基于切削力模型的进给速度调节方式

基于切削力模型的进给速度调节方式
摘要:高速铣削加工进程中通常采用很高的主轴转速和专门大的进给率速度,致使加工件的质量对切削力的波动十分敏感,因此,探讨对高速铣削加工中切削力进行有效控制的技术,不仅有助于合理制定高速铣削加工工艺,而且能够尽可能发挥机床的加工性能从而提高加工质量和生产效率。

关键词:加工工艺;进给率;切削力
一、引言
传统的铣削加工模具型面时,通常采用等切削深度恒机床进给速度的加工方式,可是由于模具型面的复杂性和多样性,采取这种方式会致使刀具的切削环境的不断转变从而引发切削载荷的起伏不定,影响了工件加工质量,且传统的进给速度选择一般是按照生产加工经验和切削手册选取各加工极限条件下最小的安全进给速度,这使得刀具在整个的数控高速铣削加工中的绝大部份时刻处于轻度载荷状态,不能充分发挥机床的性能,极大地降低了加工效率。

进给速度控制能够分为在线方式和离线方式。

在线的进给速度调节方式就是在加工进程中,实时收集各传感器信号,按照反馈结果对加工情形作出调整。

该方式由于本钱昂贵和靠得住性太低而大体无法实用。

比较普遍采用的进给速度调节手腕是依据某切削模型采用离线方式修正加工文件,对
机床进给速度进行控制。

实现对进给速度的合理控制,不仅能够保证理想的切削载荷,而且能够充分发挥机床进给系统的潜能,提高加工效率。

二、进给速度调节的控制模型
要对进给速度进行优化调整,就要成立优化的参照模型。

目前在进行进给速度优化处置时,都是通过成立相应的控制模型,以此模型为约束条件对进给速度进行优化调节,其中最具代表性的控制模型是基于等切削体积的控制模型和基于切削力的控制模型。

(一)基于等切削体积模型的进给速度控制
该方式假设加工进程中切削载荷和加工时候的材料去除率成正比,若维持加工中工件的材料去除率恒定则切削载荷将维持稳固。

这方面的研究工作比较典型的有通过调节局部刀具位置的进给速度值,以维持加工进程中工件材料的去除率处于一个理想的稳固状态。

该方式由于计算简单,容易用软件方式实现,已经被一些CAM软件采用。

但是由于该方式的假设只能在简单的二维直线走刀加工和圆弧走刀加工中成立,对于曲线加工或更复杂一些三维曲面加工来讲,切削载荷和切削体积成正比的假设不能成立。

因此该方式具有必然的局限性。

(二)基于切削力模型的进给速度控制
该方式第一成立一个切削力模型,模型中描述了进给速度与切削力之间的关系,其原理是当加工进程中其他切削参数发生转变的时候,通过调节进给速度作为补偿以维持切削载荷稳固,即以恒定的切削力作为约束条件对进给速度进行优化调整。

切削力模型是实现该控制策略的基础,模型成立的好坏直接影响到进给速度计算的准确性。

目前为止,国内外学者成立了大量的切削力模型,能够归纳为理论切削力模型和经验切削力模型两大类。

理论模型抽象了切削进程中,刀具和工件之间的各类复杂几何和运动关系,成立切削的切削力模型由于太过复杂,而实际生产中无法应用。

比较实用的是依据切削实验成立的经验模型,提炼出描述加工进程的几个切削用量,然后通过实验方式回归取得经验系数,成立切削力模型。

三、进给速度调节的实现手腕
进给速度调节最终必需要反映到机床运动中,使得机床的运动情形依照预想的情形转变才是进给速度调节方式的目的。

要使得机床运动遵循预想的进给速度曲线,通常有如下两种策略。

(一)NC程序修正
依据切削模型计算取得的进给速度值,只有融入到NC加工
程序中才能应用于实际生产。

通常由加工中心的CAM系统取得的NC程序是在不考虑机床电机的物理性能(加减速性能)的理想情形下取得的,这就致使了实际加工效果与预期的出入专门大,所以NC程序的修正进程需要考虑机床的动力性能,专门是加减速性能。

机床伺服系统能力有限,不可能对进给速度转变做出理性情形的即时响应,因此在NC程序修正阶段必需要考虑加减速过渡阶段进给量。

另外在NC 程序中进给速度是阶梯状的,而理论计算取得的进给速度是持续的,因此如安在保证加工进程中刀具运动平稳性的前提下将进给速度值阶梯化也是NC程序修正中必需要考虑的问题。

