高速加工技术应用研究

高速加工技术应用研究（精选十篇）

高速加工技术应用研究 篇1

1 热处理

主轴材料选用12Cr Ni3合金渗碳钢, 其在淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能, 且低温韧性高、缺口敏感性低、切削加工性能良好、退火后硬度低、塑性好。

采用锻造毛坯, 热处理方法为:锻造后进行正火处理→出车后进行高温时效处理→主轴轴颈、主轴7∶24锥孔进行渗碳处理, 渗碳层深度为1.7 mm→主轴轴颈、主轴7∶24锥孔进行淬火处理, 淬火硬度为HRC59, 并进行主轴热处理、切片实验→进行喷砂处理 (左端凸键部分和各空刀槽处喷细砂) →主轴粗磨后进行油中定性处理→电主轴锭子加热和主轴进行热装配。

2 机加工工艺

内藏式高速电主轴的结构特点决定了主轴加工工艺的特殊性。为了避免电主轴在热装转子过程中发生热变形而造成回转精度损失或因装配误差而造成主轴转子组件不平衡, 电主轴转子必须先与机床主轴装配在一起, 再进行精加工。

主轴各轴径、内孔 (包括锥孔) 留精磨量, 上芯轴, 找正:按转子内径实测值配磨外圆, 要求过盈量在0.07~0.09 mm的范围内。

将平衡盘和转子与主轴一起热装, 并热装电机转子:将平衡盘与转子一同加热 (加热温度为180~200℃, 并保温1 h, 将转子从加热炉中取出时, 必须确认转子的温度是否在允许加热的温度范围内) ;将主轴提前垂直安放在平台上的支撑具上, 加热后的平衡套、主轴转子和平衡盘依次热装至主轴上 (待工件冷却后转机加) ;半精磨、精磨转子 (含平衡盘) 、主轴内孔、轴颈和7∶24锥孔 (7∶24锥孔要在轴线A—B基准的径向跳允差主轴端面处0.001 5 mm, 距主轴端300 mm处0.004 mm) 。

3 电主轴部件的组装工艺

内藏式高速电主轴的最高转速达12 000 rpm, 采用前端完全固定, 后端浮动的轴承支承方式, 其总装配图如图1所示。前端四列背对背前角接触球轴承, 主轴的径向和轴向全部固定, 后端选用圆柱滚子轴承, 轴承内圈、滚子可与主轴一起沿着外圈滚道作轴向移动, 减小了热伸长对主轴的影响, 精度保持性好。根据设计特点, 装配中要解决的关键问题是轴承预紧力、前后轴承的温升、主轴的动平衡、定子和冷却套的热装、油气润滑装置和冷却套的防漏等, 并确定装配工艺规范。

3.1 确定轴承预紧力

主轴轴承预紧力与机床主轴转速、刚度和载荷有关, 轴承预紧力的增加可提高主轴的刚度, 但轴承滚道摩擦、损耗等会产生热量。如果热量无法及时散发, 则会严重影响机床精度, 因此, 轴承预紧力应通过测试或试验确定。根据多次反复试验, 并参考国内外电主轴轴承预紧力的研究结果, 确定预紧量为0.002~0.005 mm。通过实测同组同向轴承内、外环高低差值, 可确定内、外隔套的高低差, 并通过精密配研得出, 隔套两端面平行度允差为0.002 mm。

3.2 主轴的装配

主轴的装配如图2所示。

主轴装配的具体流程有以下8步: (1) 主轴轴承与主轴轴颈配合公差过盈为0.002~0.005 mm, 可通过主轴与主轴轴承实测值配磨保证; (2) 轴承安装前涂SBU15锂基润滑脂, 填充量为轴承游隙的1/3; (3) 安装轴承前, 主轴应垂直固定在操作平台的支撑具上, 并根据机加提供的标记确定主轴锥孔对应轴线跳动的高点, 且轴承内环高点装配时应与此点对齐, 并与轴承外环标志对齐; (4) 安装时, 必须用轴承加热工具加热安装, 加热温度为50℃; (5) 轴承、隔套依次按标记位置安装在主轴上, 并按顺序用安装套轴向平敲轴承和隔套, 确保轴承各结合端面紧密贴合; (6) 安装隔套时, 不仅要保证隔套自身油气孔不堵, 还必须保证在隔套油气润滑孔与套筒位置正确的前提下安装主轴套筒; (7) 安装主轴螺母; (8) 调整主轴组件的回转精度。

图3为主轴回转精度检测图, 由此可见, 应满足如下要求: (1) 主轴锥孔轴线的径向跳动的根部允差为0.002 mm; (2) 距主轴端面300 mm处的差允为0.005 mm; (3) 主轴的轴向窜动允差为0.002 mm; (4) 主轴后轴颈的径向跳动允差为0.02 mm。

3.3 主轴组件动平衡

主轴组件的动平衡结构如图4所示。

在主轴组件动平衡方面, 应注意以下2点: (1) 装配主轴拉刀杆和相关旋转零件, 蝶形弹簧各面涂耐高压含Mo S2油脂, 以提高蝶形弹簧接触面间的耐磨性; (2) 主轴组件动平衡调整:主轴部件以前端支撑套和后端轴承外环为支撑, 皮带传动可对主轴部件进行动平衡调整, 并在电机转子两端平衡盘上配重, 从而保证主轴旋转部件不平衡量为0.5 g。

4 主轴运转试验

主轴运转试验分为以下5步: (1) 在主轴箱试车具上进行油气润滑装置参数的调整, 并检测轴承温度变化后的精度。 (2) 主轴应从最低转速起, 依次进行低、中、高速运转, 在最高速度运转时, 时间不能<20 min, 从而使主轴轴承达到标准温度, 且应在靠近主轴定心轴承处测量温度和温升, 温度不可超过60℃, 温升不能超过30℃。 (3) 主轴运转应平稳, 不应存在尖叫声和冲击声, 主轴噪声不应超过78 d B。 (4) 主轴松拉刀机构试验。松、拉刀力应满足设计要求, 用拉刀测试仪检测主轴拉刀力, 拉刀力满足1 400~1 600 kg的要求, 松拉刀主轴轴向移动量不超过0.15 mm。 (5) 复检主轴精度符合回转精度的要求。

5 结束语

高速精密加工中心电主轴加工技术是一项创新性设计, 每个企业都在不断地实践中根据自有的加工、检测、实验设备和技术手段总结经验。根据上述步骤加工组装的电主轴, 经过性能试验测试和用户反馈, 主轴锥孔对轴径的径向跳动跟部为0.001 6 mm, 距主轴端面300 mm处0.004 mm, 主轴支撑轴径的圆度为0.001 4, 其精度指标达到了高速精密加工中心的要求。

摘要：电主轴是高速精密加工中心的核心部件, 是影响机床可靠性的重要部件。从电主轴的热处理方式、机加工工艺、组装工艺和运转试验方面对电主轴加工技术作了深入研究。

关键词：电主轴,热处理,动平衡,运转试验

参考文献

[1]肖曙红, 张柏霖.高速电主轴关键技术研究[J].组合机床与自动化加工技术, 1999 (12) :5-10.

高速切削加工技术的应用分析 篇2

1 高速切削将成为切削加工的新工艺

以高速切削为代表的硬切削、干切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力,这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此,发展高速切削等新型切削工艺,促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只是切削速度的提高,而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上(包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步),达到切削速度和进给速度的成倍提高,并带动传统切削工艺的变革和创新,使制造业整体切削加工效率有显著的提高。硬切削是高速切削技术的一个应用领域,即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件,它与传统的磨削加工相比,具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点,已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业,用高速切削技术加工20CrMo5淬硬齿轮 (60RHC)内孔,代替磨削,已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用高速切削技术高速精铣淬硬钢模具,采取小的走刀步距,中间不接刀,完成型面的精加工,大大减少了抛光的工作量,显著缩短了模具的开发周期,已成为模具制造业的一项新工艺。在机床行业用CBN旋风铣精加工滚珠丝杠代替螺纹磨削, 用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。

高速切削派生的另一项新工艺是干切削。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害,成为当前治理的重点,但是对切削液所造成危害的治理增加了制造的成本,导致干切削新技术的开发,并出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的切削液去掉,降低切削效率,而是进行传统切削工艺的重大变革,为新世纪提供一种清洁、安全、高效的新工艺,这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面挑战。而节省刀具材料的贵重金属资源消耗,开发刀具重磨、回收等新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。

2 加快关键技术的开发应用

2.1 涂层成为提高刀具性能的关键技术

刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用,自从问世以来发展非常迅速,尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展,提高了涂层表面光洁度,进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。在此期间,物理涂层(PVD)的进展尤为引人注目,在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展,不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层, 如超级TiAlN,及综合性能更好的TiAlCN 通用涂层和DLC、W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构,大幅度提高了涂层硬度和韧性。

PVD涂层技术的新进展,向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势:可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层,以满足加工多样性的需要,是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术,有着十分广阔的应用前景。

2.2 刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇 一律的面貌和单一的功能

随着制造业的高速发展,汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具,突破了传统按需供刀、“闭门造刀”的做法,而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素,发挥新的作用。

为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要,开发了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等刀具。

模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短,成为推动可转位刀具结构创新的强大动力, 如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等等。回顾上世纪90年代以来切削加工的发展,模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。

