典型高速加工策略下铣削过程开题报告.docx
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典型高速加工策略下铣削过程开题报告
北京航空航天大学
硕士研究生开题报告
典型高速加工策略下铣削过程
力学仿真算法及软件开发
研究生:
申江丽
学号:
ZY0707103
指导老师:
刘强教授
学科专业:
机械制造及其自动化
北京航空航天大学机械工程及自动化学院
2011-2-21
1.论文选题
1.1课题来源
本课题来源于教育部高校博士点基金《基于切削力学和机电耦合的数控机床优化设计》以及国防基础科研项目《面向全行业的数控加工工艺数据库研究》。
1.2论文选题的背景及意义
1952年Parsons公司和MIT研制成功首台数控机床以后,传统制造模式逐步走向数字化制造。
现代制造业对数控机床应用规模和需求的增长十分迅猛,在工业生产的各个制造部门,数控加工已经成为主要的加工方法,制造企业引进的数控机床的数量不断攀升,数控加工正在逐步取代传统的加工模式[1-2]。
与传统机械加工相比,数控加工更加适应现代中小批量生产的需求,加工效率更高,加工出零件质量更好。
然而,数控机床价格昂贵,高档数控机床价格可达到上千万、甚至上亿。
。
目前我国数控加工整体利用水平与国外相比有很大差异,部分企业机床利用率不到十分之一。
即使是同样型号的机床,由于编程人员以及操作人员经验和水平的差异,机床利用率相差很多倍。
数控机床利用率低下严重制约了我国制造业向前发展,同时造成了巨大的经济损失及资源浪费。
国内外制造企业为了提高数控机床的使用效率,普遍采用数控加工仿真技术。
数控加工仿真技术是虚拟制造技术的前提,是实现未来虚拟化制造的必要手段。
数控加工仿真包括几何仿真和物理仿真两大部分。
几何仿真将加工系统视为理想刚性系统,不考虑加工过程中所产生的切削力、切削温度、刀具变形等物理量,只考虑加工过程中刀具的运动轨迹与工件形状。
几何仿真主要用来进行NC代码验证,检验加工过程中是否发生欠切或过切,检验加工过程中可能出现的干涉、碰撞等情况。
物理仿真更多地考虑加工过程中的各个物理量,通过建立加工系统的数学模型,预测加工中的切削力、切削温度、振动、刀具变形、表面形貌等影响加工质量的因素[2]。
在数控加工过程仿真中,由于几何仿真相对容易因此发展比较迅速,并产生了许多成熟的商品化软件,如UG、CATIA、Pro/E、CAXA、Vericut、Delcam、Cimatron等几何仿真软件。
相反,加工过程复杂、涉及变量多、以及一些不确定因素的存在阻碍了物理仿真的发展。
目前只有少数不很成熟的商品化软件,如加拿大的Cutpro、美国的MetalMax、美国的Thirdwave和国内的SimuCut。
几何仿真与物理仿真长期以来独立发展,而实际加工过程不仅包含几何变化更是一个物理过程,只有将几何仿真与物理仿真有机结合起来才能更准确地反映加工过程、有效地指导用户进行生产。
目前物理仿真软件中切削力模型都是在给定切削参数下计算加工过程的静态切削力或结合加工系统模态文件计算动态切削力。
实际加工中,切削参数是不停变化的,即使名义切削参数不变,刀具实际切削用量也有所变化。
如圆角铣削过程中,由于圆角的存在切宽不是恒定的。
为了更准确地反映真实切削过程,必须考虑刀具切削过程中的轨迹,以及工件加工前后的形状。
由此可见,针对高速铣削加工过程优化要求,以基于加工特征的铣削过程力学仿真为基础,研究高速铣削加工中不同走刀策略下动态切削力的建模与仿真算法,在力学仿真中结合刀具轨迹的几何信息将几何与力学仿真进行进一步结合,为今后实现真正的虚拟加工、高效指导实际生产夯实基础。
2.国内外研究现状分析
零件生产的理想过程如下图所示:
首先设计部门通过CAD技术设计出产品的三维模型;依据经验与切削参数数据库设定加工工艺规程,选定加工参数,并利用CAM软件生成刀具轨迹,经后处理产生NC代码;通过几何仿真软件验证数控代码的正确性,预先排除加工过程中可能出现的过切、欠切以及干涉、碰撞等加工故障;通过物理仿真软件预测加工过程中切削力、主轴转矩、切削温度等的大小,对预先选定的切削参数进行优化;通过CAM软件对优化后的加工参数再次生成刀具轨迹并进行NC代码验证;将正确、合理的NC代码传输到数控机床上对零件进行加工生产出实际零件。
