（机械制造及其自动化专业论文）高速面铣刀刀体加工特征研究与cam系统开发.pdf

哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 高速面铣刀刀体加工特征研究与c a m 系统开发 摘要 高速面铣刀以其高切削效率、高加工精度和高表面质量的技术优势，在 高速铣削中广泛的应用，高速面铣刀的制造技术也随之得到了相应的发展。 基于安全性考虑，高速面铣刀在结构、材料及动平衡方面都有新的要求，其 产品设计制造技术正在向“三高一专的方向发展。在此背景下，已有的数 控面铣刀批量生产方式无法满足高速面铣刀多品种、小批量的生产要求。针 对高速面铣刀产品开发和刀体制造中存在的问题，在高速面铣刀刀体加工特 征研究基础上，提出满足安全性与动平衡精度要求的刀体数控加工方法，对 促进高速铣削刀具技术的发展具有较大的现实意义。 本文在哈尔滨市科技攻关项目“基于安全性的数控高速铣刀开发及其系 统研制支持下，进行高速面铣刀刀体加工特征研究，在u g 环境下开发出 了高速面铣刀刀体加工c a m 系统，主要研究内容包括： 针对高速面铣刀的动平衡与安全性要求，进行高速面铣刀刀体结构分 析，采用特征建模技术，进行高速面铣刀刀体加工特征的研究；建立高速面 铣刀刀体加工特征匹配原则；提出基于特征匹配的高速面铣刀刀体加工工序 设计方法； 以复杂曲面数控铣削加工理论和c a m 技术研究成果为基础，通过高速 面铣刀刀体特征对数控刀具选择、切削参数和刀具切削运动轨迹影响的研 究，提出基于特征匹配的刀具切削运动轨迹及其切削参数优选方法。 以高速面铣刀刀体加工特征的研究为基础，进行高速面铣刀刀体加工 c a m 系统功能分析，提出高速面铣刀刀体加工c a m 系统的结构；采用u g 二次开发工具和v c 编程工具，开发出基于u g 平台的高速面铣刀刀体 c a m 系统。 系统在u g 环境下运行，利用u g 仿真对高速面铣刀刀体加工c a m 系 统的有效性和实用性进行验证。其结果表明，该系统大大缩短了编程时间， 使编程的准确性和可靠性得到显著提高，对提高刀具制造的效率和质量、降 低加工成本具有积极的推动作用。 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 关键词高速面铣刀；刀体加工；u g 二次开发；c a m 系统 n 。 哈尔滨理_ t 大学工学硕1 j 学位论文 s t u d yo fm a c h i n i n g c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs p e e d f a c em i l l i n gc u t t e ra n dd e v e l o p m e n to fc a m s y s t e m a b s t r a c t f o rh i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u t t e rh a st h e s et e c h n o l o g ya d v a n t a g e s ，g r e a t m i l l i n ge f f i c i e n c ya n dh i g hm a c h i n i n gp r e c i s i o na n dh i g hs u r f a c eq u a l i t y , i ti s e x t e n s i v e l yu s e di nh i g hs p e e dm i l l i n g t h em a c h i n i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p s c o r r e s p o n d i n g l y h i g hs p e e d s u r f a c em i l l i n gc u t t e rh a sn e wr e q u e s to n c o n f i g u r a t i o n ，m a t e r i a la n dd y n a m i cb a l a n c e ，i nv i e wo fs e c u r i t y i t sd e s i g nt e n d s t o h i g hp r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c y , h i g hr e l i a b i l i t ya n dc u s t o m i z a t i o n - i nt h i s s i t u a t i o n ，b a t c hp r o d u c t i o nm o d ec a n ts a t i s f yt h er e q u e s to fh i g hs p e e ds u r f a c e m i l l i n gc u t t e r , f o ri th a sm a n yt y p e sa n d s m a l lb a t c h t os o l v et h ed i f f i c u l t yi n t h ep r o d u c td e v e l o p m e n to fh