与此同时,也出现了各种可转位刀片的新结构,如形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等，

2.3 快速发展的配套技术

切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的,是现代切削技术不可缺少的组成部分,并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展,包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理。

双面接触的空心短锥刀柄(HSK)机床-刀具接口,由于可实现法兰端面和锥柄的同时接触,具有连接刚性好、定位精度高、且装卸时间短等优点,随着高速切削技术的推广,得到了越来越广泛的应用。这种刀柄的结构形式现已成为正式的国际标准,并且也已被众多的机床工具厂商所接受,纷纷推出带HSK主轴接口的高速加工中心和带HSK刀柄的工具系统或整体刀具,显示出这种新型刀柄的强大生命力和很好的使用前景。与此同时,一些公司还开发了与HSK类似的刀柄结构,如Sandvik公司的Capto刀柄,Kennametal公司的KM刀柄。近年来,还出现了双面接触甚至三处接触的7:24接口,以适应现有机床用于高速切削加工的需要。

在高速切削时,刀具的转速在10000~0r/min以上甚至更高,此时,刀体、刀片、及刀片的夹紧零件受到很大离心力的作用,当转速达到某一临界值时,足以使刀片甩出,或者夹紧螺钉断裂、甚至整个刀体破裂。一旦出现这些情况会造成设备或人身伤害事故,因此是应用高速切削技术必须加以防范的事情。为此,德国制定了高速旋转刀具的安全规范,对刀具的设计、检测、使用、平衡质量都作了严格的规定,这项规范已先后成为欧洲标准和国际标准。

3 机床技术

3.1 驱动和传动技术

高速切削机床的直线进给有:电机伺服系统和直线电机驱动系统两种。电机伺服直线进给系统通常由变频调速电机、机械传动环节、滚动导轨滑台和位置调节测量装置组成。它的几何定位精度可以达到5―1 0μm,运动的均匀性误差小于1μm,进给速度Vfj≥40―50m/min,(j=x、y、z),加速能力αj≥5―10m/s2,其他性能指标还有动态轨迹精度,机械传动件的动力学特性和热特性。

直线电机驱动的系统由原始级部件、滑台和位置测量装置构成,也是零传动。它的Vfj≥120 m/min,αj≥25m/s2,动态轨迹精度也高得多。

目前,高速切削机床的主轴多以高频变频调速电机直接驱动,即所谓“零传动”,并且朝着高转速、大功率、大扭矩的方向发展。例如:一种高频电主轴的最高转速n=24000r/min,最大功率p=23KW,最大扭矩M≥79nm。其关键零、部件是控制系统和传感器、电机、轴承。需要解决的技术关键问题有转子转速显示,通过监控电机温度和耗用电流来保护主轴、变频器、冷却剂的流动控制和循环冷却、刀具夹紧系统的动作控制、轴承震动的测量与监控、用阀调节润滑剂压力来调节预紧轴承、主轴密封等等。

3.2 控制和数控技术

高速切削机床部件运动速度高,在单位时间内CNC系统需要处理计算的数据大大增加,要求相应提高处理计算的速度和容量。通过采用功能强大的硬件配置, 如:奔腾芯片、64MB内存(或更高)、1―10G硬盘等,并应用数字化驱动调节和数字化总线技术,高速CNC执行程序块的速度以降低到0.5ms。通过配备空间螺旋线、抛物线、和样条插补功能,速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能,加速和制动时的急动速度监控功能,使它的插补计算精度和容量也获得大幅度提高。此外,CNC通常具备刀具补偿、误差补偿、安全性监控等功能,并安装有高效的CNC专用模拟软件。

4 我国高速切削技术的发展现状和采取措施

我国高速切削技术目前处于起步阶段。就多数企业单位而言,由于缺乏全面认识了解和经验,或者因为资金有限,引进的高技术装备不配套,主要是没有适用的高速刀具和设备,其次缺少CAD/CAM软硬件系统。而且由于缺少优化的工艺技术数据作为参考,进口设备多数没有发挥潜力,经济效益不佳。

高速加工技术应用研究 篇3

关键词 高速切削 加工技术关键技术应用研究

前言

近几年来，我国经济发展迅速，各种新科学、新技术、新工艺层出不穷，应用于生产生活的方方面面，极大的促进了我国国民经济的发展以及人民生活水平的提高。数控高速切削加工技术便是其中一种，它是目前状况下能够有效提高加工效率以及加工质量的先进制造技术之一，国内外有诸多的学者着力于这一技术的研究，并取得了不小的突破。而就我国而言，我国是一个制造大国，但我国所接受的产业转移，目前仍然以中后段较多，这对我国制造业的发展起到一定的阻碍作用。因此，我们应该充分结合国情，在世界产业的转移中，要占据主动地位，接受前端产业，掌握有效的、先进的核心技术，只有这样，才能促进我国制造业的可持续发展。而数控高速切削加工技术无疑属于前端产业之一。

一、数控高速切削加工的含义

高速切削理论的最先提出者为德国著名物理学家Carl.J.Salomon，他在做了大量试验的基础之上，最终提出了如下结论：保证切削速度处于正常的范围，如果将切削速度进行一定程度的提高，则切削温度也会随之上升，而在这种情况之下，切削工具更易受到高温而发生磨损；但是，这不是绝对的，如果切削速度逐渐提高，并达到一定的值之后，即使切削速度发生很大幅度的提高，切削温度仍然保持原先的状态甚至会出现一定程度的下降。这一发现的意义是巨大的，只要将切削速度提高到一定的值，不仅减少了切削工具的损耗，而且也能够对加工效益进行有效的提高。随着经济的发展以及制造业的进步，这一理论逐渐被用于加工制造业当中，再经过多年的研究、发展与完善，目前状况下，已经形成了系统化较强、较为成熟的数控高速切削加工技术。对于高速切削技术来说，它具有一定的复杂性，结合了多项工艺与技术，主要有机床结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件和软件技术等。

二、数控高速切削加工的优越性

当切削速度提高到一定程度时，既能减少加工工具的损耗，又能提高加工效率以及加工质量，这是数控高速加工的主要特点与优点。除此之外，较之于常规的切削加工，其优越性还体现在如下几个方面：①数控高速切削加工具有较小的切削力。在高速切削加工之中，通过对小切削量、高切削速度的切削方式进行有效的使用，能够使切削力较之于常规的切削发生一定程度上的降低，大约降低30%以上。这样一来，刀具磨损的减轻减小。同时又可以对加工系统的振动进行有效的控制，加工精度得到明显的提高。②材料的切除率高。在采用高速切削的前提之下，无论是切削速度还是跟进速度都得到了较大程度上的提高，而这样一来，在相同的时间内，材料的切除率也明显提高，进而促进了加工效率的提高。③工件的热变形小。在高速切削时，大部分的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，因此加工表面的受热时间短，不会由于温升导致热变形，有利于提高表面精度，加工表面的物理力学性能也比普通加工方法要好。④数控高速切削加工具有绿色环保性。由于在高速切削的条件之下工件的加工时间得到了一定程度上的缩短，进而促进了能源与设备利用率的提高，减少了污染与消耗。

三、数控高速切削技术的应用领域研究

从上文的论述中，我们已经知道数控高速切削技术较之于常规的切削具有较大的优越性，而正是它剧本的优越性与特点，使得它在加工制造领域有着广泛的应用空间。主要表现在如下几个方面：①一般情况下，如果采用传统的切削方法对薄壁类零件以及细长的工件，采用高速切削，切削力明显降低，热量被切削带走，这样可以很好的弥补采用传统方法时由于切削力和切削热的影响而造成其变形的问题，有效提高了加工质量。②由于切削抗力小，刀具磨损减缓，高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、复合材料、耐磨铸铁等用传统方法难以加工的材料，可以研究采用数控高速切削技术来加工。③在汽车、模具、航天航空等制造领域，　一些整体构件需要比较大的材料切除率。由于数控高速切削的进给速度可随切削速度的提高而相应提高，　使得单位时间内的材料切除率大大提高。

四、实现数控高速切削加工的关键技术研究

①高速切削原理：切削速度处于正常的范围，如果将切削速度进行一定程度的提高，则切削温度也会随之上升，而在这种情况之下，切削工具更易受到高温而发生磨损；但是，这不是绝对的，如果切削速度逐渐提高，并达到一定的值之后，即使切削速度发生很大幅度的提高，切削温度仍然保持原先的状态甚至会出现一定程度的下降。除此之外，还有诸多软件、硬件设备等。

②高速切削刀具技术模块，由机床、刀具和工件组成的高速切削加工工艺系统中，刀具是最活跃的因素，切削刀具是保证高速切削加工顺利进行的最关键技术之一。因此，高速切削加工的刀具系统必须具有良好的几何精度和高的装夹复定位精度，装夹钢度。高速运转时保持良好的平衡状态，尽可能减轻刀体质量，以减轻高速旋转时所受到的离心力，满足高速切削的安全性要求，改进刀具的夹紧方式。