图2.1产品设计制造流程
数控加工仿真按是否考虑切削加工过程中的物理因素可划分为几何仿真和物理仿真两个方面。
几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响,只仿真刀具-工件几何体的运动,验证NC轨迹的正确性,同时为物理仿真提供必要的切削几何信息,几何仿真相对于物理仿真较容易实现,所以几何仿真发展比较完善。
切削过程的物理仿真是通过使用相关的力学模型预测切削力、切削温度、刀具变形和工件表面形貌来仿真切削过程的动态力学特性,预测刀具的破损,控制切削参数,达到优化切削过程的目的。
2.1数控加工几何仿真国内外发展现状
数控加工几何仿真通过图形技术模拟加工过程,在计算机上实现加工过程中机床、刀具、工件及夹具等相关几何实体的运动过程,通过几何仿真可以检查数控加工轨迹的正确性及实现碰撞、干涉检验,最终判断NC代码的正确性。
几何仿真从算法原理上可分为两大类:
基于实体的仿真方法和数字离散仿真方法[3]。
基于实体的仿真方法实质是通过工件与刀具运动形成的刀具扫掠体作一系列的实体布尔差运算,得到不断更新的工件三维模型实现加工仿真。
根据实体表示方法的不同,又分为体素构造法(CSG)和边界表示法(B-rep)。
基于实体的仿真方法可以提供三维形体最完整的几何和拓扑信息,能够进行准确的过程仿真和刀位轨迹验证,但是计算量巨大,相当耗时。
Voelcker和Hunt两人于1981年最早将实体建模技术引入NC程序检验,并利用PADL(CSG)模型作了一个试验系统,用于检验二轴半数控铣削程序的正确性,执行速度很慢[4]。
Wang研究了雕塑曲面的实体建模,并开发了利用整体布尔运算的五轴切削数控仿真系统[5]。
为降低实体建模运算量Woodwark和Wallis[6]提出的空间分割集合理论方法、Carlbom提出的局部化操作方法,均用于减小NC仿真几何建模的计算时间。
目前研究最为成熟有效的是由Navazopo[7]提出的实体造型八叉树分割法,有效降低了几何仿真的求交运算时间。
Kawashima和Brunet[8]等又提出了接合树法(Grafttree),运用八叉树及其扩展形式对毛坯和切削区域进行几何造型。
但八叉树及其衍生结构对于复杂零件仍需要很大的内存空间,而且将CSG或B-Rep表示的数据结构转化成此类数据结构所涉及的计算本身就比较复杂。
由于实体造型法计算复杂、求解速度慢,许多学者提出了一些近数字离散的真方法,其计算复杂度一般为O(N),算法简单且计算效率高。
数字离散方法主要包括基于图像空间的方法和离散矢量求交法。
基于图橡空间的建模方法是在窗口坐标(或称视坐标)下按平行透视原理进行计算,类似于计算机图形学中的Z-Buffer消隐算法。
该方法将屏幕面作为固定的投影基准面,在显示过程中丢弃了场景内物体大部分的几何深度信息,因此只能做静态观察,不能进行旋转、缩放等几何变换,也不能进行测量,分析等仿真后处理工作,导致该方法的应用受到很大限制。
有人提出建立一个独立于屏幕的Dexel投影面以解决与屏幕相关的问题,但由于每一个Dexel是由相邻的四个像素点定义的,它的Z值的选取是由四个像素点中最大的那个决定的,因此不能对仿真加工的结果进行比较精确的分析。
Wang[9]、VanHook[10]以及Antherton[11]等人利用Z-buffer结构建立了能快速显示动态加工过程的仿真系统。
离散矢量法针对基于图像空间方法和实体建模方法的不足,用独立的投影平面代替屏幕平面将几何体离散,用离散点处的矢量代替几何实体数据。
这种方法没有几何实体的数学描述,但可以用精度来控制离散网格密度,是一种可控制精度的几何建模方法。
Chappel[12]提出点矢量(“Point-vector”)方法,利用点的法矢与刀具扫掠体求交进行仿真。
Oliver[13]等人采用试探法(heuristics)减少了矢量求交的数量,提高了仿真效率;Chang、Huang[14]等人采用局部化的方法提高了运算效率。