本文在对NC程序进行修改时,将对机床的动力性能进行分析,成立输入指令与实际输出的关系,进而以理想指令作为实际输出来反求优化的输入指令。

(二)CNC插补控制
在CNC插补运动阶段若能实现插补步长的自适应设置,宏观上反映出来的就是实现了进给速度的自适应调节,不失为一种从根本上革新进给速度控制的方式。

但是该方式在实现阶段难度专门大,需要实现插补步长的形状自适应设置。

但是此刻的NC程序中己经没有了工件形状信息,只是一些简单的直线圆弧段拼接,无法设置形状自适应步长。

曲线直接插补专门是NURBS曲线直接插补,包括较多的工件形状信息。

目前曲线自适应插补算法和高性能CNC系统正受到国内外众多研究者的追捧。

四、进给速度阶梯化分析
通过初步优化的NC程序的每一个刀位点都会对应一个进给速度,这虽与变进给速度数控加工的期望相符合,可是众所周知,频繁的转变数控机床的进给速度也存在如下的问题:第一,进给速度的猛烈转变将严峻影响刀具寿命,频繁换刀会严峻影响加工精度;第二,进给速度的猛烈转变必将致使机床各坐标轴运动速度的不断转变,若由此引发的坐标轴运动速度太高或速度转变过大时,将产生较大的几何轨迹误差,进而增加机床工作负荷,减少机床利用寿命;最后,由于机械运动部件存在惯性,进给速度的猛烈转变将致使机床响应滞后,严峻影响了加工精度。

因此在机床的启动、停止和速度转变时都必需以光滑的速度过渡,避免产生运动冲击而影响加工精度、机床和刀具的寿命。

针对以上所述,需要对初步优化后的NC程序的进给速度进行进一步阶梯化,即给相邻的进给速度转变很小的一段刀位点设定一个进给速度,如此就可以够将高频持续转变的进给速度优化为低频分段转变的进给速度,只要选择适当,铣削力的大小不会有太大抖动,而且知足了进给速度光滑过渡的要求。

进给速度的分段优化主要有两个标准: 进给速度相近原则:即同一段内的进给速度值大小必需相近。

这就产生两个约束条件:第一该段内的进给速度数列的均方差c 必需小于给定值Cmax(这里咱们取均方差上限为Cmax=。

第二由于实现进给速度分段时进给速度数列内的进给速度个数是慢慢增加的,这就要求每一个进给速度值加入进给速度数列时不能使该数列的均方差C转变过大,这里咱们规定均方差的转变不能超过10%。

进给速度光滑过渡原则:即进给速度转变时所需的加速距离或减速距离sa必需小于刀具移动距离S以保证进给速度的光滑过渡,不然分段优化失去意义。

五、切削负载自适应方式展望
恒切削负载加工不仅可使切削平稳靠得住,而且能够保证高的加工效率和加工质量,因此一直是各国学者和工业界潜心研究的课题。

在长期的研究和实践中,逐渐形成了两类方式。

一类是加工进程的自适应控制的方式,包括固定增益控制法、参数自适应控制法和智能控制法等,但是,由于各种原因比如反馈的及时性等,切削负载实时测量反馈加工进程自适应控制技术远没有达到实用程度,尤其不适用于复杂多变的自由曲面多轴铣削加工进程无论是切削负载实时测量反馈的加工进程自适应控制方式,仍是以加工进程仿真技术为基础的程序优化方式,大体上都是通过单纯地调节机床进给速度的方式来实现对加工进程切削负载的控制,实现的难度大且效果并非睬想。

而且,仅仅通过频繁地改变机床的进给速度,虽然提高了生产效率,必然程度上保护了机床,可是,高速加工中频繁的进给速度变更却会损坏工件的表面质量并加速刀具的磨损。

进给率的转变太高,即转变过于频繁,将会致使走刀纹路的不均匀,因此不适用于高速加工进展的要求。

参考文献
[1]张伯霖,杨庆东,陈长年.高速切削技术及应用.北京:机械工业出版社,2002.
[2]季国顺,数控系统参数曲线加工最大进给速度选择.农业机械学报,2007
[3]魏兆成,王敏杰.恒力侧铣加工的余量优化策略.大连理工大学学报,2008。