五、高速切削技术应用方面研究状况和发展趋势

在国外，如今，欧美等发达国家生产的不同规格的各种超高速机床已经商业化生产并进入市场，在飞机、汽车及模具制造行业实际应用。而在国内，对其的研究逐渐深入，包括切削机理、刀具材料、主轴轴承、等方面，也取得了相当大的成就。然而，与国外工业发达国家相比，仍存在着较大的差距，基本上还处在实验室的研究阶段。为适应社会经济发展需要满足航空航天、汽车、模具等各行业的制造需求，数控高速切削技术应用研究任重道远。

六、结束语

随着经济的发展以及科学技术水平的进步，高速切削技术必然取得更深层次的进步以及更为广泛的应用，国内要加快研究，追上发达国家，促进我国加工制造业的繁荣。

参考文献：

[1]H　.舒尔茨着，高速加工发展概况.王志刚译，机械制造与自动化[J].2002（1）

高速切削加工模具的关键技术研究 篇4

1 基于高速加工技术的现代模具制造系统

传统的模具制造技术主要是根据设计图样,采用普通数控铣削、仿形加工、成形磨削、电火花加工以及钳工抛光、修配等方法来制造模具。

现代模具制造能够利用CAD/CAE/CAPP/CAM技术对整个设计制造过程进行有效预测和评估,迅速获得样品,同时节省大量的模具试制材料费用,减少模具返修率,缩短生产周期,大大降低了模具制造成本[1]。高速切削技术因其具有高效率、高精度和良好的经济效益的特点在现代模具制造系统中占有极其重要的地位。在这样的背景下,基于高速切削的模具制造系统应运而生(图1)。

2 高速切削加工模具的机床选择

a) 高速加工模具对机床的要求:模具加工机床在高速切削中占据着最重要的地位。相比于普通切削,高速切削对于使用的机床要求机床主轴转速高、功率大;机床刚度好;极高的主轴转动和工作台运动加速度;较好的高速控制系统。

b) 高速切削机床选用的一般原则:模具制造企业选购高速切削机床应根据加工对象的工艺要求、企业的经济环境和设备的使用环境等诸因素来进行具体的分析,从工艺的适应性、性能价格比、规避风险性等几方面来考虑[2]。

1) 工艺适应性原则:主要是指所选购的机床功能应能适用被加工零件的形状尺寸、尺寸精度和生产节拍等要求;

2) 性能价格比原则:模具加工主要是以单件小批量生产为特征,其加工特点不是以追求高移动速度为主要目的,所以模具制造业通常选择HSM型高速加工中心,因为它比加工能力相当的HVM型高速加工中心价格便宜了许多,但机床并不是越便宜越好,还要注意性能价格比;

3) 风险规避原则:购买机床前要做好市场调研工作,综合考虑,将风险降到最小,使物有所值,调研方法除传统的用户调研、厂家交流和考察外,特别要留意在我国举办的权威性国际机床展览会——CIMT的相关信息。

3 模具高速加工数控编程及策略

a) 高速切削对CAD/CAM系统的要求:为了保证高速加工编程的效率,CAD/CAM系统须满足以下条件[3]:

1) 高效的电脑配置:CAM处理程序计算量非常大,需要足够容量和强劲功能的计算机硬件来支持,要求硬件具有以下特性:处理器速度足够快;足够的内存;具有足够显存和支持Open-GL功能的3D视频显示卡。

2) 合适的CAM编程系统:现有的高速切削数控编程CAM软件,如PowerMILL,MasterCAM,UnigraphicsNX,CATIA,Cimatron E等,都提供了相关功能的高速数控铣削刀具轨迹策略。高速数控加工工艺要求严格,过切保护更加重要,一般需对编程指令进行仿真检验,高速加工编程时间比一般加工编程时间要长得多。

3) 具有输入各种不同格式档案文件的能力:某些加工车间可能面对各种不同的客户,而它们所使用的CAD系统也各不相同。在这种情况下,就需要定义一种文件转换格式,从而将几何数据从客户的CAD系统转入CAM系统。为避免耗时的曲面修复工作,如修复曲面错位、重叠、或几何数据的丢失等,选择合适的档案格式来进行数据转换是至关重要的。

4) 具有丰富的仿真模拟能力:为验证所产生的刀具路径的正确性,需要有不同的仿真模拟模式供用户选择,通常有3种模拟模式,即线架构模式、实体模式和在实体模型上模拟材料的去除过程。

b) 高速切削数控编程策略:高速切削数控编程首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次,要尽一切可能保证刀具轨迹的光滑平稳,这会直接影响加工品质和机床主轴等零件的寿命;最后,要尽量使刀具载荷均匀,这会直接影响刀具的寿命。应用高速切削数控编程CAM软件生成刀具轨迹时,要注意以下几个问题:

1) 避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化,以免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。

2) 下刀或行间过渡部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀,避免垂直下刀直接接近工件材料,行切端点采用圆弧连接,避免直线连接。

3) 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,直至达到模具所需的尺寸,不应用小刀一次加工完成,同时应避免全刀宽切削。

4) 尽可能地保持稳定的切削参数,包括保持切削厚度、进给量和切削线速度的一致性。此外,当遇到某处切削深度有可能增加时,应降低进给速度。

5) 采用优秀的可视化仿真加工模拟与过切检查软件,可以很好地检测干涉,保证刀具有正确的轨迹路径。

4 模具高速切削制造工艺技术

模具高速切削制造工艺技术主要包括切削方式、走刀、加工阶段、切削参数选择等。

a) 切削方式的选择:在模具高速数控铣削加工中,应尽量选用顺铣加工,因为在顺铣时,刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最大,随后逐渐减小。在逆铣时,刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最小,随后逐渐增厚,这样增加了刀具与工件的摩擦,在刀刃上产生大量热量,所以在逆铣中产生的热量比在顺铣时多很多,径向力也大大增加[4,5]。同时在顺铣中,刀刃主要受压应力,而在逆铣中刀刃受拉应力,受力状态较恶劣,降低了刀具的使用寿命,顺铣和逆铣时刀具切入工件的过程如图2所示。

高速切削加工适于浅切深,切削深度不应超过0.2mm,这是为避免刀具的位置偏差,确保加工模具的几何精度,保持恒定的金属去除率,保证加在工件上的切削载荷是恒定的,以获得较好的加工效果。

b) 走刀方式的选择:对于带有敞口模具型腔的区域,尽量从材料的外走刀,以实时分析材料的切削状况。而对于没有型腔的封闭区域,采用螺旋进刀方式,在局部区域切入。

高速切削加工中,由于机床加速的局限性,容易造成时间的浪费,急停或急动则会破坏模具表面精度,且有可能因为过切而产生拉刀或在外拐角处咬边。故应尽量减少刀具的急速换向,选择单一路径切削模式进行顺铣,不中断切削过程和刀具路径,尽量减少刀具的切入切出次数,以获得相对稳定的切削过程。

c) 加工阶段及策略:高速切削加工阶段包括以去除余量为目的的粗加工、残留粗加工,以及以获取高品质的加工表面及细微结构为目的的半精加工、精加工和镜面加工阶段等。

1) 粗加工阶段:粗加工阶段所应采取的工艺策略是高切削速度、高进给率和小切削量的组合。等高加工方式是众多CAM软件普遍采用的一种加工方式。应用较多的是螺旋等高和Z轴等高两种方式[5]。对陡峭和平坦区域分别处理,计算适合等高及适合使用类似3D偏置的区域,并且同时可以使用螺旋方式,在很少抬刀情况下生成优化的刀具路径,获得更好的表面品质。在高速加工中一定要采取圆弧切入、切出连接方式,以及拐角处圆弧过渡。禁止使用直接下刀的连接方式来生成高速数控加工的程序。

2) 半精加工阶段:半精加工阶段的策略是进行优化以保证半精加工后工件表面具有均匀的剩余加工余量。优化过程包括:粗加工阶段轮廓的计算、最大剩余加工余量的计算、最大允许加工余量的确定、对剩余加工余量大于最大允许加工余量的型面分区(如凹槽、拐角等过渡半径小于粗加工刀具半径的区域)以及半精加工时刀心轨迹的计算等。模具高速加工CAM软件大都具备剩余加工余量分析功能,并能根据剩余加工余量的大小及分布情况采用合理的半精加工策略。

3) 精加工阶段:高速切削精加工阶段的策略包括三维偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。对许多形状来说,精加工阶段最有效的策略是使用三维螺旋策略,使用这种策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中会出现的频繁的方向改变,从而提高加工速度,减少刀具磨损。在许多场合需要将陡峭区域的等高精加工和平坦区域三维等距精加工方法结合起来使用。

d) 切削参数的选择:

1) 刀柄和刀具:不同加工阶段对刀杆的要求有侧重。粗加工阶段:可能产生明显的机械压力;刀头要求减弱摆动和震动。半精加工阶段:在所有加工表面上产生均衡的预留量;可能需要纤细的刀头来加工深部及细小部份。精加工阶段:此工序目的在于精度及平面光亮度;要求最小的圆跳动、高精度和高强度;可能会要求纤细刀杆和直径小的刀具来加工深部或细小部分。

刀具在高速加工中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷,不同材料的工件高速切削时,刀具的选用要注意其与工件材料相匹配。高速切削加工的刀具材料有金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂层硬质合金、(碳)氮化钛硬质合金TiC(N)等。其中涂层硬质合金在高速加工中应用最为广泛,可用于耐热合金、钛合金、高温合金、铸铁、纯钢、铝合金及复合材料的高速切削。

