用球头铣刀加工模具曲面时刀具路径的优化.pdf

1、收 稿 日 期 : 2008210230作 者 简 介 : 张 导 成 (19662) ,男 ,副 教 授 。文 章 编 号 :100124934 (2009) 0220059204用 球 头 铣 刀 加 工 模 具 曲 面 时 刀 具 路 径 的 优 化张 导 成 1 , 潘 建 新 2 , 周 小 红 3(1. 湖 南 网 络 工 程 职 业 学 院 机 电 工 程 系 , 湖 南 长 沙 410004 ;2. 湖 南 科 技 职 业 学 院 机 电 工 程 与 技 术 系 , 湖 南 长 沙 410004 ;3. 湖 南 省 长 沙 市 宁 乡 县 教 育 局 , 湖 南 长 沙 410

2、600)摘 要 : 以 球 头 铣 刀 产 生 平 行 走 刀 精 加 工 刀 具 路 径 为 例 ,从 行 距 、 步 长 、 曲 面 分 区 加工 、 切 入 切 出 点 确 定 、 行 间 和 层 间 附 加 圆 滑 转 接 等 方 面 对 刀 具 路 径 的 优 化 进 行 研 究 ,指出 行 距 和 步 长 的 选 择 应 综 合 考 虑 ,以 兼 顾 生 产 效 率 和 曲 面 质 量 。 当 曲 面 曲 率 半 径 变 化较 大 时 ,应 分 区 确 定 行 距 和 步 长 。 切 入 切 出 点 以 及 刀 路 间 圆 滑 过 渡 不 仅 能 避 免 刀 具 过早 失 效 ,且

3、 能 提 高 模 具 表 面 质 量 。关 键 词 : 球 头 铣 刀 ; 平 行 走 刀 ; 模 具 曲 面 ; 刀 具 路 径 ; 优 化中 图 分 类 号 : T G659 文 献 标 识 码 : BAbstract : The p arallel cutti ng t ool p at h generation of ball2cutter was ta ken as a n exa mple t ost udy t he cutti ng t ool p at h op ti mization f rom t he asp ects of row sp aci ng , step l

4、engt h , sur2f ace p artition p rocessing , cutti ng i n a nd cutti ng out p oi nts , smoot h t ra nsitions betwee n rowsa nd t he layers , a nd so on. It was p oi nted t hat row sp aci ng a nd step le ngt h s hould be consid2ered comp rehe nsively t o enha nce bot h p roduction efficiency a nd surf

5、 ace qualit y. If t herewere la rge diff ere nces betwee n t he surf ace curvature radiuses , t he row sp aci ng a nd steplengt h should be determi ned in p artitions . By usi ng cutti ng i n a nd cutti ng out , a nd by attac2hi ng s moot h t ra nsitions betwee n t he t ool p at hs , t he early f ai

6、lure of t he cutti ng t ool was avoi2ded , a nd t he mold surf ace qualit y was also i mp roved.Keywords : ball cutter ; p arallel cutti ng ; mold surf ace ; t ool p at h ; op ti mization0 引 言模 具 铣 削 数 控 加 工 对 象 大 多 为 曲 面 加 工 ,球 头 铣 刀 因 切 削 过 程 中 被 加 工 曲 面 与 铣 刀 球 面的 公 法 线 经 过 铣 刀 球 面 的 球 心 ,使 干 涉 过

7、 切 现象 易 于 监 测 ,切 削 运 动 轨 迹 易 于 控 制 ,而 在 复 杂曲 面 的 数 控 加 工 中 得 到 广 泛 的 应 用 。然 而 ,在 实 际 工 艺 实 施 过 程 中 ,由 于 工 艺 人员 对 球 头 铣 刀 的 铣 削 参 数 、 铣 削 方 式 、 影 响 刀 具路 径 优 化 的 参 数 等 了 解 不 透 ,导 致 加 工 的 模 具曲 面 达 不 到 技 术 要 求 ,甚 至 产 品 报 废 ,因 此 ,如何 合 理 地 规 划 刀 具 路 径 对 数 控 加 工 具 有 重 要 的意 义 。1 球 头 铣 刀 的 铣 削 参 数 与 铣 削 方 式9