i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u t t e r a n dc u t t e r m a c h i n i n g ，an e wc u t t e rn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gp l a ni sb r o u g h tf o r w a r d ， b a s e do ns t u d yo fm a c h i n i n gc h a r a c t e r so fh i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u t t e r i t c a ns a t i s f yt h ed y n a m i cb a l a n c ea n ds e c u r i t yr e q u i r e m e n ta n da l s oi t i sg o o df o r t h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u t t e rt e c h n o l o g y u n d e rf a v o ro ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya r r a n g e dp r o j e c to fh a r b i n d e v e l o p m e n t o fn u m e r i c a lc o n t r o lh i g hs p e e dm i l l i n g c u t t e ra n ds y s t e m d e v e l o p m e n t b a s e do ns e c u r i t y ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ef e a t u r e si nt h em a c h i n i n go ft h e h i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n g c u t t e ra n dd e v e l o p st h ec a ms y s t e mf o rt h e m a c h i n i n go fh i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u t t e ri nu g t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t c o n t a i n s ： f o rt h ed y n a m i cb a l a n c ea n ds e c u r i t yr e q u i r e m e n to fh i g hs p e e ds u r f a c e m i l l i n gc u t t e r , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec o n f i g u r a t i o no fh i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n g c u t t e ra n du s e sc h a r a c t e r i s t i cm o d e l i n gt os t u d yt h em a c h i n i n gc h a r a c t e r so ft h e m 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 h i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u t t e r i te s t a b l i s h e st h ep r i n c i p l ef o rm a c h i n i n g c h a r a c t e r sm a t c h i n go fh i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u t t e r b a s e do nt h ep r i n c i p l e i t b r i n g sf o r w a r dt h ed e s i g np l a nf o rm a c h i n i n gp r o c e d u r eo fh i g hs p e e ds u r f a c e m i l l i n gc u t t e r b a s e do nt h es t u d yo fn u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n gp r i n c i p l eo fc o m p l e xc u r v e d s u r f a c ea n dn u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n gt e c h