国内清华大学、华中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、东北大学、南京航空航天大学等高校的研究团队都对数控加工过程几何仿真进行了一些有益的探索。
清华大学的肖田元、韩向利等人对数控仿真中直线与刀具扫掠体的求交算法进行了研究,设计了材料去除过程三维动画软件GNCV。
北京航空航天大学的罗堃实现了视向离散法,研究并实现了三角片离散法[15]。
西北工业大学的汤幼宁、魏生民等人通过构造物体的Dexel模型,以坐标变换支持观察定义的动态变化,并以“移动实例”来近似刀具扫掠体来支持五轴NC加工仿真和验证[16]。
赵继政和魏生民等人研究了一种基于物体空间的离散方法,采用不同颜色显示的三角片来实现真实感图形显示[17]。
哈尔滨工业大学的刘华明教授在复杂曲面离散技术的基础上,开发了一套基于微机的复杂曲面数控加工仿真验证软件包[18]。
哈尔滨工业大学袁哲俊等人以扩充Z-map表示工件,实现了三轴数控铣削仿真[19]。
东北大学和大连铁道学院的研究团队开发的基于光线跟踪的加工仿真系统中用简化的Torrance-Sparrow光照模型生成了真实感很强的仿真图形。
南京航空航天大学的姜晓峰对数控铣削仿真的切削过程几何表示和基于Z-map数据结构的仿真方法进行了研究[20]。
伍铁军等提出了一种数控铣削仿真的切削过程几何表示及真实感图形显示算法,显示效果接近于光线跟踪算法[21]。
2.2数控加工物理仿真国内外发展现状
物理仿真的基础和核心是加工过程建模,物理仿真建立的模型主要有切削力模型、振动模型、表面粗糙度模型、切削温度场模型、刀具磨损模型等。
在数控加工中切削力是所有物理因素的基础,通过切削力建模可以间接得到其他物理模型,如振动模型、切削温度场模型、刀具磨损模型、表面粗糙度模型等。
因此,在物理仿真中,切削力仿真是各国研究的重点[22]。
切削过程力学建模是指在给定的切削条件下对加工过程中的切削力进行预测。
切削力建模分静态切削力建模和动态切削力建模两种,其中静态切削力建模不考虑机床动力学因素,只根据名义切削参数通过建立切削过程的数学模型而求解切削力。
动态切削力建模是在静态切削力建模的基础上进一步考虑机床动力学因素,在求解过程中切削参数不再是名义切削参数,而是伴随了刀具和工件之间的相对振动。
按照切削力建模过程的不同,可以分为如下五类[32~59]:
(1).基于实验数据的经验模型
经验模型以工程实践为基础,通过大量实验建立切削物理量之间的经验公式,如
,该公式将切削力视为切削速度、进给速度以及切削深度的函数。
Taylor和其他学者通过大量切削实验对加工中的切削力、刀具寿命和刀具磨损等指标进行了测量,建立了用于描述这些指标与切削条件、刀具几何参数之间关系的经验公式。
经验模型一旦建立,对特定的切削状态比较实用,但也存在显著的不足:
首先,要建立经验公式,就必须进行大量切削实验,建立庞大的数据库来存储实验结果;其次,一旦切削条件发生改变,经验公式就不再适用,必须重新进行实验。
(2).基于切削机理的解析模型
解析方法通过对发生在切削过程中的物理机理进行解析建模来对切削力进行预测。
由于切削加工本质上的复杂性,目前所有解析模型都无法对发生在切削刃前、后刀面上的所有复杂现象进行概括。
因此,为使问题易于处理,或多或少地引入了一些假设。
解析方法的另一个不足之处是无法对斜角切削中复杂的动态切削力进行精确的建模。
Merchant根据合力最小原理确定了剪切角公式
,建立了直角切削模型。
Lee和Shaffer等人依据塑性定律提出了剪切角预测模型。
Yamazaki和Wang研究了根据平均功率来估算切削力的平均刚性力模型;之后Spence和Altintas等人针对任一时刻铣削力进行了研究,采用瞬时刚性力模型;Tlusty等人从刀具与工件之间相互作用的动力学角度,提出了再生动力学模型。
(3).基于单位切削力的力学模型
单位切削力法将切削力看成与切屑截面积成正比,其中的比例系数取决于切削条件和材料特性,该方法最早由Sabberwaal提出。
Kline等人使用力学方法对立铣过程进行了建模并在模型中考虑刀具变形和刀具偏心影响。
