深型腔模具精密加工技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

1、第12期2010年12月機(jī)械設(shè)計(jì)與制造M achi ner y D esi gn&M a nuf a(.t ur e227文章編號(hào):100l一3997(20l O120227-03深型腔模具精密加工技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)孫全平陳前亮(淮陰工學(xué)院數(shù)字化制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,淮安223003R eS e a r C h and r ea¨Z at i O n of t he pr eC i s e m aC hi ni ng t echn O I O gyf O r f O r gi ng di e S w i th de e p pO cketS uN Q uan_pi ng,c H EN

2、Q i粕一l i ang(Di gi t a l M anuf act ur i ng T echno l ogy I曲,H uai yi n I ns t i t u t e of Technol ogy,H面趴223003,C hi na一-卜一+一一+一+-+一+-+-+-+一+一+-+-+-+一+一+一十-+一+-+-+-+一+-+-+-+-+h卜【摘要】針對(duì)淬硬工具鋼切削性能差、深型腔模具加工廓形精度不易保證等問(wèn)題,提出了一種深型腔模具精密高速加工工藝優(yōu)化技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)構(gòu)建的加工刀軌長(zhǎng)度以及刀具懸伸長(zhǎng)度與型腔加工廓形誤差之間的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算隨加工刀軌長(zhǎng)度變化的廓形誤差值,設(shè)計(jì)瞬時(shí)的

3、螺旋線加工刀軌,運(yùn)用曲線過(guò)渡法,生成了適合深型腔模具精密高速加工的優(yōu)化刀軌?；诿卓死蔇 ur0800高速加工機(jī)床,對(duì)內(nèi)星輪模具型腔進(jìn)行精密加工,結(jié)果表明,加工精度可提高I Tl2級(jí),表面粗糙度R a0.8。關(guān)鍵詞:高速加工;刀軌;算法;優(yōu)化【A bs t ract】A i砌:ng m z船螈以鈔礦,誠(chéng)m面n加g,詁com Dwprec函b凡咖,咖批s塒i璣如印poc后e僦opi m如伽g把c,l of99y Q細(xì)r ec蠡e,t口盱譏i,蜘畫,夠d拓s t t J如危如ep c倒毋厶put加ntJ講誼A cco砌,皤f o,ne岱lr-i,蟛er r or s Q廠poc尼ei,曙d沈,口,

4、l越e,刪記以,聊d臺(tái)Z corr eZm如nto7拓跆,呼礦nD o卻m,t7詁口擴(kuò)刪如如,移九曠n c以t i,皤幻D Z田以f,如p,咤,瀧e,r or s n他c咖ct en注edjq巹er如e c以c uZ m面n礦,l e p呦如e珊倦t九m秒n彬豇矗比如呼曠k t00坤越Il l,k k溉s7M妒ed幻D坤田c帆6e c陀m ed肘b旭伽er,如叩i m如ed f oo坤m如r玎域舶l(fā)i ng如薛ng di e s獅訌h deep c刪視y話越so伊瑚r n毛ed by m i ng t k s m o ot h el刪e璐t塒堪?；胣 t ool_pm kl kpend流gD

5、n舭M i kr on D ur0800H i曲_號(hào)peedM achi ni ng C e nt er,口p您c蠡幻n c倒緲Q伽畫ng如如r s九qPi ng i眥m以一s掘卜幻J l五e(cuò)ef p口r捃c口,l6e,加c,l軌e正丁危e e印em em以化5Z如i,以記越e t,川磯e p呦如prec厶幻,l,i璐6een i,妒,鯽ed 6y IT1也帆d t k s u口缸e r oH珈聊ss珊也o6ee,l com r o班d un如r R a0.86y舭D pi,比氓g把c九,l o魄,:K ey w or ds:H i gl l s pe ed m achi ni ng;T oo

6、l path;A l gori t hm;opt i I II i船t i伽一+.-+-+_-+一一一+一+-卜一卜一+一+一-卜一+-+一+一f-一+一+一卜一十-卜+一+-+-+一卜+一卜卜+-+-+-一卜+-卜+斗+中圖分類號(hào):TH l6。T P391.73文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言高速加工技術(shù)自1931年s a】om咖博士提出高速切削概念以來(lái),直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注陽(yáng),其研究涉及產(chǎn)品制造過(guò)程的各個(gè)方面,從難加工材料的切削機(jī)理到加工工藝的優(yōu)化再到C AcA M技術(shù)等。目前該技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和漠具制造業(yè),尤其在加工復(fù)雜零件、難加工材料上,與傳統(tǒng)加技術(shù)相比,對(duì)于提高切削效率、加工精