2) 刀具的选择:刀具选择的原则是:安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下,尽量选择较短的刀柄,以提高刀具加工的刚性。选取刀具时,要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。

生产中,模具零件周边轮廓的平面加工,常采用立铣刀;铣削平面时,应选硬质合金刀片铣刀;加工凸台、凹槽时,选高速钢立铣刀;加工毛坯表面或粗加工孔时,可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀;对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工,常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。在进行模具自由曲面加工时,由于球头刀具的端部切削速度为零,为保证加工精度,切削行距一般采用顶端密距,球头刀具常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工品质和切削效率方面都优于球头刀,只要在保证不过切的前提下,无论是曲面的粗加工还是精加工,都应优先选择平头刀。

3) 切削用量的确定:选择切削用量的原则是:粗加工时,一般以提高生产率为主,但也应考虑经济性和加工成本;半精加工和精加工时,应在保证加工品质的前提下,兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册,并结合经验而定。考虑以下几个因素:

切削深度t(轴向进给量):在机床、工件和刀具刚度允许的情况下,t就等于加工余量,这是提高生产率的一个有效措施,为保证模具零件的加工精度和表面品质,一般应留一定的余量进行精加工;

切削宽度L:一般L与刀具直径d成正比,与切削深度成反比;

切削速度υc:提高υc也是提高生产率的一个措施,但υc与刀具耐用度的关系比较密切,随着υc的增大,刀具耐用度急剧下降,故υc的选择主要取决于刀具耐用度,切削速度与加工材料也有很大关系,具体的确定方法通常采用下列3种方法:由刀具供应商提供;参考已有的实验数据;通过大量切削实验建立自己的数据库。

4) 主轴转速n(r/min):主轴转速一般根据切削速度来选定。计算公式为:υc=πdn/1000。数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调(倍率)开关,可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。

5) 进给速度υf(每齿进给量fz):υf应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。υf的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时,υf可选择得大些。在加工过程中,υf也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整,但最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。

由于每齿进给量fz的设定正确与否,对刀具所受切削载荷的合理分布有着极其重要的影响,所以实际生产中的每齿进给量的确定可用类似于确定切削速度的方法来确定:由切削刀具供应商提供;参考别人研究所得的实验数据;通过大量切削实验获得。

5 结语

为保证高速加工在模具制造中的顺利实施,首先要注意高速机床的正确选择和安全使用;其次是要清楚高速加工对编程人员的要求与编程方式发生了改变,高速加工对CAD/CAM系统的要求以及高速加工模具的常用编程策略;重点讨论了高速加工模具的工艺技术如切削方式的选择、走刀方式的选择、各加工阶段的不同任务及相应的加工策略、刀头系统和刀具的正确选用、切削用量的选择等,并阐述了高速加工模具工艺制订的内容和一般步骤。

参考文献

[1]郭新贵,汪德才,等.高速切削技术及其在模具工业中的应用[J].现代制造工程,2001(9):31-33.

[2]H.舒尔茨.高速加工发展概况[J].王志刚,译.机械制造与自动化,2002(1):4-8.

[3]王西彬,解丽静.超高速切削技术及其新进展[J].中国机械工程,2000,11(2):190-194.

[4]艾兴,刘战强,等.高速切削综合技术[J].航空制造技,2002(3):20-23.

[5]张伯霖,杨庆东,陈长年.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2002.

面向高速切削加工的数控编程技术 篇5

面向高速切削加工的数控编程技术

分析高速切削加工所具有的特殊性及优点,并说明高速切削对数控编程方法的`限制.针对传统编程方法,提出了满足高速切削加工的刀位轨迹特殊处理关键技术,并对其实现方法进行了较详尽的论述.同时,对高速切削数控编程中刀具载荷分析与速率优化、毛坯残留量自动分析等新技术的实现方法也进行了探讨.

作 者：孟月梅 Meng Yuemei 作者单位：北京航空制造工程研究所刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：2007“”(z1)分类号：V2关键词：高速切削 数控编程 刀位轨迹 载荷分析

高速加工路径的空间曲线插补研究 篇6

当今自由曲面在高速加工中，尤其是在高速加工的精加工中，经常使用到空间曲线插补方法。空间曲线的插补方法有很多，如直线插补、参数样条插补、NURBS插补等，涉及到很多相关的算法。其中，三次参数样条和NURBS曲线是广泛应用的插补曲线。这篇论文对空间曲线插补的几种方法进行了简单介绍，分析了它们的应用特点。特别针对NURBS插补的应用特点进行研究，NURBS插补不仅保证空间自由曲线在高速加工中精度的要求，而且还缩短了插补计算的时间。

【关键词】高速加工 三次参数样条 NURBS曲线 插补

引言

高速加工是当今数控技术中崛起的一种新方法。高速加工带来的高效率、高精度以及对硬质材料能满足当前汽车工业、模具行业以及制造业发展的迫切需求， 在现代工业发达国家，高速切削已被作为一种新的加工技术越来越广泛地得到应用。高速加工的特点是具有极高的切削速度、极快的进给速度、很少的切削用量，可获得极高的精度和光洁度，也能得到很高的切削效率。要使高速加工达到预期目的，其刀具路径、切削参数和加工方法是关键因素。因此，这篇论文针对高速加工的插补技术进行研究。

1.插补技术的应用

1.1直线插补

数控系统一般都具有直线和圆弧插补功能。数控直线插补的任务就是根据进给速度的要求，在直线起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。由于每个中间点的计算时间直接影响数控系统的控制速度，而插补中间点的位置精度又影响到整个系统的控制精度，所以插补算法对整个数控系统的性能指标至关重要。目前直线插补中常用的方法有：逐点比较法、数字积分法等。逐点比较法是用于实际轮廓是直线的插补方式，如果不是直线，也可以用逼近的方式把曲线用一段段线段去逼近，从而每一段线段就完成了直线插补。数字积分法是脉冲增量插补的一种，它是用数字积分的方法计算刀具沿各坐标轴的移动量，从而使刀具沿着设定的曲线运动。

1.2样条插补

在汽车、航空航天制造以及工模具制造等领域，存在着大量的具有自由曲面的零件。实际生产中，自由曲面零件的数控加工一般都采用CAM 软件进行NC编程。 由于受CNC系统插补（直线、圆弧插补，在三坐标以上加工时仅采用空间直线插补）能力的限制，CAM 软件的工作过程是首先对自由曲面进行刀具路径规划，然后通过大量的微小直线段逼近刀具轨迹曲线，生成刀位数据和NC程序。显然，在自由曲面加工，尤其在高速加工时，传统的直线插补方法已成为提高加工速度和加工质量的瓶颈。解决这一问题的根本途径就是研究开发基于样条的光滑的NC指令生成与处理技术以及基于样条的新型曲线实时插补技术，以适应高速加工的需求，这也是CNC系统的主要发展趋势之一。与传统的直线插补逼近方法相比，样条处理方法具有以下主要优点：由于样条曲线可达到 连续光滑，能够避免刀具运动方向的突然变化，并能改善刀具的受力情况，使得刀具可以光滑地、“柔顺地”从一点移到另一点，不会出现任何突然性运动（蠕动），从而可以提高加工表面质量和降低刀具磨损速度；在整个NC过程链中可使用统一的样条函数进行各种处理，使精度损失达到最小；可避免传送庞大的数据文件（刀位数据和NC程序），数据量约是传统方法的1/10。

1.3NURBS插补

随着数控高速切削技术的日益发展，当进行高精度的曲线加工时，由微段直线或圆弧构成的零件程序非常庞大，从而造成加工信息量大增，另外直线或圆弧也不能真实、完整地反映CAD/CAM系统所产生的复杂曲线模型，从而造成制造精度偏离设计要求，影响零件的加工精度、表面光滑性和生产效率。为了能够更好地解决高速切削的工艺问题，有关NURBS插补技术也成为研究热点之一。由于NURBS插补使近几年才发展起来的， 目前只有FANUC、Siemens、三菱等的部分数控系统支持NURBS插补，而绝大多数数控系统只支持直线、圆弧或抛物线插补。所以研究NURBS曲线插补方法是当前十分重要的一个问题。

NURBS曲线插补应用特点：

1.3.1减少程序指令条

NURBS插补以GO6.2表示插补开始，其中GO6.2表示NURBS插补；P表示NURBS次数；K为节点；x，y，z表示控制点的坐标；R表示权因子；F表示进给率。CNC读入GO6.2后面的3种参数值，然后进行插补计算。这样，只需给出定义NURBS曲线的3种参数值就能实现NURBS插补。和直线插补相比，NURBS插补的程序量要小1/2～1/3的程度。

1.3.2加工精度高

NURBS插补避免了以直代曲，因而提高了工件加工精度，改善了表面质量。由NURBS的定义式可知：NURBS插补时要进行多项式计算，计算过程比普通插补复杂。要使插补过程能够高速进行，必须采用高性能的CPU，以实现1次/ms的高速插补。NURBS插补时，CNC自己计算生成NURBS曲线，插补点计算时间非常短，被插补的各点之间间隔也相应变短，这样就提高了加工精度。NURBS曲线插补控制可以方便地满足曲线高速高精度加工的各项要求，这是传统的离线编程加工方法所无法比拟的。

1.3.3缩短加工时间

NURBS插补能在机械允许的速度矢量方向变化的加速度范围内，以最高速度加工，在曲率一定时，NURBS插补不需减速，当然加工时间自然就缩短了。另外，由于在高速加工时，一般的CNC系统的NC代码块处理能力往往跟不上代码段高速加工速度，而一段NURBS插补刀轨位移往往包含10～100段线性刀轨的位移，降低了对CNC的NC代码块处理能力的要求，因而往往能满足高速加工的要求。一般NURBS插补比线性插补加工时间减少30%以上。

本文介绍了直线插补、参数样条插补、NURBS插补的应用特点。其中NURBS插补能提供平滑稳定的高速、高精度的加工，是未来高速加工计算的发展趋势，同 时也需要机床各部件性能的提高，高速的主轴系统、快速的进给系统、高性能CNC控制系统等是实现NURBS插补高速加工的必要条件。

参考文献：

[1] 方沂.数控编程机床与操作.北京：国防工业出版社.1999.