n o l o g y , b yr e s e a r c ho fc u t t e rc h a r a c t e r s h o wt oi n f l u e n c et h es e l e c t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o lc u t t e ra n dm i l l i n gp a r a m e t e r s a n dm i l l i n gr o u t e ，i tb r i n g sf o r w a r dp r e f e r e n c em e t h o df o rm i l l i n gr o u t ea n dt h e p r e f e r e n c em e t h o df o rm i l l i n gp a r a m e t e r b a s e do ns t u d yo fm a c h i n i n gc h a r a c t e ro fh i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u t t e r , i t a n a l y s e st h ec a ms y s t e mf u n c t i o n sf o rm a c h i n i n go fh i g hs p e e ds u r f a c e m i l l i n gc u t t e ra n db r i n gf o r w a r dc a ms y s t e mc o n f i g u r a t i o nf o rm a c h i n i n go f h i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u t t e r i td e v e l o p sac a ms y s t e mf o rm a c h i n i n go f h i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u t t e r t h i ss y s t e mu s e sv cp r o g r a mt o o l sa n du g s e c o n dd e v e l o p m e n tt o o l s i ti sb a s e do nt h es e c o n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fu g t h i ss y s t e mu s e su gs i m u l a t i o nt oe x a m i n et h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f c a ms y s t e mf o rm a c h i n i n go fh i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u t t e r t h er e s u l t i n d i c a t e st h et i m ef o rp r o g r a mi sg r e a t l ys h o r t e n e da n dt h ev e r a c i t ya n ds e c u r i t y a r en o t a b l ye n h a n c e d i th a sa c t i v ee f f e c tt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t y o fc u t t e rm a c h i n i n ga n dt or e d u c et h em a c h i n i n gc o s t k e y w o r d sh i g hs p e e df a c em i l l i n g ，c u t t e rb o d ym a c h i n i n g ，t h e s e c o n d d e v e l o p m e n tf o ru g ，c a ms y s t e m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高速面铣刀刀体加工特征 研究与c a m 系统开发，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签名：日期：2 0 0 8 年3 月1 0 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 善嘉薹耄! 黔1 日1 7 t 期期：- 主：兰茎三昌：三： 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 本论文选题的目的和意义 高速切削加工技术具有高速、高效、高精度的优点，是先进制造技术之一 ，具有广阔的应用和发展前景，高速面铣刀是高速加工的最常用刀具。 高速面铣刀在高速铣削过程中，刀具结构的设计、刀体制造的精度及刀具 装配的可靠性直接影响到刀具的安全性和铣削性能。