7、度、改善表面質(zhì)量等方面其均具有巨大優(yōu)勢(shì)鴨但在加工淬硬鋼深型腔模具中,往往由于加工刀具劇度的不足和磨損量的加大,與傳統(tǒng)加工樣,存在著廓形精度超差問(wèn)題。目前,工廠中為了保證模具的加工精度,在精加工結(jié)束后,再進(jìn)行一次電火花加工校形。這不僅噌加自工成本、延長(zhǎng)制作周期,也容易改變型腔表面的機(jī)械性能、破壞厲洧的表面質(zhì)量。為此,作者開展了模具深型腔高速加工靡肜誤差技術(shù)研究,建立了模具型腔的深度以及刀具懸伸長(zhǎng)度與廓形誤差之間的數(shù)學(xué)模型,提出了深型腔犢;具精密高速加工刀軌優(yōu)化算法。以期提高模具的加工效率和加工精度。2廓形誤差學(xué)建模影響零件加工尺寸精度的因素有很多,包括工件的定位誤來(lái)稿日期:20l咖225差、夾具

8、的設(shè)計(jì)尺寸精度,刀具的制造及磨損、刀具的剛度和機(jī)床的精度。在精密高速加工機(jī)床上,銑削加工深型腔模具時(shí),刀具的磨損以及刀具的剛度對(duì)型腔的廓形精度影響較大。圖l深型腔模具對(duì)于精鍛冷作型腔模具,造型如圖l所示,其材質(zhì)多為淬硬(H R c58撕2模具鋼,精度要求高。雖然所有工序都采用高速加工技術(shù)加工該零件,可節(jié)省加工時(shí)間(2530%,但廓形加工精度有時(shí)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,其誤差主要來(lái)源于以下兩方面原因。(1加工的材質(zhì)硬度較高,刀具磨損量較大加工過(guò)程中,刀具的磨損量與刀具行走的軌跡長(zhǎng)度有,如圖228孫全平等:深型腔模具精密加工技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)第12期2所示關(guān)系。式中:d螺旋線半徑;口螺旋角;“,t參數(shù)變量(

9、“1。如圖2所示,當(dāng)加工軌跡厶時(shí),刀具磨損較快;當(dāng)加工軌s t ep3生成高速加工刀軌曲線。曲面Sp與螺旋曲面P(,”跡礎(chǔ)吐。時(shí),刀具磨損線性增大,見(jiàn)公式(1:布爾交運(yùn)算,如圖4(a所示。得螺旋線加工刀軌曲線q;s r nP艫竺等(也帆(.1(“,口,如圖4(b所示。當(dāng)加工軌跡L>L.時(shí),刀具磨鈍,需進(jìn)行刃磨。式中:地初始快速磨損極值;r.初始快速磨損極值下的刀軌行程渺。一刀具線性磨損極值;L廠刀具達(dá)到磨損極限時(shí)的刀軌長(zhǎng)度,通過(guò)試加工得。o k LI L圖2刀具磨損量曲線圖3刀具受力情況(2加工的型腔愈深、精加工刀具長(zhǎng)徑比愈大,刀具撓曲也就愈大。加工過(guò)程中的刀具受力情況,可簡(jiǎn)化成一懸臂梁

10、,受力如圖3所示。在這三個(gè)力中,徑向力對(duì)型腔廓形影響最大,周向力、軸向力影響可忽略不計(jì)。于是,刀具受徑向力產(chǎn)生的廓形誤差即為刀具撓曲變形量,用公式(2表示:齄:0(2j B f式中:艿刀具撓曲變形量;F一刀具承受的徑向力;L,一刀尖至刀柄端面之間的長(zhǎng)度;E材料彈性模量;卜一刀具截面慣性矩。,-訂D4/64。在采用球頭刀精加工模具型腔時(shí),加工表面與刀刃之間的接觸部位隨廓形的變化f fi f變化的,要想精確計(jì)算出加工瞬時(shí)的切削力是比較困難的,但接觸部位基本上是在球頭刀具公稱直徑的、/丁陀處,因此刀具瞬時(shí)切削力可用公式(3來(lái)表示:轡或(3式中:刪削深度;觸齒進(jìn)給量;棚削寬度;鞏球頭刀公稱直徑;,l主