8、5模 具 技 术 2009. No . 2 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/球 头 铣 刀 的 主 要 铣 削 参 数 有 :刀 具 转 速 nr/ min、 切 深 apo mm、 行 距 aeo mm、 铣 刀 每 齿 进 给量 f z mm/ z、 进 给 速 度 vf mm/ min、 铣 刀 球 面 半径 R mm、 铣 刀 齿 数 Z。参 考 文 献 4 对 球 头 铣 刀 铣 削 曲 面 的 情 况进 行 了 研 究 ,研 究 结 论

9、表 明 :沿 铣 刀 轴 线 z 方向 ,当 apo R 时 ,球 头 铣 刀 在 ( R - aeo ) z R 时 ,在 - ( aeo - R) z R时 的 铣 削 层 参 数曲 面 精 加 工 时 ,因 加 工 余 量 一 般 较 小 ,故 通常 为 图 1 所 示 的 铣 削 方 式 。图 1、 图 2 中 h 为 残 留 沟 纹 高 度 ,有 如 下 的关 系 式 :h = R2 - aeo22(1)2 球 头 铣 刀 应 用 于 平 行 走 刀 精 加 工刀 具 路 径 时 的 优 化目 前 刀 具 路 径 的 产 生 主 要 通 过 CAM 软 件实 现 ,MasterCAM

10、 作 为 一 种 主 流 的 CAM 软 件 ,提 供 了 多 种 曲 面 精 工 方 法 。平 行 走 刀 精 加 工 ( Parallel Finishing) 能 使刀 具 沿 着 相 互 平 行 的 方 向 铣 削 零 件 ,产 生 数 控铣 削 程 序 。 辐 射 走 刀 精 加 工 ( Radial Finishing)能 使 刀 具 由 零 件 上 任 一 点 ,沿 着 向 四 周 散 发 的路 径 加 工 零 件 。 投 影 加 工 ( Project Finishing) 能把 2D 图 形 或 刀 具 路 径 投 影 在 零 件 几 何 模 型 上 ,产 生 零 件 的 3

11、D 精 加 工 走 刀 路 径 。 流 线 走 刀 精加 工 ( Flowline Finishing) 使 刀 具 沿 曲 面 形 状 的自 然 走 向 产 生 刀 具 路 径 。 直 纹 面 加 工 ( RuledToolpat h) MasterCAM 还 提 供 多 种 加 工 直 纹 面的 特 别 方 法 。在 这 些 丰 富 的 曲 面 精 加 工 功 能 中 ,平 行 走刀 精 加 工 是 应 用 最 为 普 遍 的 方 法 ,可 用 来 加 工复 杂 的 模 具 曲 面 零 件 。 然 而 ,由 于 没 有 科 学 合理 地 选 择 好 直 接 影 响 产 品 表 面 质 量

12、的 2 个 主 要因 素 :行 距 aeo和 步 长 L ,实 际 应 用 中 某 些 产 品 的表 面 质 量 达 不 到 技 术 要 求 。(1) 选 择 合 理 的 行 距 aeo 。 由 图 1 可 以 看出 ,行 距 aeo的 大 小 直 接 关 系 到 加 工 后 曲 面 上 残留 沟 纹 高 度 h 的 大 小 , h 大 则 表 面 粗 糙 度 大 ,影响 零 件 加 工 精 度 。 行 距 aeo 选 得 太 小 ,虽 然 能 提高 加 工 精 度 ,但 程 序 太 长 ,占 机 加 工 时 间 成 倍 增加 ,效 率 降 低 。 因 此 ,行 距 aeo的 选 择 应 力