实践表明传统的面铣刀在 刀具结构、刀具材料、刀具动平衡技术等方面已经不能满足切削速度大幅度提 高的要求，而传统的面铣刀制造方法也不能满足日益发展的刀具结构设计的需 要，这就要求在高速面铣刀制造方面推陈出新，有所突破。 目前，刀具的制造一种是选用专用设备加工，一种是在通用机床上加工， 两种方法各有利弊。选用专用设备效率高、质量好，但几乎都是单一性生产， 要根据用户提出的要求，进行一次性开发，一次性制造，很难满足高速刀具品 种多样性的需求。选用通用机床加工可满足小批量、多型号的要求，但是生产 效率低，质量不稳定。 本文主要是针对高速面铣刀的制造，开发出专用于加工高速面铣刀刀体的 c a m 系统，实现高速面铣刀刀体专用加工。通过对高速面铣刀刀体加工及其 c a m 系统的研究，为进一步发展高速刀具制造业奠定了坚实的基础。对提高 刀具制造的效率和质量、降低加工成本具有积极的推动作用，对促进刀具技术 的发展与应用具有重要的现实意义。 1 2 高速刀具制造技术的发展现状 现代制造业需要“三高一专( 高精度、高效率、高可靠性和专业化) 的 现代刀具，随着现代材料技术、涂层技术和数字化设计制造技术的发展，高速 刀具技术不断的深化、提高，已经成为保证高速切削技术发展的关键因素。刀 具制造企业也正努力追求技术进步，使自己的产品和技术尽量赶上现代制造技 术发展的需要。图1 1 a 是采用普通机床加工车刀；图1 1 b 是采用c n c 5 轴 研磨机研磨高速铣刀。 哈d ( f 宾- 理工人学工学硕士学位论文 a ) 车刀的加工b ) 铣刀的加工 图1 - 1 刀具的常规加t f i g 1 1g e n e r a lm a c h i n i n go fc u t t e r 欧洲目前使用的刀具制造设备基本上己实现数控化。刀具的设计、制造己 普遍采用洲c a m 集成技术，操作者只需输入刀具图号，数控加工机床即可 自动从中央计算机中提取机床调整和加工工艺数据，并实现自动加工。将测量 技术和装备集成于数控刀具的机械, d n m f ! j 造过程中，推动了数控刀具数字化制 造技术的发展。德国w a l t b r 公司的数控刀具闭环制造系统和k l i n g e l n b e r g 公 司的弧锥齿轮刀具闭环制造系统就是这项数控刀具先进制造技术的实例。系统 通过计算机通讯，可实现从c a d 、c a e 、c a m 到c a m 再加工直至质量达到 要求，实现数控刀具“零废品”制造。数控刀具整个制造系统信息实现了集成 和融合【2 1 。 从近几年刀具技术发展情况来看，我国刀具设计行业的创新意识不断加 强，创新能力不断提高，创新技术成果和产品不断出现。但是，我国刀具制造 行业的发展相比较来说还有一定差距，刀具制造行业还需要紧跟刀具设计行 业，加强合作，加快发展。 1 3 数控铣削c a m 技术在刀体加工中的应用 运用数控铣削c a m 技术加工高速面铣刀刀体，可以保证刀体达到极高的 加工精度和稳定的加工质量，操作过程可以实现自动化。它与c a d 紧密衔 接，直接从刀体的三维模型产生加工指令，可以严格控制外形和尺寸精度。 数控铣削c a m 系统在刀体加工中有如下4 点工艺要求”。7 | ： 1 快速计算编程刀体加工中会采用非常小的进给量与背吃刀量，所以既要 求计算速度快、节省编程时间，又要求操作人员能够快速对多种加工工艺方案 进行比较，以便采取最佳的工艺方案，并对刀具轨迹进行编辑、优化，以实现 哈尔滨理t 大学_ t 学硕上学位论文 最佳切削。 2 自动防过切及自动刀柄干涉检查高速面铣刀刀体结构较复杂，所以 c a m 系统必须全程自动防止过切处理。传统的曲面c a m 系统都是局部加 工，很容易发生过切现象。一般都是靠人工选择干预的办法来防止，很难保证 过切防护的安全性。刀体加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀具， 加工刀片槽的细微结构。系统需要能够自动提示最短夹刀长度，并自动进行刀 具干涉检查。 3 进给率优化处理为了确保最大的切削效率和高速切削的安全性，c a m 系统需要根据加工瞬时余量的大小，自动对进给率进行优化处理，以确保高速 加工刀具的平稳性。 4 符合加工要求的加工方案高速面铣刀刀体加工过程中有几点要求：避免 刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以防止因局部过切而造成刀具或设备的损 坏；保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速；下刀或行间过度部分最好采 用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀；行切的端点采用圆弧连接，避免直线 连接；残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用多次加 工或采用系列刀具从大到小分次加工，以达到所需尺寸，避免用小刀一次加工 完成；刀具轨迹编辑优化功能非常重要，避免多余空刀呻9 1 。 目前常用的c a m 系统，在应用中还存在很多问题，不能完全满足高速面 铣刀刀体加工的各种需求。主要是应用系统自动化、智能化程度不高，工程数 据库模型过于简单。系统还不能实现从零件模型到工艺分析以及最后自动数控 加工过程中的自动化，操作过程中，依然需要大量的手动交互，这就对用户知 识水平有一定要求。