機(jī)械設(shè)計(jì)外文翻譯-通過(guò)立式六軸控制并應(yīng)用超聲振動(dòng)加工銳角轉(zhuǎn)角【中英文WORD】【中文5570字】
機(jī)械設(shè)計(jì)外文翻譯-通過(guò)立式六軸控制并應(yīng)用超聲振動(dòng)加工銳角轉(zhuǎn)角【中英文WORD】【中文5570字】,中英文WORD,中文5570字,機(jī)械設(shè)計(jì),外文,翻譯,通過(guò),立式,控制,應(yīng)用,超聲,振動(dòng),加工,銳角,轉(zhuǎn)角,中英文,WORD,中文,5570
通過(guò)立式六軸控制并應(yīng)用超聲振動(dòng)加工銳角轉(zhuǎn)角
這項(xiàng)研究提出了一種可以產(chǎn)生一個(gè)懸垂銳角轉(zhuǎn)角的新的加工方法。 對(duì)于傳統(tǒng)的加工方法，甚至是3 到5軸放電加工而言，加工垂直面上的的銳角轉(zhuǎn)角是很難的，尤其是當(dāng)其表面有不同的角度的時(shí)候。這是受進(jìn)給方向和機(jī)床的電極結(jié)構(gòu)必須與目標(biāo)的輪廓對(duì)稱(chēng)的限制。在本研究中，我們?cè)噲D采用新的加工方法來(lái)加工外表面的銳角轉(zhuǎn)角。 6軸控制加工適用于以任意位置和任意姿勢(shì)順著工件設(shè)置一非回轉(zhuǎn)刀具。在切削過(guò)程中，當(dāng)?shù)毒哐刂M(jìn)給方向切削時(shí)，超聲振動(dòng)被應(yīng)用在刀具的切削邊緣。當(dāng)進(jìn)行切削的時(shí)候，6軸(X、Y、Z、A、B和C)順著刀具在某一點(diǎn)的姿勢(shì)同時(shí)移動(dòng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)六軸控制超聲振動(dòng)切削能在垂直面產(chǎn)生一銳角轉(zhuǎn)角。
關(guān)鍵字：六軸控制切割、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)，微型鉆，垂直銳角轉(zhuǎn)角,超聲振動(dòng)刀具。
1. 緒論
如果制造過(guò)程中的限制可以最小化或者消除，該產(chǎn)品的靈活性可極大發(fā)揮。如果象球頭立銑或者平頭銑刀這類(lèi)回轉(zhuǎn)刀具用在加工一含有垂直銳角轉(zhuǎn)角的模具中，對(duì)于能清楚獲得有尖銳邊緣線(xiàn)的目標(biāo)形狀來(lái)說(shuō)，這似乎是困難的。這是由于使用了與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)稱(chēng)的旋轉(zhuǎn)刀具的原因。在相鄰表面產(chǎn)生了類(lèi)似圓弧的加工痕跡，如圖一所示。
按照慣例，大部分垂面或者斜面可以靠將工件依照基準(zhǔn)設(shè)置在某一角度，并轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)基準(zhǔn)，或者靠將刀頭設(shè)置成某一角度并且進(jìn)給切刀的頭部，如圖2(a)所示。在這個(gè)過(guò)程中，在工件底部的鋒利的邊緣和垂面被加工出來(lái)。 不過(guò)，如果對(duì)象是由兩個(gè)垂面組成的OHSC并且表面傾角是不一致的，由于在此過(guò)程中的切削方向是固定的并且僅僅局限于線(xiàn)性切割，目標(biāo)形狀是很難達(dá)到的。因此，這就需要大量的夾具和裝備來(lái)夾緊工件、使工件在機(jī)床上保持正確的位置并且在加工的過(guò)程中支撐工件。
圖2 含有懸垂面的銳角轉(zhuǎn)角的加工方法
來(lái)生產(chǎn)這種外形的其他可能的方法就是多主軸放電加工(EDM)，如圖2（b）所示。 然而,即使是用這種方法，也很難或者根本不可能生產(chǎn)出一含有不同角度的OHSC。這需要6個(gè)自由度來(lái)充分地執(zhí)行可以產(chǎn)生目標(biāo)形狀的加工。
在以往的研究中，超聲波振動(dòng)被應(yīng)用在車(chē)削可塑性材料和銑削玻璃纖維加強(qiáng)型材料上。應(yīng)用超聲波振動(dòng)的切削力大大減少。然而，在先前的過(guò)程中，工件被旋轉(zhuǎn)或者移向切削刀具，后來(lái)一次加工被限制用2到3軸控制。在其他領(lǐng)域的研究中，多軸控制機(jī)床習(xí)慣于一步完成一次加工，這就產(chǎn)生了擁有高精度、高質(zhì)量和較少加工時(shí)間的工件成品。
