通过立式六轴控制并应用超声振动加工锐角转角

毕业设计（论文）外文翻译 题目 通过立式六轴控制并应用超声振 动加工锐角转角通过立式六轴控制并应用超声振动加工锐角转角这项研究提出了一种可以产生一个悬垂锐角转角的新的加工方法. 对于传统的加工方法，甚至是3 到5轴放电加工而言，加工垂直面上的的锐角转角是很难的，尤其是当其表面有不同的角度的时候。这是受进给方向和机床的电极结构必须与目标的轮廓对称的限制. 在本研究中,我们试图采用新的加工方法来加工外表面的锐角转角. 6轴控制加工适用于以任意位置和任意姿势顺着工件设置一非回转刀具。在切削过程中，当刀具沿着进给方向切削时，超声振动被应用在刀具的切削边缘. 当进行切削的时候，6轴(X、Y、Z、A、B和C)顺着刀具在某一点的姿势同时移动。从实验结果中发现五轴控制超声振动切削能在垂直面产生一锐角转角。关键字:六轴控制切割、计算机辅助设计/计算机辅助制造系统，微型钻,垂直锐角转角,超声振动刀具。1. 绪论 如果制造过程中的限制可以最小化或者消除，该产品的灵活性可极大发挥。如果象球头立铣或者平头铣刀这类回转刀具用在加工一含有垂直锐角转角的模具中，对于能清楚获得有尖锐边缘线的目标形状来说，这似乎是困难的。这是由于使用了与旋转运动对称的旋转刀具的原因。在相邻表面产生了类似圆弧的加工痕迹，如图一所示。按照惯例，大部分垂面或者斜面可以靠将工件依照基准设置在某一角度，并转动整个基准，或者靠将刀头设置成某一角度并且进给切刀的头部，如图2(a)所示. 在这个过程中,在工件底部的锋利的边缘和垂面被加工出来. 不过,如果对象是由两个垂面组成的OHSC并且表面倾角是不一致的，由于在此过程中的切削方向是固定的并且仅仅局限于线性切割，目标形状是很难达到的。因此，这就需要大量的夹具和装备来夹紧工件、使工件在机床上保持正确的位置并且在加工的过程中支撑工件。图2 含有悬垂面的锐角转角的加工方法来生产这种外形的其他可能的方法就是多主轴放电加工(EDM)，如图2（b）所示. 然而,即使是用这种方法,也很难或者根本不可能生产出一含有不同角度的OHSC。这需要6个自由度来充分地执行可以产生目标形状的加工。在以往的研究中,超声波振动被应用在车削可塑性材料和铣削玻璃纤维加强型材料上。应用超声波振动的切削力大大减少。然而，在先前的过程中，工件被旋转或者移向切削刀具，后来一次加工被限制用2到3轴控制。在其他领域的研究中，多轴控制机床习惯于一步完成一次加工，这就产生了拥有高精度、高质量和较少加工时间的工件成品。在这项研究中,使用非旋转切削工具结合超声振动的使用的6轴控制切削,如图2(C)所示。 它适用于审查OHSC构成方法的有效性。加工时，C轴和X，Y，Z，A或者B轴同时使非旋转刀具旋转.轴的运动是基于刀具的姿势和已经开发的CAM软件所产生的切削点.CAM系统产生一自由关联的刀具路径以保证切削过程的安全. 6轴控制机床轻松地具备了加工OHSC的能力,是因为6个自由度使形成需要的产品外形得以充分发挥. 同时，考虑到点钻刀具在切削操作中的尺寸和硬度，在使用超声振动使切削力大大削减之后，其才得以利用。2. 实验程序 实验步骤如图3所示,其中工件安装在6轴控制加工的工作台中心. bore byte tool安装在使用了转接器的超声振动刀具上. 该超声振动刀具被圆周式的安装在6轴控制加工中心上.在以往的研究中,超声波振动被应用在车削可塑性材料和铣削玻璃纤维加强型材料上。应用超声波振动的切削力大大减少。然而，在先前的过程中，工件被旋转或者移向切削刀具，后来一次加工被限制用2到3轴控制。在其他领域的研究中，多轴控制机床习惯于一步完成一次加工，这就产生了拥有高精度、高质量和较少加工时间的工件成品。在这项研究中,使用非回转切削工具结合超声振动的使用的6轴控制切削,如图2(C)所示。 它适用于审查OHSC构成方法的有效性。加工时，C轴和X，Y，Z，A或者B轴同时使非旋转刀具旋转.轴的运动是基于刀具的姿势和已经开发的CAM软件所产生的切削点.CAM系统产生一自由关联的刀具路径以保证切削过程的安全. 5轴控制机床轻松地具备了加工OHSC的能力,是因为6个自由度使形成需要的产品外形得以充分发挥. 同时，考虑到点钻刀具在切削操作中的尺寸和硬度，在使用超声振动使切削力大大削减之后，其才得以利用。2.1多轴机床工具和微型钻孔器被用来研究的6轴加工中心如图4所示。 加工中心准备有多轴CNC加工刀具。该6轴控制机床有3个转动轴A，B和C。