[2] 王雅，叶友东.高速加工NURBS曲线插补技术分析与应用.安徽理工大学学报.2004，9：74—76.

[3] Dr.-Ing.H.高速加工发展概况[J].机械制造与自动化.2002，1.

钛合金的超高速切削加工技术研究 篇7

钛合金化学亲和力大，导热性差且强度高，使切削温度大幅提高、刀具磨损加剧，用传统的加工方法难以加工。长期以来，改善钛合金切削加工性的途径一直在探索中，合理选择刀具材料及刀具几何参数、合理制定切削用量、采用适当的切削液等均可在不同程度上提高难加工材料的切削加工性。迄今已经有了一些方法，常用的有专门热处理、加热切削、向切削区引入超声波及振动等。但这些方法普遍存在着效率低、成本高且加工质量难保证等弊端。而超高速切削加工可大幅提高钛合金加工的生产效率及加工质量。

1. 超速切削的特点及刀具材料

（1）高速切削技术

高速切削是一个相对概念，如何定义，目前尚无共识。通常把切削速度比常规高出5—10倍的切削加工叫做高速切削或超高速切削。按不同加工工艺规定的高速切削范围，车削700—7000m/min，铣削300—6000m/min，钻削200—1100m min，磨削150—360m/s，这种划分比常规切速几乎提高了一个数量级，而且有继续提高的趋势。

高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件与软件技术均得到充分发展的基础之上综合而成的。因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，涉及机床、刀具、工件、加工工艺过程参数及切削机理等诸多方面。

该技术为“轻切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap与ae很小。其有以下几个优点。

加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的3—5倍。

刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数ξ减小，切削力降低30%—90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。

刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。

材料切除率高，工件表面质量好。首先，ap与ae小，工件粗糙度好。其次，切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得好的表面质量，工件表面鳞刺的高度会显著降低，甚至完全消失。超高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高5—10倍。这样，单位时间内材料的切除率可提高3—5倍。

高速切削刀具热硬性好，且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不用冷却液，减少了对环境的污染，能实现绿色加工。

可完成高硬度材料和硬度高达HRC40—62淬硬钢的加工。如采用带有特殊涂层(TiAlN)的硬质合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工(EDM)的3—6倍，而且表面质量很高(Ra0.4)，基本上不用钳工抛光。

(2）超高速切削的刀具材料

由于超高速切削的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍，切削温度很高，因此超高速切削对刀具材料提出了更高的要求。刀具材料应具备高的耐热性、抗热冲击性，良好的高温力学性能，以及较高的可靠性。目前国内外用于超高速切削的刀具材料主要有涂层硬质合金、TiC (N)基硬质合金、陶瓷刀具、聚晶金刚石PCD和立方氮化硼等。

2. 超高速切削钛合金

超高速切削钛合金是在高应变率响应的作用下，改善其加工性能，从而得到高的加工质量。超高速切削钛合金的速度一般控制在150—1000m/min范围。

超高速切削钛合金的关键技术除了切削速度外，还有刀具主轴单元及进给单元制造技术、机床支承及辅助单元制造技术、加工测试技术等诸多因素。

根据钛合金自身对刀具材料的要求，以及超高速切削对刀具材料提出的特殊要求，研究发现适宜于超高速切削的几种常用的刀具材料与钛合金的匹配性存在很大差异。

PCD刀具的性能很适宜于加工钛合金，原因有： (1) 很好的导热性。由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故切削温度低。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5—9倍。 (2) 较低的热膨胀系数。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小得多，约为高速钢的1/10。 (3) 极高的硬度和耐磨性，金刚石刀具在加工高硬度材料时，耐用度为硬质合金刀具的10—100倍，甚至高达几百倍。

3. 结语

采用超高速切削难钛合金这一加工材料，解决了常规切削钛合金的难题，既保证了加工质量，又大幅度提高了生产率，具有良好的发展前景。超高速切削技术用于难加工材料的加工正在逐渐成熟，如何进一步完善超高速切削钛合金的加工技术，是有待进一步研究的课题。

参考文献

[1]左敦稳, 黎向锋, 赵剑峰.现代加工技术.北京:北京航空航天大学出版社, 2005.3.

[2]荣烈润.高速切削技术的发展现状.机电一体化, 2002.8, (1) :6-9.

高速加工技术应用研究 篇8

1 国内外发展现状及趋势

1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙发表著名的超高速切削理论, 他指出:在常规的切削速度范围内 (图1A区) , 切削温度随切削速度的增大而提高, 但是, 当切削速度增大到某一数值vε之后, 切削速度再增加, 切削温度反而降低, 如图1所示。vε之值与工件材料的种类有关, 对每种工件材料, 存在一个速度范围 (图1B区) , 在这个速度范围内由于切削温度太高, 任何刀具都无法承受, 切削加工不可能进行, 这个范围被称之为“死谷”。如能越过这个“死谷”而在超高速区 (图1C区) 进行工作, 则有可能用现有刀具进行超高速切削, 从而大幅度地减少切削工时, 成功地提高机床的生产率。

一些工业发达国家如德国、日本、美国、意大利等, 对超高速加工技术的研究起步早、水平高、应用广, 处于世界领先地位。

在超高速加工技术中, 超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件, 超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法, 而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。目前, 刀具材料已从碳素钢和合金工具钢, 经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料, 发展到人造金刚石及聚晶金刚石 (PCD) 、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼 (CBN) 。切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12 m/min提高到1 200 m/min以上。砂轮材料过去主要是采用刚玉系、碳化硅系等, 美国G.E公司20世纪50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功, 60年代又首先研制成功CBN。90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速度可达125 m/s, 有的可达150 m/s, 而单层电镀CBN砂轮可达250 m/s。因此有人认为, 随着新刀具 (磨具) 材料的不断发展, 每隔10年切削速度要提高一倍, 亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。

1976年美国的Vought公司研制了一台超高速铣床, 最高转速达到了20 000 rpm。特别引人注目的是, 联邦德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所 (PTW) 从1978年开始系统地进行超高速切削机理研究, 对各种金属和非金属材料进行高速切削试验, 联邦德国组织了几十家企业并提供了2 000多万马克支持该项研究工作, 自20世纪80年代中后期以来, 商品化的超高速切削机床不断出现, 超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。瑞士、英国、日本也相继推出自己的超高速机床。日本日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速达36 000～40 000 r/min, 工作台快速移动速度为36～40 m/min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心进给移动速度为60 m/min。

2 超高速切削加工

超高速切削技术, 是以比常规高10倍左右对零件进行切削加工的一项先进制造技术。实践证明, 当切削速度提高10倍, 进给速度提高20倍, 远远超越传统的切削“禁区”后, 切削机理发生了根本的变化。其特点为:

(1) 随着切削速度提高, 单位时间内材料切除率MMR, 即切削速度、进给速度和背吃刀量的乘积vs×vf×ap提高了30%～40%, 切削加工时间减少, 大幅度提高加工效率, 降低加工成本。

(2) 在超高速切削加工范围内, 随着切削速度提高, 切削力随之减少, 根据切削速度提高的幅度, 切削力平均可减少30%以上, 刀具的切削寿命提高了70%, 有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工。

(3) 超高速切削加工时, 切屑以很高的速度排出, 带走大量的切削热, 切削速度提高愈大, 带走的热量愈多, 大致在90%以上, 留于工件的切削热大幅度降低, 有利于减少加工零件的内应力和热变形, 提高加工精度。

(4) 超高速切削加工时, 切削振动几乎消失, 可大大降低加工表面粗糙度。

因此, 在超高速状态, 切削加工发生了本质性的飞跃, 常规切削加工中备受困惑的一系列问题亦得到了解决, 真可谓是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术, 是切削加工新的里程碑。

3 超高速磨削加工

超高速磨削虽未规定严格界限, 但通常把砂轮线速度大于150 m/s的磨削称为超高速磨削。一般说来, 超高速磨削具有如下优势:

(1) 磨削效率高, 砂轮损耗小。

磨削速度愈高, 单位时间内予切削的磨粒数愈多, 磨除的磨屑增多, 且工件进给速度应与砂轮线速度的1.13次方成比例, 故超高速磨削会使磨削效率大幅提高。与此相应, 超高速磨削时单个磨粒上所承受的磨削力大为减少, 从而降低了砂轮的磨损。许多实验表明, 当磨削力不变时, 砂轮线速度vs从80 m/s提高至200 m/s, 磨削效率提高2.5倍, CBN砂轮的寿命也延长了1倍。