在這項(xiàng)研究中，使用非旋轉(zhuǎn)切削工具結(jié)合超聲振動(dòng)的使用的6軸控制切削，如圖2(C)所示。 它適用于審查OHSC構(gòu)成方法的有效性。加工時(shí)，C軸和X，Y，Z，A或者B軸同時(shí)使非旋轉(zhuǎn)刀具旋轉(zhuǎn)。軸的運(yùn)動(dòng)是基于刀具的姿勢(shì)和已經(jīng)開(kāi)發(fā)的CAM軟件所產(chǎn)生的切削點(diǎn)。CAM系統(tǒng)產(chǎn)生一自由關(guān)聯(lián)的刀具路徑以保證切削過(guò)程的安全。6軸控制機(jī)床輕松地具備了加工OHSC的能力，是因?yàn)?個(gè)自由度使形成需要的產(chǎn)品外形得以充分發(fā)揮。 同時(shí)，考慮到點(diǎn)鉆刀具在切削操作中的尺寸和硬度，在使用超聲振動(dòng)使切削力大大削減之后，其才得以利用。
2. 實(shí)驗(yàn)程序
實(shí)驗(yàn)步驟如圖3所示，其中工件安裝在6軸控制加工的工作臺(tái)中心。 bore byte tool安裝在使用了轉(zhuǎn)接器的超聲振動(dòng)刀具上。 該超聲振動(dòng)刀具被圓周式的安裝在6軸控制加工中心上。
在以往的研究中，超聲波振動(dòng)被應(yīng)用在車(chē)削可塑性材料和銑削玻璃纖維加強(qiáng)型材料上。應(yīng)用超聲波振動(dòng)的切削力大大減少。然而，在先前的過(guò)程中，工件被旋轉(zhuǎn)或者移向切削刀具，后來(lái)一次加工被限制用2到3軸控制。在其他領(lǐng)域的研究中，多軸控制機(jī)床習(xí)慣于一步完成一次加工，這就產(chǎn)生了擁有高精度、高質(zhì)量和較少加工時(shí)間的工件成品。
在這項(xiàng)研究中，使用非回轉(zhuǎn)切削工具結(jié)合超聲振動(dòng)的使用的6軸控制切削，如圖2(C)所示。 它適用于審查OHSC構(gòu)成方法的有效性。加工時(shí)，C軸和X，Y，Z，A或者B軸同時(shí)使非旋轉(zhuǎn)刀具旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)是基于刀具的姿勢(shì)和已經(jīng)開(kāi)發(fā)的CAM軟件所產(chǎn)生的切削點(diǎn)。CAM系統(tǒng)產(chǎn)生一自由關(guān)聯(lián)的刀具路徑以保證切削過(guò)程的安全。 6軸控制機(jī)床輕松地具備了加工OHSC的能力，是因?yàn)?個(gè)自由度使形成需要的產(chǎn)品外形得以充分發(fā)揮。 同時(shí)，考慮到點(diǎn)鉆刀具在切削操作中的尺寸和硬度，在使用超聲振動(dòng)使切削力大大削減之后，其才得以利用。
2.1多軸機(jī)床工具和微型鉆孔器
被用來(lái)研究的6軸加工中心如圖4所示。 加工中心準(zhǔn)備有多軸CNC加工刀具。該6軸控制機(jī)床有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸A，B和C。它是由5軸控制加工中心再在主軸上加上一個(gè)C功能軸組成的，這種5軸加工中心有2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，即旋轉(zhuǎn)的可傾斜工作臺(tái)的A軸和旋轉(zhuǎn)的可標(biāo)志工作臺(tái)的B軸。X、Y、Z的最小位移為1微米，A 、B和C軸的最小旋轉(zhuǎn)量是0.36弧度每秒。由于OHSC的切削，A軸用來(lái)確定邊緣面和銳角的傾角角度、B軸用來(lái)使工件轉(zhuǎn)動(dòng)、C軸用來(lái)確定刀具的切削方向，X、Y軸來(lái)確定進(jìn)給方向，同時(shí)，切削深度由Z軸確定。 圖5顯示了用于研究的非旋轉(zhuǎn)刀具(bore byte tool). 它通常是由經(jīng)常用于6軸控制切削的鎢炭化物組成的。刀具的總長(zhǎng)和直徑分別為70毫米和6毫米。
2.2超聲波振動(dòng)工具