它是由5轴控制加工中心再在主轴上加上一个C功能轴组成的,这种5轴加工中心有2个旋转轴，即旋转的可倾斜工作台的A轴和旋转的可标志工作台的B轴。X、Y、Z的最小位移为1微米,A 、B和C轴的最小旋转量是0.35弧度每秒.由于OHSC的切削,A轴用来确定边缘面和锐角的倾角角度、B轴用来使工件转动、C轴用来确定刀具的切削方向,X、Y轴来确定进给方向，同时，切削深度由Z轴确定. 图5显示了用于研究的非旋转刀具(bore byte tool). 它通常是由经常用于6轴控制切削的钨炭化物组成的.刀具的总长和直径分别为70毫米和5毫米. 2.2超声波振动工具图5是一种商业上可用的用于研究的超声振动刀具(SB-150:电化钴). 该USV应用于切削工具。为了完成一次有效率的和有效的振动切削，振动方向必须与切削方向设置平行。 由于振动方向并不总是与进给方向平行,微型钻孔器的姿势就被设置了. 如同图7(a)描述的,刀具轴参数T和刀具方向参数D分别被任务中的的旋转和倾斜所修正。这些被修改到修正刀具轴参数T和修正刀具方向参数上，如图7（b）所示。该刀具轴参数和刀具方向参数的改变在刀位转换中被实施。2.3计算机辅助设计/计算机辅助制造系统 6轴计算机辅助设计/计算机辅助制造系统的构成如图8所示。目标轮廓的3D-CAD数据形成于此。，必须根据目标形状来挑选微型钻孔器类型. 中央处理器产生不相干涉的包含刀具与刀位信息的CL数据和有关目标形状的3DCAD数据。图7 微型钻的振动方向的调节 后处理将中央处理器产生的CL数据转化为与加工中心的坐标系统相匹配的6轴控制NC数据，这些信息由加工中心，设置信息，切削条件和振动条件组成。另外，为了保持加工中心的进给速度达到常数并使刀具路径的背离最小化，要做所谓的线性操作。这就达到了保证产品表面，尤其是正在处理的曲面的光洁度的目的。在CL数据转换成NC数据之前,必须首先检查CL数据的干涉情况，以保证加工过程中的安全性. 如果在此阶段检查出干涉，要用中央处理器来对CL数据进行修改。3.制造带有悬垂面的锐角转角 3.1确定刀具姿势 为了表达9轴控制的超声振动切削时整个刀具的姿势，如图9所示的微型钻孔器的姿势被切削点P的坐标、刀具的轴矢量T和刀具方向矢量D所指定。这种PTD坐标被转换为NC数据并在加工过程中依次使用. 在应用超声振动的五轴控制切削中，刀具的运动和姿势的决定必须考虑到振动的方向。 由于切削方向迅速的变化, 为了保持刀具角度与外形表面保持一致，刀具的姿势要大幅度改变。3.2刀具路径的产生 产生OHSC的刀具路径的方法可以描述如下： 该OHSC由两个边脊线组成，如图10所示. 所谓的横断线被称为底面脊线，交叉线被称为边脊线. 制造锐角转角要求完成边脊线和底面脊线。侧面的刀具路径的形成 产生边脊线的表面分别由左面和右面组成.在加工一锐角转角的边脊线过程中，加工左面和右面是必要的。图11描述了产生OHSC的边缘面的刀具轨迹轮廓的方法。基于微型钻孔器的型号和目标形状的要求，首先要做的就是侧面的加工和刀具进给方向的选择。产生边脊线的邻接表面用参数u,v表示。与参数v等价的固定曲线，产生于从表面的上方到底部的区域内。表面分离的数目输入被输入从而不断产生切削点的数目。使用参数u的评估，每个相关线的切削点产生，因此切削点之间的距离将被放在指定的评定里。在每个切削点改变刀具的姿势,刀具在每一个从开始直到形成边脊线间的切削点不断移动. 虽然切削点之间彼此连接,为了获取刀具路径,由于刀具结构和目标产品的形状的原因，仅靠一个方向而加工两个相邻边是很难的。此外,刀具和工件之间可能发生干涉. 在这种情况下,刀具从加工左侧面的路径的起始点开始，结束于边脊线形成的拐角处. 如此反复,直至到达形面的底部.切削深度取决于曲面曲线总长度的分界线的数量.因为右侧面仍然有类似圆弧的形状在其拐角部分残留，所以右侧面上也要进行同样的处理. 为了形成清晰的边脊线，程序几乎和加工左侧面是一样的,因而切削终止点和左侧面的加工终点是一样的。最后点左边加工,形成了明显的山脊线.右侧面的加工也用左旋刀具来处理. 侧面的刀具路径形成过程中，为了使振动方向平行于进给方向矢量F，刀具方向矢量D旋转了10度。起点到终点的切削点的依次连接形成了刀具路径.切削过程中的刀具姿势取决于切削点的法向量N和进给方向矢量F. 刀具的进给方向矢量D和刀具轴线矢量T可分别表示为D=F*N 和 T=N 。底面刀具路径的形成 图12描述了形成OHSC的底部ridgeline的底面刀具路径形方法. 在侧面的刀具路径形成之后，在刀具紧贴底部表面的地方，底部ridgeline的刀具路径接着形成了。