11、軸轉(zhuǎn)速;磅與切削的刀具齒數(shù);K、c,、菇,、m“ng,、塒廠相關(guān)系數(shù)。于是,模具型腔加工總的廓形誤差可下列數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá):妒磐(也岷+墾竺墜磐(4“l(fā)佃3訂|5f D3模具型腔高速加工刀軌優(yōu)化算法為適應(yīng)高速切削,刀軌曲線設(shè)計(jì)成光滑的螺旋線。為提高型腔的一次成型精度、降低成本,在設(shè)計(jì)螺旋線加工刀軌時(shí),補(bǔ)償r廓形的加工誤差。深型腔模具精密高速加工刀軌優(yōu)化算法如F所述。st ep l獲取型腔曲面。拾取所有型腔曲面E鼢七以,如e s,扛l,2,m作布爾爿i運(yùn)算,得曲面5產(chǎn)一uRuEu兄。s t ep2構(gòu)造光滑螺旋曲面。以螺旋線為掃掠路徑曲線c。(如os眈,幽n眈,q口,以水平直線厶為掃掠母線,掃掠出一

12、張螺旋曲面只,矽=D(抑厶(口。圖4面面布爾交運(yùn)算s t ep4修正高速加工刀軌曲線。獲取加工刀軌瞬時(shí)刀位點(diǎn)A的三維坐標(biāo)(翰,確,翻,計(jì)算此時(shí)已加工刀軌曲線長(zhǎng)度L,輸入刀具信息:離刀柄端面的懸伸長(zhǎng)度厶、刀具公稱直徑風(fēng)以及彈性模量E;計(jì)算刀具徑向切削力,按公式(4計(jì)算這一瞬時(shí)的型腔廓形誤差,計(jì)算修正后的加工刀位點(diǎn)A的三維坐標(biāo)(鰣+Z,弘+方,以+i,設(shè)一時(shí)針?lè)较?這里有引= 1,e n=o,e×n>o。修正后的所有加工刀位點(diǎn)生成邊,邊連成線,最終獲得深型腔模具精密高速加工刀軌。St ep5規(guī)劃進(jìn)刀退刀刀軌。4算法優(yōu)點(diǎn)(1與日前的淬硬鋼模具型腔加工工藝相比,本算法減少了電加工校形上

13、序,可節(jié)約時(shí)間(2530%。目前淬硬鋼模具型腔加工工序,大多采用電火花成型粗加工,高速加t機(jī)床半精加工、精加工,電火花成型校形加工j道加工工序,而采用本算法,選用高速加工淬硬鋼匹配的高速加工刀具,上述工作均叮在高速加工機(jī)床上一次完成,明顯節(jié)省好多時(shí)間,從而降低了產(chǎn)品的加工成本。(2與現(xiàn)有的圍外著名的C A D/C A M軟件相比,若加工相同淬硬材料的精密零件,本算法可以進(jìn)一步提高加工精度。目前著名的C A D/C A M軟件:uG、Pr Q/E、M as t e尤A M以及C i m at m n等,還未見(jiàn)有針對(duì)刀具磨損、刀具撓性變形等進(jìn)行廓形加工誤差補(bǔ)償功能。而本算法考慮了刀具加工淬硬鋼磨損

14、量、精加工工序小徑刀具的撓性變形量,建立了相應(yīng)的廓形加工誤差補(bǔ)償模型,計(jì)算出了相應(yīng)刀軌長(zhǎng)度的廓形加工誤差,修正了螺旋線加工刀軌,達(dá)到了提高加工淬硬鋼模具型腔精度的目的。(3所設(shè)計(jì)的加工刀軌光順性好。構(gòu)造的螺旋線加工刀軌,避免了層間和行間的不必要的切人切出過(guò)渡刀軌,使整條加工刀軌達(dá)到c2連續(xù),提高了刀具的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性,可延長(zhǎng)刀具壽命,適合高速加工。5應(yīng)用實(shí)例某型內(nèi)星輪冷作精鍛模具,其材料為H13,淬火硬度H R c5弘62,廓喘度20“m,表面質(zhì)量要求RaQ8,模拙,如圖5所示,槽深153吖柵,翩緝小圓角半徑R。加叨具為蹦saP2R.整體硬貢礎(chǔ)層2齒球刀,加工機(jī)床M ikm n D ur0800高