(2) 磨削力小, 加工精度高。

由于超高速磨削时磨屑厚度变薄, 在磨削效率不变的条件下, 法向磨削力会随vs的增高而显着减少 (vs为200 m/s时的法向磨削力仅为80 m/s时的46%) , 从而使工艺系统的变形减少。加之超高速磨削的激振频率远高于工艺系统的固有频率, 不会引起共振。其共同结果是促使磨削精度提高。

(3) 工件表面质量好。

实验表明, 在其他条件一定时, 当砂轮线速度从33 m/s升至200 m/s, 磨削表面粗糙度则由Ra2.0降至Ra1.1。由于超高速磨削过程中大量磨削热将被磨屑带走, 传入工件的比例很小, 不仅不易发生表面烧伤, 而且表面残余应力层的深度也随之变小。

此外, 超高速磨削还可实现对硬脆材料的延性域磨削, 对高塑性等难磨材料也有良好的磨削效果, 因此工业发达国家都在竞相发展, 其中尤以德、日、美发展较快。据报道, 德国Aachen工业大学已完成砂轮线速度400 m/s的实验, 现正进行目标为500 m/s的实验, 德国Gruhring Automation、Schandt、Kapp等公司都相继推出了超高速磨床。日本在实用磨削方面富有成效, 丰田工机等公司生产的vs=200m/s的超高速磨床已付诸工业实际应用。美国Edgetek Machine公司生产的使用单层CBN砂轮的超高速磨床也较有名。在CIMT2001上, 中国湖南大学展出了数控高速凸轮磨床CNC8312, 其CBN砂轮线速度可达120 m/s。

4 超高速加工的装备体系

超高速加工的装备体系有很多因素, 但主要包括机床和刀具2个方面。

4.1 超高速加工机床

(1) 主轴转速高, 功率大, 主轴运动要有极高的加速度。

超高速加工技术的一个最根本最核心的特点和技术就是实现超高速的切削速度, 因此, 超高速主轴单元是超高速加工机床最关键部件。超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分, 这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统。其性能决定了超高速加工的超高速化、高精度、应用范围广等特点。

超高速主轴单元制造技术所涉及关键技术有:超高速主轴材料、结构、轴承的研究与开发, 超高速主轴系统动态特性及热态特性研究, 柔性主轴及其轴承的弹性支承技术的研究, 超高速主轴系统的润滑与冷却技术研究, 以及超高速主轴系统的多目标优化设计、虚拟设计技术研究等。

超高速主轴单元制造技术的发展前沿主要涉及以下几个方面:柔性主轴的设计技术, 使得主轴可在系统的二阶或三阶固有频率以上稳定地工作;柔性主轴支撑技术, 减小主轴系统向机架传递的动载荷和控制主轴系统的稳定性;主轴轴承的开发研究;主轴系统动态优化设计和计算机虚拟设计技术;新的主轴系统润滑与冷却技术的研究。

(2) 进给量和快速行程速度高, 工作台运动要有极高的加速度。

超高速加工进给单元是超高速加工机床的重要组成部分, 是评价超高速机床性能的重要指标之一, 不仅对提高生产率有重要意义, 而且也是维持超高速加工中刀具磨具正常工作的必要条件。这要求进给系统能达到很高的速度, 而且由于要求在瞬时达到高速、瞬时准停等, 所以还要求具有大的加减速度以及高的定位精度。超高速进给单元技术范围包括进给伺服驱动技术、滚动元件技术、监测单元技术和其他周边技术如防尘、防屑、降噪声、冷却润滑及安全技术。具体所涉及的关键技术有:高速位置环芯片的研制, 高速精密交流伺服系统及电机的研究, 直线伺服电机的设计与应用的研究, 加减速控制技术的研究, 超高速进给系统的优化设计技术、虚拟设计技术, 高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研制, 高精度导轨、新型导轨摩擦副的研究, 以及新型导轨防护罩的结构与加工工艺研究等。

(3) 机床要有优良的静、动态特性和热态特性。

超高速加工机床要有一个“三刚”, 即静刚度、动刚度、热刚度特性都极好的机床支承构件。超高速加工机床的支承及辅助单元制造技术是指超高速加工机床的支承构件如床身、立柱、箱体、工作台、底座、拖板、刀架等制造技术以及有关超高速加工的辅助单元制造技术, 其涉及的关键技术主要有:新型材料及结构的支承构件设计制造技术, 快速刀具磨具自动交换和快速工件装夹、自动交换技术, 切削磨削液及其供液过滤系统的研究, 超高速主轴和刀具磨具总成后的动平衡技术, 安全防护装置设计制造技术以及超高速加工中干切削干磨削加工技术的研究等。这些技术对评定超高速加工技术的高速、高效、高精度、高自动化、高安全性等特点具有重大的影响和作用。

4.2 超高速加工刀具磨具

超高速加工用刀具、磨具主要指超高速铣削用刀具和超高速磨削用砂轮。超高速加工用刀具磨具单元技术所涉及的关键技术主要有:超高速加工用刀具材料及制备技术, 超高速加工用刀具结构及刀具几何参数的研究, 超高速磨削砂轮的超硬磨料、结合剂、基体的开发研究, 超高速磨削用超硬磨具制备技术, 超硬磨料超高速砂轮应用技术, 以及硬脆材料及难加工材料的超硬磨料磨具的超高速磨削实用化技术等。

在影响金属切削发展的诸因素中, 刀具材料及刀具 (磨具) 制造技术起着决定的作用, 并推动超高速加工实用化。超硬刀具和磨具是超高速加工技术最主要的刀具材料, 主要有聚晶金刚石 (PCD) 和聚晶立方氮化硼 (PCBN) 。目前, 超高速加工用刀具切削刃一般选用以下刀具材料:超细晶粒硬质合金、聚晶金刚石 (PCD) 、立方氮化硼 (CBN) 、氮化硅 (Si3N4) 陶瓷材料、混合陶瓷和碳 (氮) 化钛基硬质合金以及采用气相沉淀法的超硬材料涂层刀具等。

对于超高速切削用刀具, 其几何结构设计和刀具的装夹结构是非常重要的。为了使刀具具有足够的使用寿命和低的切削力, 刀具的几何角度必须选择最佳数值, 如超高速切削铝合金时, 刀具最佳前角数值为12°～15°, 后角数值13°～15°;超高速切削钢材时, 对应的是0°～5°、12°～16°;铸铁对应的是0°、12°;铜合金是8°、16°;超高速切削纤维强化复合材料时, 最佳前角数值为20°, 后角为15°～20°。超高速切削刀具的切削部分应短一些, 以提高刀具的刚性和减小刀刃破损的概率。超高速切削条件下刀具与机床的联接界面结构装夹要牢靠、工具系统应有足够整体刚性, 同时, 装夹结构设计必须有利于迅速换刀并有最广泛的互换性和较高的重复精度。

5 结语

超高速加工技术对于机械制造业来说是一场深刻的技术革命, 必将对机械制造业产生重要而深远的影响。超高速加工技术是正在发展之中的先进实用技术, 在工业发达国家已得到广泛的应用, 取得巨大的经济和社会效益。在我国超高速加工技术的开发和应用还处于初步阶段, 还有大量研究、开发工作需要进行。但国内已进口了大批高速、超高速加工设备, 也开发了多种高速、超高速机床和加工中心, 还有许多可供应高速、超高速刀具系统的工具企业, 只要充分认识超高速加工技术的优越性和诱人的巨大经济效益的潜力, 完全有可能迅速把我国超高速加工技术的应用推进到一个新水平。

摘要：在机械加工领域, 切削、磨削加工是最主要的加工方法, 其发展方向就是超高速加工。介绍了超高速切削和超高速磨削技术的现状、特点及发展趋势。还阐述了超高速加工技术对机床各方面性能及刀具材料、几何形状的特殊要求。

关键词：超高速切削,超高速磨削,机床,刀具

参考文献

[1]盛晓敏, 邓朝晖.先进制造技术.北京:机械工业出版社, 2000

高速加工技术应用研究 篇9

21世纪是一个充满了环保和绿色工程的新世纪,在技术发展的新浪潮里,“绿色制造”是一朵崭新的奇葩。因为环保的需要,切削领域所有的技术人员都意识到了加工过程中产生的切削液不仅对环境造成污染,而且对操作者的健康也已经造成了伤害,切削液的治理工作的开展迫在眉睫。由于高速加工技术越来越多的应用,切削液的使用量也越来越多,这种情况造成了以下三种弊端:

1)浪费了巨大的资源和能源(据统计资料显示,切削液使用费用占总制造成本的16%,而切削刀具费用仅占总制造成本的3%~4%[1]);

2)切削液会严重污染环境;

3)切削液会直接或者间接对操作者健康产生巨大影响。

因此高速干式切削横空出世,它为我们带来的清洁又高效、安全无污染的全新切削方法,是对切削技术的全面更新。与传统湿式加工方式比较,高速干式切削加工技术具备以下四个优点:

1)它是切削加工的新工艺;

2)它可以加工难加工材料;