工程数据库模型不具备自我扩充学习能力，不能智能地提 供设计加工参数决策功能。它们大部分都需要操作者根据自己的经验确定加工 参数，在弹出的窗口输入各种参数，生成刀具位置源文件( c l s f ) ，然后才能 调用后处理模块生成数控加工程序。操作过程繁琐( 在u g 环境下进行c a m 编程时，一般遵循的流程如图1 2 ) ，工作量大且容易出错。对使用者要求较 高，程序质量依赖操作人员的经验。数控加工代码质量不高，难以实现工艺流 程的优化。 哈尔滨理丁大学丁学硕上学位论文 图1 - 2u g c a m 编程一股过程 f i g 1 - 2c o m m o np r o c e s so fu g c a mp r o g r a m m e 这些问题的存在，限制了叫c a m 软件的使用效率，使得软件即使有强 大的造型和加工功能，也不一定保证能编制出合理的数控加工程序。因此，如 何根据c a d 造型高效率的生成数控机床加工代码，已成为c a d c a m 技术发 展的重要方向。这也正是本文需要解决的问题，高速面铣刀刀体加工c a m 系 统针对图1 2 虚线内操作程序进行了集成。 1 4 u g c a m 系统的应用 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 是全球主流c a d c a m 系统，是计算机辅助设 计、辅助制造、辅助工程和产品数据管理( 删c a m c a e p d m ) 一体化的 软件系统之一。自从u g 推出以来，在航空航天、汽车、通用机械、工业设 哈尔滨理t 大学丁学硕士学位论文 备、医疗器械以及其他高科技应用领域的机械设计和模具设计、加工等领域得 到了广泛的应用。在u g 的发展过程中，c a m 一直是加工业者最可靠的工 具，提供了精确的刀具路径。u g c a m 有下列几个特点n0 1 1 1 ： 1 提供可靠、精确的刀具路径。 2 能直接在曲面及实体上加工。 3 良好的使用者介面，允许使用者能依工作上的需要，客制化使用者介 面，不仅能提高作业效率。 4 提供多样性的加工方式，方便n c 程序设计师设计各种高效率的刀具 路径。 5 提供完整的刀具库及加工参数库管理功能，使新进人员能充分利用资 深人员的经验，设计优良的刀具路径。 u g c a m 包含二轴到五轴铣削、线切割、大型刀具库管理、实体模拟切削 及泛用型后处理器等功能。本文主要针对五轴铣削在高速面铣刀刀体加工中的 应用。 1 4 2u g 应用开发工具 u g 应用开发( 又称u g 二次开发) 是指在u g 软件平台上，结合具体应 用的需求，总结行业的设计知识和经验，开发面向行业和设计流程的专用 叫c a m 系统。u g 软件中的应用开发模块提供了较为完整的应用开发工具 集，利用该工具集可对u g 系统进行用户化裁剪和开发，用以满足实际的应用 需求。u g o p e n 是一系列u g 开发工具的总称，是u g 软件为用户或第三方开 发人员提供的最主要的开发工具。它主要由u g o p e na p i 、u g o p e ng r i p 、 u g o p e nm e n u s c r i p t 和u g o p e nu l s t y l e r 4 个部分组成n 孙。 1 u g o p e na p i ( 又称u s e rf u n c t i o n ) 是一个允许程序访问并改变u g 对 象模型的程序集。u g o p e na p i 封装了近2 0 0 0 个u g 操作的函数，可以方便 地对u g 的图形终端、文件管理系统和数据库进行操作，绝大多数的u g 操作 都可以用u g o p e na p i 函数实现。u g o p e na p i 是最常用的u g 应用开发工 具，本系统主要应用u g o p e n a p i 进行程序开发。 2 在u g o p e na p i 工具发布之前，u g 的应用开发工具是u g o p e ng r i p ( g r a p h i c si n t e r a c t i v ep r o g r a m m i n g ) 。g r i p 是一种专用的图形交互编程语言， 它与u g 系统集成，可以实现u g 环境中的大部分应用操作。g r i p 语言与一 般的通用语言一样，有其自身的语法结构、程序结构、内部函数以及与其它通 哈尔滨理_ t 大学1 = 学硕十学位论文 用语言程序相互调用的接口。虽然g r i p 的功能远不如u g o p e na p i 强大，但 由于其某些独特的优点，仍然有大量用户在使用。 3 u g o p e nm e n u s c r i p t 是创建用户化菜单的工具。m e n u s c r i p t 支持u g 主菜单和快速弹出式菜单的设计和修改，通过它可以改变u g 菜单的布局，添 加新的菜单项以执行用户应用开发程序、u s e r t o o l s 文件和操作系统命令等。 4 u g o p e nu i s t y l e r 是开发u g 对话框的可视化工具，其生成的对话框 与u g 集成，用户可以方便、高效地与u g 进行交互式操作。该工具的使用避 免了复杂的图形用户接口g u i 编程，直接将对话框中的基本控件进行组与布 局，可以创建满足不同功能需求的u g 风格对话框。 