15、速加工中心,工藝參以及廓形誤差模系,如表1所示。如圖6所示,為利用本算注目蝴高速加工t眥刀軌,如圖7 所示,為高速力二臣裸。N o .12D ec .2010機(jī)械設(shè)計(jì)與制造229 圖5冷鍛模具型腔造型表1加工參數(shù)與廓形誤差數(shù)模系數(shù)值乇鏊黧驟啦。K c 舊y ,uF 。,qF 誤差模型系數(shù)腳p 1“卻77w”q B 18287r pm ,/0.0383叫n /z 。鋤荔篙銎柵,5岬100岬o .8119N 1.oo .75厶;17m m ,L 廬7m , 圖6修正后的螺旋線高速加工刀軌圖7高速加J 二結(jié)果廓形計(jì)算補(bǔ)償溪差與實(shí)際榆測(cè)誤差圖8誤差補(bǔ)償前后精度比較為便于精度測(cè)量,本文把刀具磨損量下的加

16、工刀軌長(zhǎng)度映射到加工型腔深度五上,分析結(jié)果如圖8所示。如圖8所示,實(shí)際加1二開始段,刀具磨損比較小,而理論計(jì)算已經(jīng)考慮磨損的存在,加之機(jī)床本身精度等誤差的影響,因此理論與實(shí)際誤差走勢(shì)并不一致,當(dāng)加T 廓形深度達(dá)到o .4舢左右時(shí),刀具磨損較為嚴(yán)重,實(shí)際加工誤差出現(xiàn)峰谷之后,磨損趨于平緩,與理想誤差走勢(shì)一致。檢測(cè)結(jié)果表明,所加工的模具廓形精度可以控制在l o 斗m 以內(nèi),表面粗糙度月n 值達(dá)到O .8斗m 。按照傳統(tǒng)加工法,憑操作人員經(jīng)驗(yàn),可加工(34個(gè)合格型腔,且型腔的上下廓形偏差較大,若應(yīng)用該技術(shù),在刀具使用壽命以內(nèi)不僅可加工(9。10個(gè)型腔,而且能保證型腔上下廓形加工精度的均勻性。6結(jié)語(yǔ)為

17、高精密加工出淬硬鋼漠具的深型腔,構(gòu)建出了廓形加工誤差與刀具J 獺以及刀具剛度抻J 的數(shù)學(xué)模型,利用建立的數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了楱辱噶朔i ,奔.形加工誤差的季h 償。為適扁濡寢苣切削,設(shè)計(jì)出了螺旋線加工刀軌,提出了深型腔高速加工刀軌優(yōu)化算法。運(yùn)用該算法生成的刀軌,在瑞士米克朗D um 800高速加工機(jī)床上,成功地加工出了某型內(nèi)星輪模具型腔。結(jié)果表明,加工時(shí)間比傳統(tǒng)加工工藝縮短大約25%,精度可以控制在I O 恤m 以內(nèi),表面粗糙度滿足使用要求。參考文獻(xiàn)s c hu I zH .;A hleE .;s aII m A M at er i al 孫p t 80f “i p f 0珊at i oni n

18、H S Cr 撇hj f l ingJ.cI RP An ,l al sl 200l ,50(1:45棚2¨pez de L 丑c al l e LN .;Lam iki zA .,M unoaJ 。I 叫玳麗ngt h ehi 曲_s peedfi ni 冉hi n g ofh 而ngt ool s for advall cedI i 曲砒renl ;t ll st l s(AH ssJ娜1e I nt em at i onaI J oI lm a 上of A dvancedM 刪l f act 嘶ngT 銣Il I l ol 嗍r ,2006,26(1:4卜633H .s chulz .W hy H i gI l Spee d C ut t i ng 【A .Pr oceedi ng of t he I m em at i ona l con 既nc eonH i g|I Spee d M achi ni ngC .N anj i n 髟N uA A ,2004:l _204H el en C ol dw eU ,R i char d W ood s ,M a ni nP 枷.R api d m achi n