Devor和Sutherland通过考虑加工系统变形对切屑载荷的影响对其立铣模型进行了改进。
Armarego和Deshpande用类似方法对立铣过程进行建模以实现对静态切削力的预测。
Elbestawi等人提出了一个动态切削力模型来对承受侧向磨损的立铣刀的颤振进行预测。
其工作是基于简化的二自由度振动系统。
Fu等人提出了针对面铣的力学模型,并宣称其静态切削力预测时考虑了主轴倾斜和面铣刀偏心的影响。
Purdue小组提出了一个针对面铣加工的综合力学模型以实现对动态切削力的预测,在预测时考虑了主轴-轴承的非线性性及机床-刀具结构的多振动模态。
另一方面,BritishColumbia小组提出了一个综合的切削力模型来实现对平头铣刀和球头铣刀加工过程动态切削力的预测。
近年来,对基于单位切削力的力学模型研究较多,出现了许多不同的模型,常见的有如下几种:
a平均铣削力模型(Averagecuttingcoefficientmodel)
b变切削力系数模型(Variablecuttingcoefficientmodel)
c基于直角到斜角变换模型(Orthogonaltoobliquecuttingtransformation)
d双线性铣削力模型(Bi-linearforcemodel)
e指数切屑厚度模型(Exponentialchipthicknessmodel)
f半机械模型(Semi-mechanisticmodel)
g高阶铣削力模型(High-orderforcemodel)
除上述几种铣削力模型之外,还有山特维克模型(Sandvikforcemodel)与Kienzle模型(Kienzleforcemodel)等。
它们在形式上与指数形式类似,但各个系数的定义及含义有所区别。
(4).基于限元法的模型
自1973年Klamecki第一个将有限元模型应用于切削加工过程开始,有限元方法已在切削加工中得到了广泛应用。
目前主要有两种有限元方法用于建模:
拉格朗日模型和欧拉模型。
拉格朗日模型是当工件接近和离开刀具时,跟踪固定的一块材料体。
该模型适用于仿真切削的切入、切出阶段以及间断、不连续的加工过程。
它与弹性材料模型吻合得很好;但在加工中出现大量塑性变形的情况下,网格变形太大,从而造成仿真误差增大。
因此当刀具在工件上连续进给时很难建造拉格朗日模型。
另外,拉格朗日模型的计算很费时。
而欧拉模型围绕刀具周围的连续材料流进行,从而得到对延展性好的材料加工时理论上较准确的模型,它无需网格再生或节点细分。
欧拉模型运行时的计算时间也大大减少。
不过,它不适于间断加工、切入、切出阶段以及不连续的切屑形成情况。
目前,利用一些商用有限元分析软件如:
Marc、deform和abaqus等,可以较方便地进行切削加工过程建模,可以对铣削加工过程中的刀具和工件受力、变形、切屑的形成进行仿真,适用范围较广。
但是有限元方法的局限性在于它对计算设备有非常严格的要求,并且由于在建模过程和网格的划分时需要较多的人为因素介入,对最终仿真结果的精度有较大的影响。
(5).基于人工智能的模型
基于人工智能的仿真模型主要包括神经网络模型和模糊理论模型。
a.人工神经网络技术
人工神经网络技术(artificialneuralnetwork,ANN)为切削力建模提供了新的方法和途径,它可以有效处理大量工艺参数之间复杂的非线性关系,其基本结构如下图所示。
由工艺参数输入层,中间隐层和切削力输出层组成。
研究者较多采用BP型神经网络结构。
Stone根据线弹性断裂力学理论建立不同切削区域临界推力的大小,利用神经网络控制方案调整进给量,进而达到控制钻削力处于临界值以下的目的,Luo采用两组神经网络,一组使用参数插值算法确定进给率的大小以维持合适的切削力大小;另外一组用来修正前面给定的进给率以消除闭合回路伺服系统动态延迟所导致的轮廓铣削误差。
利用神经网络对刀具磨损域切削力各分量比率之间关系的描述,可以用来监控切削过程中刀具的工作状态。
图2.2神经网络模型