1 4 3c a m 软件的二次开发 随着c a m 应用领域的不断扩大和应用水平的不断提高，用户需求与 c a m 系统规模之间的矛盾日益增加，没有哪个c a m 系统能够完全满足用户 的各种需求。所以c a m 软件拥有一个开发简单、运行高效的二次开发平台至 关重要。目前，主流的c a m 软件都具有用户制定功能并提供二次开发工具。 通过c a m 软件的二次开发工具可以把商品化、通用化的c a m 系统用户 化、本地化，即以c a m 系统为基础平台，在软件开发商所提供的开发环境与 编程接口基础之上，根据自身的技术需要研制开发符合相关标准和适合企业实 际应用的用户化、专业化、知识化、集成化软件，以进一步提高产品研发的效 率。在通用c a m 基础上融入专业知识构建专用c a m 系统是当前深化c a m 应用的潮流。 把用户的设计思想转化为特定的新功能需要以下基本要素，这些基本要素 构成了c a m 软件二次开发平台的基本结构“引： 1 通用c a m 软件管理层通用c a m 软件是整个开发的基础，是二次 开发应用的程序的宿主。它应具有比较完备的基本功能，即使没有二次开发应 用程序，它也能满足基本的使用需求。在二次开发平台结构中，通用c a m 软 件属于管理层，它所负责的工作主要包括用户界面定制、图形显示、文档数据 管理、交互流程控制、信息发布和应用程序的管理等。 2 程序开发环境开发层开发者采用某种计算机高级语言( 如c c + + 等) 在特定的开发环境中进行应用程序的开发。由于通用的集成开发环境( 如 v c + + 、v b 和d e l p h i 等) 具有功能强大、使用简单、可靠性强和生成代码效 率高等优点，目前一般都在通用的集成开发环境中进行二次开发。在二次开发 哈方铹理t 大学工学硕一卜学位论文 平台结构中，编程开发环境属于开发层，它主要包括应用程序代码的编辑、编 译、链接、调试和代码优化等。 3 应用程序编程接口( a p i ) 支持层编程开发环境仅提供了一般性的 语言支持，在二次开发过程中，还需要提供相应的a p l 支持。通过这些a p i 接 口，二次开发应用程序可以建立与原软件应用程序的链接，使新开发的功能和 原有的功能无缝集成。在二次开发平台结构中，应用程序编程接口属于支持 层，它是用户开发的应用程序与c a m 软件之间进行链接、通信和互操作的通 牡 逼o 4 开发者的设计思想知识层一般来说，c a m 软件开发商通过以上3 个层的引入就为用户提供了二次开发的工具和方法。此外，二次开发应用系统 还需要融入开发者的设计思想。开发者将其设计思想通过二次开发工具和方 法，并结合原有的c a m 系统功能，。才能构成具有实用价值的应用程序。在二 次开发平台结构中，用户设计思想属于知识层，它是开发者知识和能力的体 现，是二次开发技术的应用和实践。 1 4 4 国内u g 二次开发发展现状 随着技术的进步，国内机械从业人员的水平不断提高，对u g 的认识已经 不仅仅是停留在绘图阶段，开始根据自身的需要进行u g 二次开发工作。比如 建立通用零件的标准库，同类零件的参数化模型，专用的设计方法和算法、产 品管理等方面，使u g 的效率得到进一步的发展。这方面做得比较好的首推广 东青华工作室开发的u g 国标标准件库，它已经形成一定的开发规模，并且在 逐步的扩大开发领域。 总体来说，u g 二次开发水平还处于向产业化、商品化过渡的时期，自主 开发的专用化程序商品化程度不够高，功能和稳定方面与国外同类产品还有很 大差距。并且，还只是致力于u g c a d 二次开发，u g c a m 二次开发领域还 属于空白，发展思路亦不是很清晰。本课题也只是做这方面的尝试，为以后 删c a m 二次开发的集成做探索工作，u g 二次开发这条道显然任重而道 远。 1 5 课题的主要研究内容 本课题来源于哈尔滨市科技攻关计划项目“基于安全性的数控高速铣刀开 发及其系统研制( 2 0 0 6 a a 2 c g 0 2 5 ) ”。本文主要进行了以下几个方面的研究： 哈尔滨理t 大学t 学硕一f 学位论文 1 在对高速面铣刀结构分析的基础上，采用特征建模技术，对高速面铣 刀刀体加工特征进行描述；建立高速面铣刀刀体加工特征匹配原则；基于形 状、材料特征匹配原则编制高速面铣刀刀体加工工序，并提出基于特征匹配的 工序设计方法； 2 通过对数控铣刀特征参数进行分析，对刀体加工数控铣刀进行选择， 提出基于铣削特征匹配的数控铣刀参数优选方法；以数控铣削研究机理为基 础，对刀体加工切削参数进行设置，并提出基于铣削特征匹配的切削参数选择 方法；以复杂曲面数控铣削原理及数控铣削c a m 技术为基础，对刀体加工刀 具切削路径进行规划，并提出基于特征匹配原则的刀具切削路径优选方法； 3 对高速面铣刀刀体加工c a m 系统功能进行设计，提出高速面铣刀刀 体加工c a m 系统的结构；综合运用u g o p e nm w n u s c r i p t 、u g o p e n u i s t y l e 、u g o p e na p i 等u g 二次开发工具，开发出基于w i n d o w sx p 和u g 二次开发平台、以v c 为编程工具的高速面铣刀刀体加工c a m 系统； 4 在u g 下运行高速面铣刀刀体加工洲系统，利用u g 仿真模块，验 证系统的有效性和实用性。 