13、求 做 到恰 到 好 处 。 行 距 aeo的 选 择 取 决 于 铣 刀 半 径 及 允许 的 沟 纹 高 度 和 曲 面 的 曲 率 变 化 情 况 。 可 考 虑用 下 列 方 法 进 行 计 算 :aeo = 2 h(2 R - h) R (2)式 (2) 中 ,当 零 件 曲 面 上 凸 时 取 正 号 ,下 凹时 取 负 号 。 为 曲 面 上 某 处 的 曲 率 半 径 。实 际 编 程 时 ,如 果 零 件 曲 面 上 各 点 的 曲 率变 化 不 太 大 ,可 取 曲 率 最 大 处 作 为 标 准 计 算 。有 时 为 了 避 免 曲 率 计 算 的 麻 烦 ,也 可 采

14、用 下 列近 似 公 式 来 计 算 行 距 :aeo = 2 2 R h (3)有 时 为 了 减 小 沟 纹 高 度 ,也 可 以 在 原 来 的两 行 距 之 间 (刀 峰 处 ) 加 密 行 切 一 次 ,即 进 行 一次 去 刀 峰 处 理 ,这 样 相 当 于 将 aeo减 小 一 半 ,实 际效 果 会 更 好 。(2) 选 择 合 理 的 步 长 L 。 步 长 L 的 确 定 方法 与 平 面 轮 廓 曲 线 加 工 时 步 长 的 计 算 方 法 相06 Die and Mould Technology No2. 2009 1994-2009 China Academic

15、Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/同 ,取 决 于 曲 面 的 曲 率 半 径 与 允 许 的 插 补 误差 允 (其 值 应 小 于 零 件 加 工 精 度 ) 。 步 长 L 可按 式 (4)进 行 计 算 :L = 2 允 (2 - 允 ) 2 2 允 (4)实 际 应 用 时 ,可 按 曲 面 曲 率 最 大 处 作 近 似计 算 ,然 后 用 等 插 补 段 法 编 程 ,这 样 做 要 方 便 得多 。以 上 行 距 aeo 和 步 长 L 的 计 算 过 程 中 都 涉及 到 曲 面 的

16、 曲 率 半 径 ,精 确 计 算 出 曲 面 某 处 的曲 率 半 径 是 困 难 的 ,比 较 简 便 的 方 法 是 借 助MasterCAM 软 件 ,方 法 如 下 :选 择 菜 单 Analyze/ Surfaces/ Curvat ure ,菜单 如 图 3 所 示 ,其 中 Facet size 用 来 确 定 缀 面 的大 小 (以 像 素 为 单 位 ) ,曲 面 被 细 分 为 许 多 方 形的 小 缀 面 , Facet size 越 小 ,缀 面 越 多 ,分 析 的 结果 越 精 确 。 菜 单 中 的 其 它 项 取 缺 省 值 。按 图 3 菜 单 中 的 Do

17、 it ,曲 面 的 最 小 曲 率 半径 会 在 提 示 行 显 示 出 来 。图 3 MasterCAM 曲 面 曲 率 分 析 菜 单在 求 得 曲 面 的 最 小 曲 率 半 径 后 ,代 入 式 (2)和 式 (4) ,即 可 求 出 加 工 时 需 要 的 行 距 和 步 长 ,此 时 计 算 出 的 数 据 能 根 据 曲 面 的 精 度 误 差 达 到最 佳 值 。3 刀 具 路 径 优 化 的 其 它 策 略除 了 以 上 分 析 的 通 过 合 理 选 择 行 距 和 步 长来 优 化 加 工 刀 具 路 径 以 外 ,还 可 以 从 以 下 几 个方 面 规 划 刀 具