Szecsi利用前馈3层神经网络,基于误差反向传播训练算法建立车削力预报模型,网络输入层包括12个神经元,分别表示工件材料拉伸强度、工件材料硬度、刀尖半径、间隙角、刀面角、主刃口角、次刃口角、主刃倾角、切削速度、进给率、工件材料类型以及平均刀腹磨损等。
采用变学习率的方法,在保证神经网络训练速度的同时,可以避免收敛于局部最优。
Zuper建立了球头铣削力的神经网络预报模型,主要考虑了刀具直径,刀片尺寸、主轴转速、轴向切深、径向切深、冷却液等切削参数的影响,与实验测试值相比,预测精度高达96%以上。
Ratcheev利用基于遗传算法的神经网络预报模型确定了加工复杂薄壁零件时的切削力大小,并进而研究了薄壁零件的数控加工变形控制问题
b.模糊灰色理论
模糊逻辑控制技术用于实时监控动态切削过程,通过在线调整进给率以维持恒定的切削力大小,达到抑制系统颤振、改善刀具工作状态和提高加工精度的目的。
模糊控制器主要由模糊化器、知识库、模糊推理机、逆模糊化器等组成。
基本的车削模糊控制系统如下图所示。
图2.3车削自适应控制系统
以上五中模型中,基于单位切削力的力学模型法由于结合了实验法和解析法各自的优点,模型简单且能在较宽泛的范围内较准确的预测切削力的大小而广泛使用。
2.3高速加工走刀策略发展现状
同传统铣削相比,高速铣削工艺有其特殊性,除了要有高速切削机床和高速切削刀具之外,具有与之相匹配的加工编程软件也是至关重要的。
在选择了合适的刀具和加工参数后,加工方法的选择和刀轨规划就成了关键。
如果CAD/CAM软件的加工策略、加工参数定义不当,高速加工也达不到应有的效果。
HSC精加工对CAM的编程要求[60]:
Ø尽量避免拐角的铣削运动。
Ø尽量避免工件外的进刀与退刀运动,直接从轮廓进入下一个深度,或者采用螺旋线或斜向进给切入。
Ø恒定每刃进给,提高质量,延长刀具寿命。
Ø轮廓加工保持在水平面上等。
Delcam公司几年前就开始了高速切削加工编程技术的研究,开发了高速切削自动编程软件模块;最近MasterCAM公司也开发了高速切削自动编程软件模块;国内北航海尔也在开发高速切削自动编程软件模块。
下面以Delcam公司开发的PowerMill高速铣削加工软件为基础,对典型的高速加工策略进行归纳和分析。
PowerMiII软件的高速加工策略主要包括四部分:
粗加工策略、半精加工策略、精加工策略、清根及清角加工策略。
(一)粗加工策略
粗加工的主要目的是追求单位时间内的材料去除率,并为后续的半精加工做准备。
PowerMILL的粗加工采用区域清除方式,其下切或行间过渡部分应该采用斜式下刀或圆弧下刀,并且尽量采取顺铣的加工方式,刀具路径的尖角处要采用圆角的光顺处理,这样才可能保持刀具负荷的稳定,减少任何切削方向的突然变化,从而符合高速加工的需求。
同时PowerMILL的粗加工中应采用以下加工策略:
①尽量使用偏置加工策略而不是使用传统的平行加工策略。
在可能的情况下,都应从工件的中心开始向外加工,以尽量减少全刀宽切削;②赛车线加工(RaceLineMachining)是Delcam推出的高速加工方式的专利,它模拟了赛车的原理,最大化地消除了刀具路径中的尖锐拐角,刀具保持了恒定刀具负荷和排屑率,使得刀具负荷更加稳定,改善加工质量;③摆线粗加工是Delcam推出的另外一种高速加工方式。
在刀具过载的区域,采用摆线加工,可显著提高加工效率,延长刀具寿命,减少对机床的冲击。
(二)半精加工策略
半精加工的主要目标是使工件轮廓形状平整,表面精加工余量均匀。
PowerMILL是基于知识的专业加工软件,它的残留粗加工能自动识别上一道工序的残留区域和拐角区域,自动判别在上一道工序留有的台阶的层间进行切削,系统智能地优化刀具路径,使用户能够获得空走刀最少的优化的刀具路径。
(三)精加工策略
精加工的主要目标是获得几何尺寸、形状精度及表面质量的工件。
PowerMILL的精加工的连接处应尽量采用圆弧或螺旋等方式切入切出工件,要尽量减少抬刀次数和减少刀具路径频繁方向的变化。
同时PowerMILL的精加工应尽量采用以下加工策略:
①优化平行加工,在刀具路径的尖角处采用圆角的光
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