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 第2 章高速面铣刀结构分析及加工特征提取 2 1 高速可转位面铣刀结构特征 近几年高速切削技术发展迅猛，在加工领域得到广泛应用，是国内外制造 领域重要的研究方向之一。高速面铣刀是其重要的加工工具，主要用于大余量 粗加工、工件较软或铣削宽度较大的高速加工场合，可以实现较高的生产率， 降低生产成本。高速面铣刀在机床主轴高速旋转时，要承受很大的离心力，当 作用于刀具上的离心力超过切削力的作用时，可能使面铣刀爆裂。所以，高速 面铣刀在结构、装夹上相对于传统面铣刀提出了特殊的要求。在结构设计应充 分考虑切削时的高转速，螺钉、销等必须可靠地紧固，以防在高离心力的作用 下产生松动n 4 、1 7 ，。 2 1 1 可转位刀片定位方式 面铣刀按照刀具结构可分为整体式和机夹式，由于机夹式面铣刀具有可实 现模块化组合制造、刚性好、可实现高速加工和重切削等特点，加工中心一般 都选用机夹式可转位面铣刀，本文研究的高速面铣刀刀体加工c a m 系统就是 主要针对机夹式。刀片在刀片槽的定位，既要满足新刀片的定位精度和可靠性 要求，同时还要保证刀片转位后的定位精度和可靠性，这是可转位面铣刀对刀 片定位方式选择和定位元件设计要求的重要原则。考虑到高速面铣刀加工过程 中所承受的离心力较大，会影响刀片的定位精度和定位可靠性，所以在两陡峭 面处设计了定位孔。如图2 2 所示，刀片靠后面及受力侧面两面定位，在受力 侧面开定位孔，可避免刀片扭转。 图2 - 1 刀片定位方式 f i g 2 1o r i e n t a t i o n a lm o d eo fb l a d e s 哈尔滨理工大学工学硕 ：学位论文 2 1 2 可转位刀片夹紧机构 根据铣刀安全性要求，用于高速切削( n 60 0 0 r m i n ) 的可转位面铣刀通 常不允许采用摩擦力夹紧方式，而必须采用带中心孔的刀片，用螺钉夹紧。与 安全性有关的刀片结构参数包括刀片中心相对螺钉孔的偏心量、刀片中心孔和 螺钉的形状等，这些参数决定了螺钉在静止状态下夹紧刀片时所受预应力的大 小。要控制好螺钉的预紧力，防止螺钉因过载而提前受损。预应力也不能过 大，预紧力过大有可能使螺钉发生变形，降低夹紧系统失效转速。 图2 - 2 螺钉压紧式 f i g 2 - 2c l a m p e db ys c r e w 铣刀刀片为四方形，中间带有一个类似t 型的孔，采用偏心的方式夹紧刀 片。刀片孔与铣刀刀体上的螺钉孔之间有微量偏心( 大约0 2 r a m ) ，这样用螺 钉将铣刀片夹紧在铣刀体上，偏心的存在使刀片向对角线方向夹紧，保证了定 位精度。 2 1 3 刀体结构分析 高速面铣刀必须高度旋转对称，具有高度的动平衡性，以免在铣削过程中 产生跳动，使切削刃上负荷平衡，减少切削力的波动。出于安全考虑，相对于 传统面铣刀在结构上除了上节的两点外还有如下要求： 1 排屑槽高速面铣刀应有较大的排屑槽以利排屑，铣刀节距定义为相邻 两刀齿间的周向距离，受铣刀刀齿数影响。短节距意味着较多的刀齿和中等的 容屑空间，允许高的金属去除率。大节距铣刀齿数较少，容屑空间大，常用于 粗加工和精加工，以及容易发生振动的场合。超密节距的容屑空问小，可承受 非常高的进给速度，适合断续表面加工。 2 刀齿分布刀体结构应对称于回转轴，使其重心通过铣刀轴线。1 对于不 等分齿铣刀，应对刀体的质量分布作相应调整，使刀体膨胀比较均匀。 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 a 型安装形式b 型安装形式c 型安装形式 图2 - 3 面铣刀刀柄安装形式 f i g 2 - 3h o l d e ri n s t a l l a t i o nm o d e so fs u r f a c em i l l 3 与刀柄的连接形式刀盘与刀柄之间通过两处侧传力键联接，用来传递 扭矩和抵抗切削力。刀盘与刀柄的固定形式主要有两种，一种是采用一个自锁 螺栓从中间压紧的方式( 如图2 3 的a 、b 型) ，另一种是采用4 个均布自锁 螺栓沿刀盘内台阶与刀柄压紧的形式( 如图2 3c 型) 。前者适合刀盘直径在 0 1 6 0 r a m 以下，切削力不是很大的情况，后者主要适合刀盘直径在0 1 6 0 m m 以 上，高速、重切削的情况。 2 2 高速面铣刀刀体的特征描述 当前叫洲技术以具有参数化和特征造型功能作为发展的主流，其中 特征造型则作为设计制造的重要手段，为方便、快捷完成设计制造工作提供了 良好的基础；在c a m 制造领域中，基于特征的加工制造是c a m 研究和发展 的方向之一n r 剐。特征是对一个或多个设计制造活动有意义的几何形体或实 体。对工件进行特征描述的目的是为了解决c a m 系统对零件的制造特征的识 别和有效提取。 2 2 1 刀体的形状特征 形状特征是其他特征及其工程应用的基础，所研究的特征主要是针对实体 几何造型而言的。根据各形状特征之间的邻接关系和从属关系所做出的零件形 状特征关系图，为了描述的方便，建立了高速面铣刀刀体特征结构树，如图2 4 。 哈尔滨理工大学r t 学硕+ 卜学位论文 图2 - 4 高速面铣刀刀体形状特征描述 f i g 2 - 4c h a r a c t e r i s t i cd e s c r i p t i o no fh i g hs p e e ds u r f a c em i l l i n gc u r e r 高速面铣刀刀体的形状特征主要分为两大类：回转体和非回转体。