圖6是一種商業(yè)上可用的用于研究的超聲振動(dòng)刀具(SB-150:電化鈷)。 該USV應(yīng)用于切削工具。為了完成一次有效率的和有效的振動(dòng)切削，振動(dòng)方向必須與切削方向設(shè)置平行。 由于振動(dòng)方向并不總是與進(jìn)給方向平行，微型鉆孔器的姿勢(shì)就被設(shè)置了如同圖7(a)描述的，刀具軸參數(shù)T和刀具方向參數(shù)D分別被任務(wù)中的的旋轉(zhuǎn)和傾斜所修正。這些被修改到修正刀具軸參數(shù)T和修正刀具方向參數(shù)上，如圖7（b）所示。該刀具軸參數(shù)和刀具方向參數(shù)的改變?cè)诘段晦D(zhuǎn)換中被實(shí)施。
2.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)
6軸計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)的構(gòu)成如圖8所示。目標(biāo)輪廓的3D-CAD數(shù)據(jù)形成于此，必須根據(jù)目標(biāo)形狀來(lái)挑選微
型鉆孔器類(lèi)型。 中央處理器產(chǎn)生不相干涉的包含刀具與刀位信息的CL數(shù)據(jù)和有關(guān)目標(biāo)形狀的3D—CAD數(shù)據(jù)。
圖7 微型鉆的振動(dòng)方向的調(diào)節(jié)
后處理將中央處理器產(chǎn)生的CL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為與加工中心的坐標(biāo)系統(tǒng)相匹配的6軸控制NC數(shù)據(jù)，這些信息由加工中心，設(shè)置信息，切削條件和振動(dòng)條件組成。另外，為了保持加工中心的進(jìn)給速度達(dá)到常數(shù)并使刀具路徑的背離最小化，要做所謂的線(xiàn)性操作。這就達(dá)到了保證產(chǎn)品表面，尤其是正在處理的曲面的光潔度的目的。
在CL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成NC數(shù)據(jù)之前，必須首先檢查CL數(shù)據(jù)的干涉情況，以保證加工過(guò)程中的安全性。如果在此階段檢查出干涉，要用中央處理器來(lái)對(duì)CL數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。
3.制造帶有懸垂面的銳角轉(zhuǎn)角
3.1確定刀具姿勢(shì)
為了表達(dá)9軸控制的超聲振動(dòng)切削時(shí)整個(gè)刀具的姿勢(shì)，如圖9所示的微型鉆孔器的姿勢(shì)被切削點(diǎn)P的坐標(biāo)、刀具的軸矢量T和刀具方向矢量D所指定。這種PTD坐標(biāo)被轉(zhuǎn)換為NC數(shù)據(jù)并在加工過(guò)程中依次使用。 在應(yīng)用超聲振動(dòng)的六軸控制切削中，刀具的運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)的決定必須考慮到振動(dòng)的方向。 由于切削方向迅速的變化， 為了保持刀具角度與外形表面保持一致，刀具的姿勢(shì)要大幅度改變。
3.2刀具路徑的產(chǎn)生
產(chǎn)生OHSC的刀具路徑的方法可以描述如下： 該OHSC由兩個(gè)邊脊線(xiàn)組成，如圖10所示。 所謂的橫斷線(xiàn)被稱(chēng)為底面脊線(xiàn)，交叉線(xiàn)被稱(chēng)為邊脊線(xiàn)。 制造銳角轉(zhuǎn)角要求完成邊脊線(xiàn)和底面脊線(xiàn)。
3.2.1側(cè)面的刀具路徑的形成
產(chǎn)生邊脊線(xiàn)的表面分別由左面和右面組成。在加工一銳角轉(zhuǎn)角的邊脊線(xiàn)過(guò)程中，加工左面和右面是必要的。圖11描述了產(chǎn)生OHSC的邊緣面的刀具軌跡輪廓的方法?；谖⑿豌@孔器的型號(hào)和目標(biāo)形狀的要求，首先要做的就是側(cè)面的加工和刀具進(jìn)給方向的選擇。產(chǎn)生邊脊線(xiàn)的鄰接表面用參數(shù)u,v表示。與參數(shù)v等價(jià)的固定曲線(xiàn)，產(chǎn)生于從表面的上方到底部的區(qū)域內(nèi)。表面分離的數(shù)目輸入被輸入從而不斷產(chǎn)生切削點(diǎn)的數(shù)目。使用參數(shù)u的評(píng)估，每個(gè)相關(guān)線(xiàn)的切削點(diǎn)產(chǎn)生，因此切削點(diǎn)之間的距離將被放在指定的評(píng)定里。