18、路 径 :(1) 当 一 个 曲 面 上 存 在 着 若 干 个 凸 出 或 凹陷 面 (即 曲 面 有 突 变 区 ) 时 ,将 曲 面 划 分 为 几 个区 域 ,确 定 各 自 不 同 的 步 长 和 行 距 ,保 证 加 工 轨迹 的 一 致 性 ,实 现 零 件 表 面 的 质 量 最 优 化 。图 4 所 示 为 某 公 司 生 产 的 电 话 机 底 壳 产 品示 意 图 。 在 加 工 该 产 品 电 极 时 ,应 认 真 考 虑 产品 的 结 构 特 点 。 由 图 4 可 知 :区 域 1 比 较 陡 峭 ,而 区 域 2 则 比 较 平 坦 。 编 制 数 控 加 工 程

19、 序 时 ,应 将 2 个 区 域 区 分 开 来 ,用 不 同 的 步 长 和 行 距进 行 加 工 。 这 样 才 能 保 证 精 加 工 后 两 个 区 域 的残 留 高 度 大 小 和 均 匀 程 度 基 本 一 致 ,工 件 最 后的 表 面 质 量 才 能 达 到 最 佳 。图 4 根 据 曲 面 的 曲 率 变 化 划 分 不 同 区 域(2) 充 分 考 虑 切 入 点 和 切 出 点 的 影 响 。 在切 入 、 切 出 处 ,可 以 外 延 时 ,通 过 沿 零 件 轮 廓 曲线 的 引 入 、 引 出 弧 或 者 引 入 、 引 出 线 切 入 和 切 出零 件 表 面

20、。 当 切 入 、 切 出 无 法 外 延 时 ,铣 刀 可 沿零 件 轮 廓 的 法 线 方 向 切 入 和 切 出 ,并 将 其 切 入 、切 出 点 选 在 零 件 轮 廓 两 几 何 元 素 的 交 点 处 。(3) 在 遵 循 有 关 编 程 原 则 基 础 上 附 加 合 理的 圆 滑 转 接 。 在 相 邻 两 行 切 削 刀 路 间 、 在 相 邻两 层 切 削 刀 路 间 附 加 圆 滑 转 接 。如 图 5 所 示 ,在 使 用 软 件 所 提 供 的 刀 路 光顺 化 设 置 后 ,相 邻 行 切 刀 路 中 的 行 间 移 刀 中 自动 附 加 了 圆 滑 的 转 接

21、(图 5 中 2 处 所 示 ) ,另 外经 过 一 定 的 设 置 ,在 图 5 中 1 处 又 附 加 了 圆 滑的 刀 具 切 入 及 切 出 转 接 。 这 样 既 保 证 了 刀 路 轨迹 的 平 滑 又 有 效 避 免 了 两 行 切 间 的 拐 硬 弯 现象 ,使 刀 路 平 滑 的 转 接 到 下 一 行 去 了 ,此 种 转 接方 法 普 遍 使 用 在 各 种 曲 面 铣 削 方 法 中 。在 相 邻 两 层 切 削 刀 路 间 移 刀 时 ,最 有 效 的方 法 是 附 加 圆 滑 刀 具 转 接 。 如 图 6 中 2 处 所示 ,两 层 间 的 刀 路 圆 弧 转 接

22、 既 保 证 了 刀 路 的 平滑 过 渡 ,又 符 合 螺 旋 下 刀 减 少 切 削 阻 力 的 要 求 。16模 具 技 术 2009. No . 2 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/图 5 相 邻 两 行 切 削 刀 路 间 圆 滑 连 接图 6 相 邻 两 层 切 削 刀 路 间 圆 滑 连 接(4) 采 用 螺 旋 下 刀 方 式 切 入 工 件 ,有 效 保 证工 件 表 面 质 量 。 当 刀 具 开 始 下 刀 切 入 到 工 件时