3)它可以满足制新需求;

4)它对环保有利。

基于以上四点,取消或减少切削液和润滑剂的使用已成为切削加工技术的必然趋势,于是高速干式切削工艺的概念慢慢形成。

1 高速干式切削及粉尘自动吸附技术

1.1 高速干式切削技术

1.1.1 技术的提出与发展

在上世纪1995年,干式切削的科学意义被正式确立,在1997年的国际生产工程研究会(CIRP)年会上,德国Aachen工业大学的F.Klocke教授作了“干切削”的相关主题报告;1999年1月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上,国际著名的刀具制造厂MAPAL公司的总裁B.P.Erdel博士也作了有关美国干切削发展的主题报告[2]。

从提出概念到发展至今,发达国家非常重视对其的研究。干式切削技术已经成功的应用到了各项领域,并且取得了一定得成果。许多著名的机床生产商都在研制干切削机床加工中心。预计到2012年以后会有20%以上的加工技术是运用干式切削技术,未来生产模式的变化将不可扭转。

在我国,由于起步较早的优势,许多高校和研究所都取得了不少研究成果。

1.1.2 高速干式切削机床技术

在设计高速干式切削机床的过程中,需要考虑以下两个问题:

1)散热:高速干式切削时在会在切削区域产生的大量切削热,如果不能及时的排走,会将热量传递给机床床身,导致机床床身变形,最终就会影响加工精度以及粗糙度值。

2)清除切屑:为了更加顺畅的清除排屑,高速干式切削机床在结构上要尽可能采用立式主轴和倾斜式床身,这样才能及时有效的将切屑迅速排除,最好可以实现自动化[3]。

1.1.3 高速干式切削刀具技术

高速干切削要求刀具材料具有高强度、高耐热性、高红硬性、耐热冲击性、热韧性、耐磨性和抗粘结性,摩擦系数应尽可能小;刀具的构造和外形应保证排屑顺畅,并且易于散热。

目前用于干切削的刀具主要有:

1)聚晶立方氮化硼(PCBN)刀,高硬度,高耐磨性,热导性好,热稳定性佳,并且摩擦系数低;

2)陶瓷(Al2O3,Si3N4)和金属陶瓷(Cermets)材料刀具,硬度变化小,无须冷却液;

3)立方氮化硼(CBN)刀具,高硬度,热导性好,抗化学腐蚀性佳;

4)聚晶金刚石(PCD)刀具,硬度非常高,热导性好[4]。

除了选用合适的材料外,刀具涂层技术也可以很好的改善刀具的切削性能:

1)“硬”涂层:如Ti N、Tic、Al2O3等。特点是表面硬度高、耐磨性好。

2)“软”涂层,如Mo S2涂层、WS2涂层等。特点是表面摩擦系数低。例如,瑞士开发的“MOVIC”软涂层技术在刀具表面涂覆一层Mo S2,在Si含量为9%的铝合金工件上进行干式攻丝加工结果显示,普通丝锥加工20个孔,MOVIC涂层丝锥可以加工4000个孔[5]。

1.2 粉尘自动吸附技术

在高速干式加工过程中,如何清除切屑,可以采用以下方法:

1)借助重力。例如以钻小加工为例,让刀具从下往上加工,就可以借助重力排屑;

2)采用立式和倾斜式床身,并且在四周布置用倾斜的隔板;

3)借助真空或喷气系统或虹吸现象。主要是采用压缩空气来实现。

在高速干式切削加工特定材料时,便会产生大量粉尘,这些粉尘会堆积在机床的关键部位,影响其性能。

通过国内外相关技术的调研,在高速干式切削加工领域,还未有过针对粉尘回收技术进行过专项的研究。但是在化纤、重型机械、林业等领域,粉尘自动收集和清除的技术已经广泛的应用于科研生产当中,相关的技术方法可以移植到告诉干式切削加工中。目前主要采用两种方式收集和清除粉尘:(1)旋风分离器;(2)滤芯过滤器。

2 粉尘自动吸附系统设计

本文研制开发了针对高速干式切削加工过程中的粉尘自动吸附系统,该系统可以通过控制系统实时调整系统性能,实现高加工精度,降低切削液的使用。

2.1 粉尘自动吸附系统结构设计

高速干式切削加工过程粉尘自动吸附结构组成示意图如图1所示,主要由叶环形吸尘管、反射型龙卷风除尘系统,湿式除尘系统,变频动力系统组成,该系统通过实时监测,由变频动力系统对叶片吸力泵进行调整,以改变吸附动力,实现全程精密控制,达到良好的吸附除尘效果。

2.2 粉尘自动吸附系统控制设计

高速干式切削加工过程中对粉尘产生起主要影响作用的因素有切削速度、进给量、切削深度和材料本身特性,各因素的变化对最终粉尘产生量的影响如表1所示。

控制系统采用闭环方式控制,改变对粉尘产生的各影响因素:切削速度,进给量,切削深度和材料特性。通过进行实时的数据采集,通过PLC中央控制单元,可以计算出加工过程中产生粉尘量,然后通过调整叶片吸力泵来调整吸力。整个系统精度高,可编程,全程精密可控。通过集成控制,成功的将其他行业的成功经验借鉴并发展应用,有效了实现了设计初衷和预期结果,作为一种有效手段提高了高速干式切削加工的质量。

2.3 粉尘自动吸附系统工作流程

粉尘自动吸附系统工作流程如图2所示。

本系统采用了反射型龙卷风除尘系统串联加湿式除尘系统的双级系统回收工艺,下面详细介绍两套系统组成。

1)龙卷风除尘系统

龙卷风除尘系统学名叫做旋流式除尘系统,设计中改进了常用的一次分离技术,使用了更为先进的二次分离技术,它加速了气流的旋转速度,进一步的提高了离心力,离心力越高,可分离的粉尘就越小。不仅可以降低湍流扰动和气流紊乱的现象,而且最终结果显示,粉尘的分离直径小于5μm,与一般的旋风除尘系统相比,它的除尘效率要更高,在一定条件下可达99.9%。

具体的工作原理如下所述:含粉尘的气流通过环形吸尘管进入,然后被送入反射型龙卷风除尘系统的第一次分离室,随着气流的旋转碰撞形成回旋气流,粉末本身在自身重力和离心力的双重作用下,进行第一次分离。接着其余的气流带着剩余的粉尘进入第二次分离室,在同样的原理下,进行二次分离,经过二次分离之后,剩余的极细小的粉尘进入湿式除尘系统中。

从工作原理和工作过程中我们可以看出,含有粉尘的气流经过两次分离,两次沉淀,两次捕集,效果非常好。

2)湿式除尘系统

湿式除尘系统学名叫做水雾除尘系统,具体的工作原理如下所述:经过龙卷风除尘系统二次分离之后仍未能被收集的剩余粉尘跟随气流进入该系统中,经分析,这时的粉尘主要是5μm以下的超细粉末,以一定的速度送入该湿式除尘系统中,通过雾状水汽的喷洒,粉尘和水充分接触,充分混合沉淀完成分离,可以实现很高的粉末清除效率。湿式除尘系统的水可以通过过滤网进行过滤,然后循环使用,最终的的循环废水经过特殊处理后排放,排放标准复合国家规定。

通过两个系统的共同作用,整体工作流程问题,工艺流程可靠,可以实现各项技术指标和设计要求,符合理论预期,有很好的市场前景。

3 结论

通过对高速干式切削加工过程中的粉尘自动吸附技术研究,研制开发粉尘自动吸附系统,可以显著提高加工精度和加工效率,降低能量降耗,实现绿色环保,适应当前节能减排的好找,为更好的推广高速干式切削加工打下了坚实的基础。

参考文献

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[4]张报山,等.绿色切削及其刀具技术研究[J].机械制造与研究,2006,(5):69-71.

高速加工技术应用研究 篇10

随着制造业的快速发展，超高速、高精度、高柔性的加工技术已成为现代数控加工领域新的研究方向。传统的计算机数控（computer numerical control,CNC）系统在加工自由曲面时，主要采用直线或圆弧插补方式，由CAM系统进行离线编程，再将参数曲线离散成许多直线段或圆弧段构成的程序传输到CNC系统完成插补，采用这种插补方式势必会降低零件的加工精度和表面质量，也限制了数控系统的加工效率[1,2]。另外，用小线段拟合刀具的轨迹本身就会导致加工表面不光滑且插补误差难以控制，在加工过程中刀具频繁的加减速使得机床的稳定性大大降低，进而加剧了刀具的磨损。现代数控加工中可以将自由曲面的参数直接传输到CNC系统中，不再分割成若干小线段或圆弧段，从而使CAD/CAM/CNC之间保持完整的参数信息流。当前NURBS直接插补算法已成为高速、高精度加工的研究热点[3]。

国内外学者对NURBS曲面插补技术作了许多研究，例如：Nam等[4]提出了实时控制加加速度，使加速度控制在约束范围内的插补算法。Shiuh等[5]提出了自动调节进给速度的限定弓高误差的NURBS插补算法。Shpitalni等[6]和Yang等[7]提出用泰勒展开式一阶与二阶近似的方式获取NURBS插补数据，从而进一步减小速度的波动。Park等[8]提出了一种分阶段的方式来处理NURBS插补算法。周红梅等[9]提出了自适应选择节点数量的NURBS拟合算法，该算法是通过曲率的信息来确定节点数的，最后通过de Boor迭代法来获取控制点。本文在前人的研究基础之上提出了基于最小二乘的NURBS样条拟合算法，使得拟合后的曲线具有较高的精度指标，进而，针对更高精度的需求，提出了基于弧长参数补偿的NURBS插补技术。