这里有两种产生底部表面的刀具路径的方法.一种是一步法如左上图所示，另外的一种是多步法如右上图所示。一步法中,刀具切削顶点直接接触底部脊线的位置. 在这种操作中,刀具的倾角对于充分清除残留在底部的类似圆弧的形状并形成清晰的山脊线是必要的. 在刀具路径形成的过程中，基于计算出来的与底面和切削刀具的清除角度相悖的倾角是5度，刀具的轴线矢量T要倾斜。决定切削起点和切削终点的方法同产生边缘脊线刀具路径的方法是一样的.在多步法中,来自底面的斜度用参数U和V表示。切削参考线的形成决定于从粗加工后类似圆弧形状残余的地方到底步山脊线的参考线之间的最短距离. 切割点的产生基于每个参考线上的参数v. 系统由在底面的刀具轴线矢量N和沿着切削参考线时刀具在切削点的进给矢量F来决定切削过程中刀具的姿势。刀具轴矢量T和刀具方向矢量可以分别表达为T=N和D=N*F. 切削起点因为近似圆弧形状的残留而得以呈现，并且它结束于已参考线上已形成的切削点的最后一点，沿着每个相邻的切削点移动刀具就能形成刀具路径. 4. 实验结果 4.1对切削力的影响 切削力的测量是利用测力计电阻(9257B, Kistler Co ,Ltd),从而以rms的形式对切削力进行平均和对其处理。加工受用USV和不用USV的引导。习惯的切削条件如下：400mm/min 的进给速度，分别为0.1，0.2，0.3的切削深度。振动条件如下：19KHZ的频率，35的振幅和10度的转角。已得到的计算结果如表1所示。从中可看出有USV切削时的切削力与没有USV时的比较起来是非常小的。由于切削力大大减小，刀具的硬度可以在整个切削过程中保持。4.2 OHSC的加工 切削实验也用于研究新的加工工艺方法的有效性. 用于实验的工件的大小是10010020 mm 并且其是一块铝合金(a5052JISC),它也是常用的以象锻模，真空成型，橡胶成型等的低压成型低成本铸造材料。两种类型的OHSC模型应用在此实验中,一种是带有平面的OHSC，另一种是带有曲面的OHSC. 侧面由不同的倾角组成.位于切削起点的的表面倾角与切削终点的倾角是不同的。在此情况下 ，倾角在整个过程中不是统一的。图13(a)所示的是带有平面的OHSC的模拟加工，为了用5轴控制切削执行有效的切割，必须首先分别用直径为3mm和1.5mm的球头磨刀进行粗加工。加工进行到目标产品的轮廓几乎形成的时候.如图13（b）所示，由于类似圆弧形状的残留，目标形状的角度不能很清楚的得到，要用USV辅助的6轴切削对平面进行修整。在此过程中，可根据自己的选择将左侧面或者右侧面首先加工出来。让我们假定左侧面已经加工了. 列入表2的切削和振动情况用于开发的CAM系统所产生的NC指令中。使用基于NC加工指令生成的凸轮发展计划. 加工完表面一侧后,下一步使用一步法加工底面。 列入表2的切削条件应用于除了9度倾角和1.5mm的切削深度中. 切削深度取决于使用球头磨刀进行粗加工时的类弧形残留.用右旋刀具对左侧面进行加工。完成了左侧面的加工后,下一步对右表面进行加工，这一步的加工条件，除了使用左旋刀具之外，其它条件几乎与加工左表面的条件一样。图13（d）显示的是切削实验的结果. 带有曲面的OHSC的加工模型如图14（a）所示. 在加工含有曲面的OHSC中如图14(b)所示的粗加工也应完成。从粗加工到完工的操作顺序和以前所描述的几乎相同. 但是,为了使产品表面平滑要做所谓的线性化操作。 为了加工形成脊线的底面,要求进行多路径的加工方法，因为这种方法适合曲面. 表二列出了用于此过程中的切削和振动情况。同样，图14(c)和图14(d)分别是真实的加工和完成加工后的产品. 这次实验的总时间是112分钟，其中包括了粗加工时间。在整个过程中只用到一台机床和一个工件。在无旋刀具的正常切削速度胜任了切削速率之后应用超声振动而提高切削速率，这一原因使切削效率大幅度改进。5. 结论 实验结果显示, 微型钻孔器的使用是最佳的并且由于应用超声振动而使切削力的大大减少而使刀具的硬度能满足切削的执行。.由此而发现只用一台机床就能应付产品从粗加工到完成的整个过程，这就使由于象将工件从一台机床到另外一台这类潜在成本消耗得以消除。因此，为加工含有平面和曲面的OHSC 的已开发CAM软件在这次研究中得以实验上的验证。参考资料 (1)西塞尔J，一设计自动化装置的设计方法，先进制造技术国际杂志,第18册,第11号(2001),pp.790-793. 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