23、 ,使 用 螺 旋 下 刀 的 方 式 平 滑 地 切 入 ,能 减 小 直接 下 刀 对 工 件 表 面 造 成 的 损 伤 。 另 外 还 应 该 为螺 旋 直 径 设 定 一 定 的 变 化 范 围 ,当 下 刀 位 置 不够 螺 旋 直 径 时 ,系 统 会 自 动 减 小 下 刀 时 螺 旋 的直 径 ,直 到 能 够 下 刀 为 止 。 但 螺 旋 的 直 径 也 不能 无 限 制 减 小 ,要 受 到 下 限 值 控 制 。 当 螺 旋 直径 太 小 时 ,就 近 似 地 为 直 线 下 刀 了 ,此 时 要 设 定为 采 用 斜 坡 下 刀 方 式 解 决 ,而 且 最 好 使

24、 用 一 个斜 坡 就 下 刀 尺 寸 处 ,来 回 的 斜 坡 加 工 会 产 生 很剧 烈 地 硬 拐 弯 ,对 表 面 质 量 造 成 影 响 。4 结 论在 用 球 头 铣 刀 加 工 三 维 曲 面 工 件 时 ,产 生的 刀 具 路 径 很 多 ,平 行 走 刀 精 加 工 刀 具 路 径 计算 简 单 、 能 满 足 复 杂 曲 面 的 加 工 精 度 要 求 ,在 模具 数 控 加 工 中 得 到 广 泛 应 用 。 通 过 科 学 地 选 择行 距 和 步 长 ,配 合 其 它 的 加 工 策 略 ,如 :曲 面 分区 加 工 、 切 入 点 和 切 出 点 确 定 、 行

25、间 和 层 间 附 加合 理 的 圆 滑 转 接 等 可 以 充 分 发 挥 出 该 刀 路 的 加工 优 势 ,完 全 能 加 工 出 满 足 生 产 技 术 要 求 的 复杂 三 维 模 具 曲 面 。参 考 文 献 : 1 张 永 智 . 数 控 铣 削 编 程 中 应 注 意 的 几 个 工 艺 问 题J . 机 械 设 计 与 制 造 ,2005 , (12) :1102111. 2 潘 建 新 . MasterCAM 软 件 在 模 具 高 速 铣 削 加 工中 的 应 用 J . 机 械 工 程 师 ,2006 , (1) :1682170. 3 尹 德 峰 ,孟 广 耀 ,刘

26、高 君 . 数 控 铣 削 加 工 曲 面 时 刀具 轨 迹 的 研 究 J . 机 械 设 计 与 制 造 ,2007 , (4) :1122113. 4 熊 放 明 . 数 控 平 行 铣 削 中 球 头 铣 刀 行 距 的 确 定J . 机 械 工 程 师 ,2005 , (1) :34235. 5 张 宇 ,韩 海 玲 . 模 具 曲 面 加 工 两 个 重 要 工 艺 问 题J . 辽 宁 省 交 通 高 等 专 科 学 校 学 报 ,2006 , (3) :49250.(上 接 第 32 页 )2 蒋 鹏 ,方 刚 ,曹 世 金 ,等 . 奔 驰 重 卡 转 向 节 挤 压 锻造

27、复 合 工 艺 的 有 限 元 分 析 J . 锻 压 技 术 ,2006 ,(1) :22227.3 赵 德 颖 ,孙 惠 学 . 轿 车 转 向 节 闭 塞 挤 压 成 形 过 程研 究 J . 塑 性 工 程 学 报 ,2006 ,13 (6) :10214.4 陈 文 琳 ,朱 玉 生 ,聂 会 星 ,等 . 半 轴 套 管 热 挤 压 成形 工 艺 数 值 模 拟 J . 农 业 机 械 学 报 , 2007 , 38(11) :1532156. 5 王 红 卫 ,黄 文 彬 . 基 于 有 限 变 形 的 转 向 节 锻 造 成形 过 程 模 拟 J . 塑 性 工 程 学 报 ,2007 ,14 (5) :10214. 6 夏 巨 谌 . 中 国 模 具 工 程 大 典 (第 5 卷 ) M . 北 京 :电 子 工 业 出 版 社 ,2007.26 Die and Mould Technology No2. 2009 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/