过的大前角刀片，可以用来铣削粘性的材料 (如不锈钢 )。 通过锋利刀刃的剪切作用， 减少了刀片与工件材料之间的摩擦，并且切屑能较快地从刀片前面离开。 作为另一种组合，可以将压制刀片装在大多数铣刀的刀片座内，再配置一磨制的刮光刀片。 刮光刀片可清除粗加工刀痕，比只用压制刀片能得到较好的表面粗糙度。 而应用刮光刀片可减小循环时间、降 低成本。 铣刀刀体的选择 首先，在选择一把铣刀时，要考虑它的齿数。 例如直径为 100mm 的粗齿铣刀只有 6 个齿，而直径为 100mm 的密齿铣刀却可有 8个齿。 齿距的大小将决定铣削时同时参与切削的刀齿数目，影响到切削的平稳性和对机床功率的要求。 每个铣刀生产厂 家都有它自己的粗齿、密齿铣刀系列。 在进行重负荷粗铣时，过大的切削力可使刚性较差的机床产生振颤。 这种振颤会导致硬质合金刀片的崩刃，从而缩短刀具寿命。 选用粗齿铣刀可以降低对机床功率的要求所以，当主轴孔规格较小时 (如 R8, 30, 40锥孔 )，可以用粗齿铣刀有效地进行铣削加工。 粗齿铣刀多用于粗加工，因为它有较大的容屑槽。 如果容屑槽不够大，将会造成卷屑、排屑困难或切屑与刀体、工件的摩擦加剧。 在同样进给速度下，粗齿铣刀每齿切削负荷较密齿铣刀要大。 精铣时切削深度较浅，一般为 ～ ，每齿的切削负荷小，所需功率不大，可以选择密齿铣刀，而且可以选用比较大的进给量。 由于精铣中金属切除率总是有限，密齿铣刀容屑槽小些也无妨。 对于锥孔规格较大、刚性较好的主轴，也可以用密齿铣刀进行粗铣。 由于密齿铣刀同时有较多的齿参与切削，当用较大切削深度 (～ 5mm)时，要注意机床功率和刚性是否足够，铣刀容屑槽是否够大。 排屑情况需要试验来验证，如果排屑有问题，应及时调整切削用量。 切削时冷却和涂层的选择 平面铣削是否要冷却，存在争议。 当用一个大直径面铣刀铣削时，冷却液难以喷到整个铣 刀。 特别是铣削属于断续加工，刀片在频繁地切入、切出，实际上冷却液达不到刀尖，而是刀尖切入时被加热，切出时被冷却。 这种很快地加热、冷却，极易引起热裂纹。 如果刀片出现裂纹，并且在切削时从刀片座中落下，刀体还将会受到严重的损坏。 陕西科技大学毕业论文 8 现代的刀具涂层能使温度裂纹产生的概率大大降低，更加促进了干式切削的发展，特别是 TiAlN 涂层刀具很适合于干式切削。 因为当切入金属时，切削的热量使 TiAlN 表面发生化学变化，使表明硬度更高。 干式切削的优点是操作者可以看清切屑实际的形状和颜色，为操作者提供了评定切削过程的信 息，由于工件的化学成分不同，发出的信息也不一样 :当加工碳钢时，形成暗褐色切屑，说明采用切削速度适当。 当速度进一步提高，褐色切屑将变成蓝色。 如果切屑变黑，表明切削温度过高，此时应降低切削速度。 不锈钢的导热率较低，其热量不能很好地传至切屑，所以加工不锈钢应选用适当的切削速度，使切屑带有淡淡的棕褐色。 如果切屑变成深褐色，表明其切削速度己达最高限度。 有时，为避免刀瘤，加工不锈钢的切削热又是需要的。 另外，冷却液会使切屑冷却太快而熔合在刀片上，导致刀具寿命降低。 过高的进给量会引起材料的堆积，而进给量 过低又会使刀具与工件发生摩擦，也会导致过热。 干切的目标是要调整切削速度与进给量，使切削产生的热量传到切屑上而不是工件或铣刀上。 因此，应避免使用冷却液，以便观察飞溅的切屑，适当地调整切削速度和进给量。 热切屑意味着热量没有传到零件和刀具上，不会发生热裂纹，从而延长了刀具寿命。 但当加工易燃性的材料 (如镁和钦 )时，应注意冷却并备好灭火设施。 值得一提的是，当干切时，在螺钉与铣刀体的结合面应涂少量防止“咬死” (难以拆卸 )的化合物也很重要，但要注意不要带进污物，否则会影响铣刀的安装精度。 顺铣和逆 铣的选择 在进行逆铣时，刀片从零切削厚度处开始切削，这会产生很高的切削力，从而推动铣刀和工件彼此远离。 刀片被强行推入切口后，通常会与由正在切削的刀片所导致的加工淬硬表面接触，同时在摩擦力和高温的作用下产生摩擦和抛光效果。 切削力也更容易将工件从工作台上抬起。 在进行顺铣时，刀片从最大切屑厚度处开始切削。 此举可通过降低热量和减弱加工淬硬趋势来避免抛光效果。 应用最大切屑厚度非常有利，并且切削力更容易将工件推入铣刀，以使刀片进行切削作用。 在进行铣削时，断屑有时会粘接或焊接到切削刃上，并且会 聚集到下一刃切削的起始周围。 进行逆铣时，断屑比较容易被截留或楔入到刀片和工件之间，从而会导致刀片破裂。 而进行顺铣时，同样的断屑会一分为二，从而不会损坏切削刃。 无论机床、夹具和工件的要求如何，顺铣都是首选方法，这样会取得更好的加工效果。 因为逆铣时，刀片切入前产生强烈摩擦，造成加工表面硬化，使下一个刀齿难以切入。 当顺铣时应使铣削宽度大约等于 2/3 铣刀直径，这可保证刀刃一开始就能立即切入工件，几乎没有摩擦。 如果小于 1/2 铣刀直径，则刀片又开始“摩擦”工件，因为切入时切削厚度变小，每齿进给量也将因径向切削宽度的变 窄而减小。 “摩擦”的结果使刀 数控加工切削参数优化分析 9 具寿命缩短，对于硬质合金刀具，增加每齿进给量和减小切削深度是比较有利的。 所以粗铣时，若径向切削宽度小于铣刀半径时，增加走刀量，其刀具寿命将会提高，加工时间随之缩短。 当然，精铣需要工件表面光洁，所以应限制走刀量。 试调整径向铣削宽度，确定铣刀直径与径向铣削宽度之比的工作，最好在高精度机床上进行，以便在调整比率的同时，观察其工件表面粗糙度的变化。 数控车削刀具优选 数控车床是目前应用较广的数控机床，主要用于旋转体零件的车、镗、钻、铰、攻丝等加工，一般能自动完成内外圆柱面 、圆锥面、球面、端面等工序的切削加工。 数控车床能兼作粗、精车削，粗车时切削用量较大，要求粗车刀强度高、耐用度好。 精车时直接决定着产品的质量，因而为了保证加工精度，要求刀具的精度高、耐用度好。 数控车床使用的刀具有焊接式和机夹式之分，为减。