提高数控加工速度和精度的几种方法 (1)

提高数控加工速度和精度的几种方法
摘要：介绍了高速加工的数控编程策略,论述了高速高精度加工的几种方
法,如待加工轨迹监控法,专家系统法,曲线插补法及试切法等,其中待加工轨迹监控法和专家系统法能够动态调节机床的进给速度,曲线插补能够提高机床的平均进给速度,试切法则可以为任意半径的圆弧段设定一个最高允许进给速度。

关键词：高速加工待加工轨迹监控专家系统数控编程.
论文主体：
一、引言
高速加工与传统的数控加工方法没有本质的区别,都有进给量,加工速度和切削深度等工艺参数,也要切削刀具和数控程序,但是,在这两种加工方法中,上述工艺参数的大小是不同的.高速加工中使用高的进给速度和小的切削参数(切削深度和单刃进给量),而传统的数控加工中使用低的进给速度和大的切削参数。

因此,他们使用的机床主轴,切削刀具,计算机数控系统,伺服进给系统和数控编程方法都有显著的区别。

如何在保证加工精度的同时,尽量提高机床的进给速度,这是研究者门十分关心的问题。

本文在简要介绍高速加工的数控编程策略之后,着重论述实现高速高精度加工的几种方法。

二、高速加工的数控编程策略
高速加工的数控编程是一项非常复杂的技术,程编员在编制N C代码时必须考虑加工工艺过程.高速加工中的进给速度和加工速度很快,程编员必须能够预见到切削刀具是怎样切入工件的。

加工时除了使用小的进给量和浅的切削深度外,编制N C代码时尽量避免加工方向的突然改变也非常重要。

因为突然变化进给方向不仅会使切削速度降低,还可能产生"爬行",致使加工表面质量降低,甚至还会产生过切或残留,或使刀具乃至主轴损坏,特别是在三维轮廓加工中,将复杂型面或拐角部分单独加工会比用"之"字形加工法,直线加工法,直线法或其他一些通用加工方法一次加工出所有型面更有利一些.高速加工时,刀具要缓慢切入工件,尽量避免刀具切出后又重新切入工件,因此,从一个切削层缓慢地进入另一个切削层比切出后再突然进入要好;其次,尽量保持一个稳定的切削参数,包括保持切削深度,进给量和切削速度的一致性,当遇到某处切削深度可能增加时,应降低进给速度,因为负载的变化会引起刀具的偏斜,从而降低加工精度,表面质量和缩短刀具寿命.故在很多情况下,有必要对工件轮廓的某些复杂部分进行预处理,以使高速运行的精加工小直径刀具不会因为前道工序使用的较大直径刀具留下的"加工残余"而导致切削负载的突然加大。

目前一些CAM软件具有"加工残余分析"的功能,这一功能使得CAM系统能准确地知道每次切削后加工残余的位置.这是保持刀具负载不变的关键且对高速加工的成功实现至关重要。

总之,刀具路径越简单越好,这样,加工时可有能达到最大进给速度,而不必由于密集的数据点簇或加工方向的突然改变而减速。

在"之"字形切削路径中,用"弧线"(或类似弧形线段)来连接相邻的两个直线段,将有利于减少加减速程序的频繁调用和转换。

在高速加工中,无论从加工精度还是从加工安全性来说,CAM系统的自动过切(残余)保护功能是必不可少的,因为过切(残留)对工件的损坏是不可修复的,而它对刀具的破坏亦是灾难性的,这就要求为被加工几何表面建立一个精确而连续的数学模型以及有一个高效的刀具路径生成算法来保证加工轮廓的完整性。

其次,CAM系统对刀具路径的验证能力亦是非常重要的,这一方面可以允许程编员在把加工代码送到车间之前验证程序编制的正确性,另一方面还可以优化程序,根据不同加工路径自动地调节进给速度,保持始终有最大安全进给速度。