特征之 间有一定的隶属关系，为后面加工方法的安排提供了依据，也为高速面铣刀刀 体加工c a m 系统提供了技术支持。 2 2 2 刀体的平衡特征 物理学原理表明，旋转中质点的离心力与质点的质量、质点与旋转轴的距 离以及旋转的角速度( 或者转速) 的二次方成正比 。 f m 0 3 2 r ( 2 1 ) 式中：f 为离心力( n ) ；肌为不平衡质量( k g ) ：为角速度( r a d s ) ；， 为不平衡质量m 所在半径( m ) 。 也可写成： ( 等) 2 t e em 三肌侧2 舢一 p 2 ， 哈尔滨理t 大学t 学硕：e 学位论文 由式2 2 可知，转速增加1 倍，离心力将增大到原来的4 倍。也就是在高 的旋转速度下，刀具的加工精度和寿命都可能受到离心力的严重影响阳1 。因 此，对于在高速旋转下使用的面铣刀必须保证高度平衡。通常通过调整所能去 除的不平衡量相当有限，所以我们在高速面铣刀设计中要充分考虑其结构的影 响，避免刀具结构在原理上就不平衡。 刀槽在实际加工过程中，设计的刀槽尺寸是不可能完全实现的，而加工误 差的存在将导致质量分布的偏移，在高速旋转的过程中，会出现动不平衡的现 象，所以要严格控制加工误差使偏心量在允许的范围内幢。设每个刀齿与x 轴 夹角的加工误差为妒，刀槽距离回转中心轴线的加工误差为r ，刀槽深度存 在的轴向加工误差设为z ，则所产生的惯性离心力为： ，t 吾坍( ，+ r 炯) 2x 104(2-3) 将f 在x o y 平面内分别沿x 轴和y 轴分解为： e 与产生的力矩为： 式中：驴为质点与x 轴的夹角；e 为质点所受离心力在x 轴方向的分力；e 为质点所受离心力在l ，轴方向的分力；m 。为由只所引起的力矩；m 。为由只 所引起的力矩。 将惯性离心力控制在安全范围内，即可得到排屑槽的加工误差。在高速面 铣刀刀体的加工过程中，要保证加工误差的均匀分布，尽量降低由于加工造成 的不平衡。 2 2 3 刀体的材料特征 高速面铣刀刀体材料的不同，在加工同一种材料的工件时，刀体受到的切 、， i 纠 力 膨 脚 + + 缈 尹 咖 蜘 | g 4 4 伽 协 炳 胁 缸 廿 p o m 小 1 9 1 9 c 0 $g & & 洫 洫 咖 咖 脚 卯 伊 缈 劬 似 坂 4 4 旷 旷 p p 协 恤 ， ) 缸 缸 p p m m & & e m m 哈尔滨理t 大学r t 学硕：l ：学位论文 削力和应力也不同。所以刀体材料的选择对加工效率、加工质量以及成本和刀 具的寿命等有着重要的影响。高速切削加工除了要求刀具材料具备普通刀具材 料的一些基本性能之外，还对刀具材料有更高的要求，主要包括： 1 高的硬度和耐磨性； 2 高的强度和韧性； 3 良好的热稳定性和热硬性； 4 良好的高温力学性能； 5 较小的化学亲和力。 新型材料的高速刀体要求强度硬度更高、耐热性更好、机械性能更优良的 刀具来加工，这就提高了刀体制造的成本，也增加了高速面铣刀刀体制造的难 度。我们主要选择4 2 c r m o 和d o c r 作为高速面铣刀刀体材料，这两种材料都 是合金钢，经调质后具有良好的综合力学性能，其力学性能如下。 表2 - 14 2 c r m o 的力学性能 t a b l e2 - 1m e c h a n i s mc a p a b i l i t i e so f4 2 c r m o 屈服强度，强度极限吼 断后伸长率6 断面收缩率缈 m p am p a 1 0 8 09 3 01 45 2 表2 - 2 4 0 c r 的力学性能 t a b l e2 - 2m e c h a n i s mc a p a b i l i t i e so f4 0 c r 屈服强度仃，强度极限 断后伸长率6断面收缩率妒 m p am p a 9 8 07 8 594 5 由表可见，4 2 c r m o 和4 0 c f 具有良好的机械强度，制成工具精度高，有较 高的强韧性，特加工变形微小，抗疲劳性能相当好。刀体的材料特征为以后刀 具参数选择及切削参数的选择提供了依据。 2 2 4 刀具的安全特征 高速铣刀的安全失效形式有两种：刀体破裂和刀片飞出 z z o 高速切削中，当离心力超过刀体的强度极限时，将导致刀体破碎。高速刀 具在离心力的作用下是否发生失效的关键在于刀体的强度是否足够、机夹刀的 零件夹紧是否可靠。当把离心力作为主要载荷计算刀体强度时，由于刀具形状 的复杂性，用经典力学理论计算得出的结果误差很大，常常不能满足安全性设 计的要求。为了在刀具设计阶段对其结构强度在离心力作用下的受力和变形进 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 行定性和定量的分析，可通过有限元方法计算不同转速下的应力大小，模拟失 效过程和改进设计方案。 分析在不同转速级下，刀体模型的应力变化心，其中转速为别50 0 0 1 0 0 0 0 15 0 0 0 20 0 0 0 r m i n 的有限元分析如图2 5 所示。 t k l 2 a ls c u r r i a s t e p l l s u b - 1 t 伽l s f d v( a 、g d m x 1 6 0 e0 3 s h n t 4 l ”2 l 翻州t 2 2 7 e + 0 7 n j a n2 52 0 0 5 1 2 ：5 5 ：5 1 h mn o 1