复合型陡峭曲面高速加工刀路的优化
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与传统的平面、圆柱面和圆锥面零件不同,自由曲面多数不能展成平面。生产中通常利用数控机床加工曲面零件,曲面粗加工时一般选用圆角刀片提高切削效率,精加工时则采用整体式球头铣刀确保加工精度,刀具与曲面在加工过程中基本上以点接触为主,由切削点形成相应的刀路轨迹。为了保证加工精度和表面粗糙度,相邻的刀路轨迹(简称刀轨)之间的间距必须非常小,导致刀轨数量极多,而加工效率很低。
与传统的平面、圆柱面和圆锥面零件不同,自由曲面多数不能展成平面。生产中通常利用数控机床加工曲面零件,曲面粗加工时一般选用圆角刀片提高切削效率,精加工时则采用整体式球头铣刀确保加工精度,刀具与曲面在加工过程中基本上以点接触为主,由切削点形成相应的刀路轨迹。为了保证加工精度和表面粗糙度,相邻的刀路轨迹(简称刀轨)之间的间距必须非常小,导致刀轨数量极多,而加工效率很低。
高速切削技术在提高自由曲面的加工效率方面具有不可替代的优势。高速切削一般采用小切深、大进给、高转速的切削方式,非连续刀轨和刀轨中的尖角会导致机床进给系统出现急停和急转弯,产生较大的加速度和冲击力,严重影响高速加工的切削稳定性。目前开发连续光顺的刀轨是高速加工技术研究重点之一,本文以“顶部平坦曲面—陡峭面”中的内侧陡峭曲面为研究对象,以刀路连续光顺为目标,开发一种面向高速加工的复合型内侧陡峭面螺旋刀轨生成方式。

1 复合型陡峭面传统切削刀轨

(1)等高分层切削刀轨

零件由顶部平坦曲面、外侧陡峭曲面、内侧陡峭曲面和底部平面复合而成。几乎所有CAM自动编程软件中都有针对陡峭曲面的等高加工模式,图1中的等高顺铣刀轨最为常用,刀轨以顺铣方式从上到下分层切削,其优点是切削负荷比较均匀,顺铣切削加工精度较高。但由于每个切削层上都有独立的进退刀轨迹,导致刀轨的连续性较差,在进退刀动作上消耗的非切削时间较多,加工效率低。
图1 等高顺铣切削方式
图2 等高顺逆铣交互切削方式

(2)等高顺逆铣交互切削刀轨

如图2所示,等高顺逆铣交互切削刀轨是对等高分层切削刀轨的改进。在切削层之间用直线过渡取代进退刀轨迹,刀轨简洁,加工效率较高。但由于顺逆铣变换时切削矢量相反,机床的运动加速度及相应的冲击载荷较大,难以满足高速加工的要求。

3 复合型陡峭曲面螺旋切削刀轨

(1)复合螺旋线切削模式

对于“顶部平面—陡峭面”型复合曲面,可通过创建辅助螺旋线投影,将螺旋线和平面轮廓线结合起来作为CAM软件中的驱动曲线,在平面轮廓刀轨和螺旋刀轨之间平滑过渡,切削过程中只有一条进刀轨迹和一条出刀轨迹,刀轨连续光顺。对于“顶部平坦曲面—陡峭面”中的内侧陡峭曲面,应用复合螺旋线切削刀轨的效果如图3所示。图3a是单纯型复合螺旋线刀轨,因螺旋线投影原理限制,生成的螺旋刀轨并不连续。图3b是光顺型复合螺旋线刀轨,在进退刀处进行了光顺化处理,解决了刀轨的连续性问题,但刀轨上有切削矢量的突变,因此,两者都不能满足高速加工刀轨光顺连续的要求。
(a)单纯型复合螺旋线刀轨
((b)光顺型复合螺旋线刀轨
图3 复合螺旋线切削模式

(2)复合型内侧陡峭面螺旋刀轨

与相对成熟的外侧陡峭面螺旋刀轨不同,内侧陡峭面无法构建螺旋线投影所必须的过渡辅助曲面,因此无法获得连续的螺旋驱动曲线,必须开发针对内侧陡峭面的螺旋刀轨,具体算法思路如下:
①如图4所示,过型腔底面中心区域作一圆柱螺旋线,根据曲面精度和表面粗糙度要求确定螺距,为保证以顺铣方式切削,圆柱螺旋线应设置为左旋;
②如图5所示,以“实体”模式抽取原零件的三维实体;
③如图5所示,作一平行于底平面且不低于实体上最高点的辅助基准平面;
图5 抽取体及辅助平面
④如图6所示,将抽取的原零件三维实体的顶部平坦曲面替换为辅助基准平面,获得顶部为平面的实体,在这个过程中,内侧陡峭曲面的顶部曲线由三维空间曲线变为平面轮廓曲线,曲线形状的简化有利于螺旋刀轨的生成;
图6 顶部平坦曲面的替换
⑤为避免内侧陡峭曲面刀轨的离散化倾向,在“固定轴轮廓铣”切削模式中,设置顶部为平面的三维实体为检查几何体(即加工禁区),以约束内侧陡峭面刀轨的切削范围;
⑥如图7所示,在“固定轴轮廓铣”切削驱动模式中选择“曲线/点”,逆时针方向选择圆柱螺旋线和底面轮廓曲线作为驱动曲线,以“远离直线”作为投影矢量的方向,内侧陡峭曲面作为加工对象;
⑦如图8所示,为保证进刀、退刀和区域转移中的刀轨光滑过渡,在“非切削移动”中应选择“替代为光顺连接”,生成的刀轨在转接处非常光顺,避免了图3光顺型复合螺旋刀轨中切削矢量突变的问题,部分NC程序如下:
G54 G40 G17 G49 G98 G80 G90
M06 T01
G00 G90 X-13.58 Y26.383 S16000 M03
G43 Z125.941 H01
Z97.988
G01 X-13.651 Y26.415 Z97.687 F1500.
X-13.845 Y26.504 Z97.461
X-14.115 Y26.627 Z97.366
X-27.202 Y32.606 Z96.557
X-31.032 Y32.593 Z96.516 F10000.
X-34.656 Y32.592 Z96.48
X-38.745 Y32.601 Z96.445
X-39.855 Y32.606 Z96.437
X-42.247 Y32.273 Z96.414
X-44.416 Y31.215 Z96.385
由程序坐标值可知,所生成的内侧陡峭面螺旋刀轨具有连续光顺的特点,可以满足高速加工需要。
图7 双驱动曲线设置

4 实例验证

数控加工如图1所示的复杂曲面零件,以验证复合型内侧陡峭面螺旋刀轨的实际效果。根据图纸的技术要求,设定辅助螺旋线的螺距为0.80mm,采用米克朗高速加工中心加工,曲面精加工采用直径为10mm的硬质合金球刀,零件成品见图9。与传统陡峭曲面等高切削刀轨相比,总体加工时间缩短10%以上,零件精度和表面粗糙度符合图纸要求。

小结

本文针对现有数控加工中螺旋刀轨对曲面形状适应性差、无法应用于复杂陡峭曲面的问题,提出了复合型内侧陡峭面螺旋刀轨。通过构建圆柱螺旋线的方法获得光顺的螺旋驱动曲线;通过采用“提取实体——构建辅助基准平面——替换顶部平坦曲面——设置检查几何体——光顺进退刀轨迹”等综合手段,生成连续光顺的螺旋刀轨。
本文作者:王庭俊
原载:《工具技术》
上载于:2016-7-27 16:34:51

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