1 NURBS曲面上曲线的数学表达式

一条k次NURBS曲线可以表示为一分段有理多项式矢函数：

式中，u为NURBS曲线的自变量；Di为控制顶点（i=0,1,2，…，n),Di顺序连接成控制多边形；ωi为权因子，分别与控制顶点相对应，ωn>0，其余ωi≥0，且权因子不同时为零（由此可保留凸包性质和防止分母为零）；Ni,k(u）是定义在非周期节点矢量U上的k次B样条基函数，U=(u0,u1，…，un+k+1）。

一条NURBS曲线由控制点、节点矢量、权因子和基函数的次数4个参数来决定。

2 最小二乘法的NURBS曲线拟合算法

对刀具轨迹生成时获得的离散刀位点进行NURBS曲线的最小二乘法拟合，拟合过程中，误差界限E应和曲线曲面的拟合数据同时被输入。要达到预期的精度E，我们无法确知需要多少个控制点来完成，因此，这种拟合问题需要通过迭代来实现。为了避免涉及非线性问题，一般取权因子ω=1，不论是曲线曲面逼近还是插值问题中，都要保证曲线的始末点与样条曲线重合，即。其余数据点Qi(i=1,2，…，m-1）在最小二乘法下逼近，即目标函数为

其中，是预先计算好的参数值。

一般用最小二乘法逼近的曲线不能精确地通过数据点Qj，且不是曲线上与点Qi最近的点。令

将参数值及式（3）代入式（2），有

应用标准的线性最小二乘拟合技术，欲使目标函数f最小，应令f关于n-1个未知控制点Dl(l=1,2，…，n-1）的偏导数都等于零。它的第l个偏导为

即

于是

式（7）是一个控制点D1,D2，…，Dn-1为未知量的线性方程。让l=1,2，…，n-1，则得到含n-1个该未知量的n-1个方程的方程组，写成矩阵形式为

其中，N是（m-1）×（n-1）矩阵：

R和D分别为

式（8）中的矩阵（NTN）是正定的，可以用高斯消元法来求解控制点。在规定精度范围内的曲线逼近，控制点的个数选取决定着曲线的最优程度，一般用k+1个控制点（这里是最少的）作为迭代的开始，用式（3）、式（8）和式（10）对数据点进行拟合得到一条逼近曲线，每次拟合之后可以根据最大模偏差公式检查曲线偏差是否小于逼近误差E，直至满足设定的逼近误差E。当刀位点数与控制点数相等时，逼近误差E=0。最大模偏差公式为

本文对离散刀位点进行最小二乘拟合，对数据点进行了仿真实验。图1结果表明，使用最小二乘法的NURBS曲线拟合方法原理简明，易于实现，并且具有很高的拟合精度，与其他拟合方法相较有明显的优势。

3 基于弧长参数补偿的NURBS插补技术

3.1 预处理及误差分析

NURBS曲线的插补预处理是进行实时插补的关键，本文中NURBS曲线轨迹用矩阵的形式表示，采用矩阵方式避免了插补过程中基函数的重复递推，从而减少了插补过程中的繁琐运算量，可在很大程度上提高零件的加工速度。一般取三次NURBS曲线作为研究对象，曲线矩阵相乘的表达形式为设权因子ω=1，对于首末两节点重复的节点矢量，其次数可取为k+1，也就是矩阵U是节点分量构成的4阶常数矩阵。有4个控制点Di与权因子ωj(j=i-3,i-2,i-1,i）相对应。在每个节点区间内，MD相乘是一个常数矩阵，在相应的区间内保持乘积不变，对插补点的参数坐标没有任何影响。将NURBS曲线的有理多项式的矢函数写成矩阵的形式为[10]

令

特别地，T0(0)=0，则系数矩阵M在第i个区间的表达式可以表示为

在插补过程中，要想得到较高插补精度，必须满足插补速度平稳、速度波动小的要求，即插补时的合成实际速度要与给定的进给速度相一致，本文将进给速度与轮廓误差作为插补好坏的评价标准。在NURBS曲线插补过程中，通常利用插补点的曲率来计算参数ui处的轮廓误差Ei。

图2是用一段圆弧近似地表示在区间u∈[ui,ui+1]内的NURBS曲线，ρi为曲率半径，且ρi=1/Ki，插补周期为T，并令Li=‖C(ui+1)-C(ui）‖，进给速度为v(ui），通过几何关系可以求出轮廓误差：

其中该点的曲率半径计算如下：

假设加工过程中要求最高轮廓误差为δ，则在要求误差下的进给速度为

如果Ei满足Ei≤δ，插补计算过程将继续进行下一个点的插补计算；如果Ei满足Ei>δ，插补过程将会调整插补进给速度v(ui），返回当前插补点，按调整后的进给速度重新进行下一个点的插补计算。在NURBS曲线插补过程中，可以通过调整进给速度来调节规定范围内的加工精度。

3.2 实时插补算法

传统的NURBS插补技术常用的是泰勒展开法，这种方法难以满足以弧长为参数的插补，并且NURBS插补过程中计算复杂，速度不能平滑过渡，为了能够满足插补过程中计算量小的要求，并实现高精度的快速实时插补，笔者提出了基于弧长参数补偿的NURBS插补技术。其方法是以泰勒展开法得到的插补参数作为临时插补点，对临时插补点进行参数补偿，以确保原曲线弧长为插补参数。假设空间参数曲线为C(u)=x(u)i+y(u)j+z(u)k,u是曲线参数。则插补进给速度v(ui），可以表达为

可以进一步推导求得：

变量u在u=ui处的一阶泰勒展开式为

式中，Ts为插补周期；R(u）为误差余量。

则有

式（20）是通过一阶泰勒展开方法得到的下一个插补点的求解式。若ti在所在领域内二阶导数是连续的，此时可以求其二阶导数：

变量u在u=ui处的二阶泰勒展开式为

则有

式（21）是通过二阶泰勒展开方法得到的下一个插补点的求解式。

从得到的一阶、二阶泰勒展开式可以看出泰勒展开法的本质也是弧长与参数的关系，但是泰勒展开式中省略了误差余量，导致了弧长与参数的关系式表达不完全精确。可以用基于弧长参数补偿的NURBS插补技术来完善这个问题，具体操作步骤是根据插补点的位置坐标、一阶导数、二阶导数三者之间的关系，在插补的前一个点和临时插补点之间建立弧长与参数的三次多项式或更高次多项式，使得插补以弧长为基准。

NURBS曲线参数u与弧长S的三次多项式可表达为：u=a+bS+cS2+dS3，进行参数插补的前提是计算临时参数值，以一阶泰勒插补为起点：

其中，Δ（ui）为补偿值，u′i+1为临时参数值（通过一阶泰勒展开法得到），在位置C(u）与C(u′i+1）之间建立三次多项式，以弧长为自变量，参数u为因变量。此时根据两个导数和两个位置等式组成的方程组来求解。其中，u′（S)=1/C′（u），为使计算过程简单，弧长可以用弦长代替，即Li=‖C(ui)-C(u′i+1）‖，由此可建立三次多项式来求解a、b、c和d4个参数。建立的方程可用矩阵表示：

式（25）可简写为

由此可得系数矩阵φ有唯一解φ=-1·δ。

假设插补进给速度为v(ui），插补周期内的位移Si=v(ui)Ts，则参数ui+1计算式为

结合式（25）就可求解出a、b、c、d4个系数。弧长与参数的五次多项式也可以用同样的方法求解。

4 仿真结果与性能分析

为了验证本文所提出算法的有效性和正确性，采用MATLAB对空间NURBS曲线进行仿真计算。由于进给速度波动率是评价插补性能的关键因素之一，因此主要对插补过程中的进给速度波动进行仿真计算。空间NURBS曲线的参数如下：空间曲线的次数为3，控制点为（0,0,0）、（3.5,12,2）、（12,22.5,6）、（17,18.5,8）、（19,9.75,9）、（25,12,10.25）、（30,21,12）、（38,11.75,14）、（45,0,11）（单位为mm），节点矢量（0,0,0,0,1/7,2/7,3/7,4.1/7,5/7,5/7,1,1,1,1)(mm），权重（1,1,1,1,1,1,1,1），进给速度vs=63mm/s，不考虑加减速，插补周期Ts=1.8ms，空间NURBS曲线如图3所示。

插补方法采用一阶、二阶泰勒展开法，以及三次、五次多项式的参数补偿插补法。速度波动计算公式为

通过分析对比仿真结果（图4～图7）可以得出以下结论：(1)参数补偿插补方法与泰勒插补方法相比较，参数补偿插补方法能显著减小速度波动，能使速度控制在理想的范围内，可进一步提高加工精度和减小数控机床的振动。(2)根据仿真数据可以分析得出参数的补偿有可能是负值或者是正值，在曲率比较大的地方为了减小速度的波动可以提高速度。

参考文献

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