三、高速高精度加工方法
1.待加工轨迹监控
当高速加工曲线和三维复杂型面时,数控系统必须要预先了解待加工N C代码段所表示的刀具轨迹,否则,当刀具进给方向突然变化时,机床的惯性有可能引起过切或残留现象,从而造成对工件的严重损坏.通过待加工轨迹监控,机床的计算机数控系统可以在保证加工精度的条件下使机床尽可能在最大编程速度下工作。

这里值得注意的是,完成上述工作的不是程序员,也不是机床操作者,而是机床的计算机数控系统,它可以在每秒钟内2000多次改变进给速度来达到上述目的。

因此,使用一个具有待加工轨迹监控功能的高速计算机数控系统,可以保证在理想的精度条件下实现零件加工时间最短。

众所周知,三维型面是由很多相互靠近的点来形成的.例如,在图1所示的零件轮廓中,其中部分轮廓较为复杂,每一段N C代码定义的位移较短,这一区域发生过切(残留)的可能性较大,因而加工进给速度相对来说较低.图中左半部轮廓较为简单,每一段N C代码定义的位移较长,加工进给速度可以高一些。

2. 曲线插补
在复杂型腔的高速加工中,如果采用直线段来逼近零件轮廓,每段N C代码定义的位移会较小,因而N C代码文件会变得很长,这会严重影响加工速度.为了获得较高的精度,可以将复杂曲线(如NU RB S)直接输入到计算机数控系统而不必象传统方法那样采用直线段来逼近这种复杂曲线.计算机数控系统中的插补器能够根据曲线方程来精确,平滑地加工出这种轮廓.在很多情况下,这种方法的加工速度相对来说要快得多,加工出的曲线方程也更加平滑,且其N C代码文件长度不超其原来的十分之一。

用这种方法之所以可以使用更快的进给速度,不仅是因为计算机数控系统的代码段处理速度提高了,而且是因为计算机数控系统在整个零件加工过程中具有更加智能和动态调节程编进给速度的能力。

由于在相同精度的条件下,一段复杂曲线比一条直线段能描述更长的零件轮廓,这就是当用复杂曲线拟合零件轮廓时零件的N C代码段数显著减少的原因.较小的N C代码文件意味着无需通过DNC将其分批送到计算机数控系统中,计算机数控系统也无需配备辅助存储器.
3. 给圆弧设定最高允许进给速度
根据圆弧半径的大小,我们可以动态调节进给速度,其工作原理是,首先为不同半径圆弧段设定一个最大允许进给速度,当数控系统发现某段圆弧的最大允许进给速度小于其程编速度时,它将自动把进给速度降低到该段圆弧的最大允许进给速度;随着刀具路径变得平直,数控系统又将进给速度提高到机床本身的最大允许进给速度,为了建立不同半径圆弧段的最大允许进给速度,首先要建立具有代表性半径值的圆弧段的最大允许进给速度,然后通过数学处理,就可以在整个加工范围内为不同半径的圆弧段确定一个相应的最大允许进给速度。

四、结束语
金属切削加工速度受到很多因素的影响,一方面,加工速度要受到刀具材料,机床的切削性能,工件材料,工件要求的精度和表面质量以及零件轮廓的复杂程度等的影响,另一方面,加工速度还要受到计算机数控系统性能的限制。

例如,计算机数控系统的伺服周期及其伺服周期内的位移增量就是影响高速度高精度加
工的两个关键因素。

尽管人们都希望提高加工速度,但是,加工速度快并不是我们的目标,它仅是达到目标的一种方法.如果加工精度,加工表面质量得不到保证,或切削刀具的寿命显著降低,加工速度再快也是毫无意义的.要成功应用高速加工技术,还有很多技术和知识有待研究和学习。

遗憾的是目前还没有这方面的现成、资料.高速加工技术正在不断发展,从事这项技术的人们也在边工作边学习边掌握这门技术,甚至很多专家也承认他们也仍然刚刚入门.可以想象,在高速加工的应用中一定会出现很多问题,不过,这些问题都将会得到解决,为此付出的努力也一定会得到回报。