在每個(gè)切削點(diǎn)改變刀具的姿勢(shì)，刀具在每一個(gè)從開(kāi)始直到形成邊脊線(xiàn)間的切削點(diǎn)不斷移動(dòng)。 雖然切削點(diǎn)之間彼此連接，為了獲取刀具路徑，由于刀具結(jié)構(gòu)和目標(biāo)產(chǎn)品的形狀的原因，僅靠一個(gè)方向而加工兩個(gè)相鄰邊是很難的。此外，刀具和工件之間可能發(fā)生干涉。 在這種情況下，刀具從加工左側(cè)面的路徑的起始點(diǎn)開(kāi)始，結(jié)束于邊脊線(xiàn)形成的拐角處。 如此反復(fù)，直至到達(dá)形面的底部.切削深度取決于曲面曲線(xiàn)總長(zhǎng)度的分界線(xiàn)的數(shù)量。因?yàn)橛覀?cè)面仍然有類(lèi)似圓弧的形狀在其拐角部分殘留，所以右側(cè)面上也要進(jìn)行同樣的處理。 為了形成清晰的邊脊線(xiàn)，程序幾乎和加工左側(cè)面是一樣的,因而切削終止點(diǎn)和左側(cè)面的加工終點(diǎn)是一樣的。最后點(diǎn)左邊加工，形成了明顯的山脊線(xiàn).右側(cè)面的加工也用左旋刀具來(lái)處理。
側(cè)面的刀具路徑形成過(guò)程中，為了使振動(dòng)方向平行于進(jìn)給方向矢量F，刀具方向矢量D旋轉(zhuǎn)了10度。起點(diǎn)到終點(diǎn)的切削點(diǎn)的依次連接形成了刀具路徑。切削過(guò)程中的刀具姿勢(shì)取決于切削點(diǎn)的法向量N和進(jìn)給方向矢量F。 刀具的進(jìn)給方向矢量D和刀具軸線(xiàn)矢量T可分別表示為D=F*N 和 T=N 。
3.2.2底面刀具路徑的形成
圖12描述了形成OHSC的底部ridgeline的底面刀具路徑形方法。 在側(cè)面的刀具路徑形成之后，在刀具緊貼底部表面的地方，底部ridgeline的刀具路徑接著形成了。這里有兩種產(chǎn)生底部表面的刀具路徑的方法。一種是一步法如左上圖所示，另外的一種是多步法如右上圖所示。一步法中，刀具切削頂點(diǎn)直接接觸底部脊線(xiàn)的位置， 在這種操作中，刀具的傾角對(duì)于充分清除殘留在底部的類(lèi)似圓弧的形狀并形成清晰的山脊線(xiàn)是必要的。在刀具路徑形成的過(guò)程中，基于計(jì)算出來(lái)的與底面和切削刀具的清除角度相悖的傾角是5度，刀具的軸線(xiàn)矢量T要傾斜。決定切削起點(diǎn)和切削終點(diǎn)的方法同產(chǎn)生邊緣脊線(xiàn)刀具路徑的方法是一樣的。
在多步法中，來(lái)自底面的斜度用參數(shù)U和V表示。切削參考線(xiàn)的形成決定于從粗加工后類(lèi)似圓弧形狀殘余的地方到底步山脊線(xiàn)的參考線(xiàn)之間的最短距離。 切割點(diǎn)的產(chǎn)生基于每個(gè)參考線(xiàn)上的參數(shù)v。 系統(tǒng)由在底面的刀具軸線(xiàn)矢量N和沿著切削參考線(xiàn)時(shí)刀具在切削點(diǎn)的進(jìn)給矢量F來(lái)決定切削過(guò)程中刀具的姿勢(shì)。刀具軸矢量T和刀具方向矢量可以分別表達(dá)為T(mén)=N和D=N*F。 切削起點(diǎn)因?yàn)榻茍A弧形狀的殘留而得以呈現(xiàn)，并且它結(jié)束于已參考線(xiàn)上已形成的切削點(diǎn)的最后一點(diǎn)，沿著每個(gè)相鄰的切削點(diǎn)移動(dòng)刀具就能形成刀具路徑。
4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.1對(duì)切削力的影響
切削力的測(cè)量是利用測(cè)力計(jì)電阻(9257B, Kistler Co ,Ltd)，從而以rms的形式對(duì)切削力進(jìn)行平均和對(duì)其處理。加工受用USV和不用USV的引導(dǎo)。習(xí)慣的切削條件如下：400mm/min 的進(jìn)給速度，分別為0.1，0.2，0.3的切削深度。振動(dòng)條件如下：19KHZ的頻率，36的振幅和10度的轉(zhuǎn)角。已得到的計(jì)算結(jié)果如表1所示。從中可看出有USV切削時(shí)的切削力與沒(méi)有USV時(shí)的比較起來(lái)是非常小的。由于切削力大大減小，刀具的硬度可以在整個(gè)切削過(guò)程中保持。
4.2 OHSC的加工
切削實(shí)驗(yàn)也用于研究新的加工工藝方法的有效性. 用于實(shí)驗(yàn)的工件的大小是100×100×20 mm 并且其是一塊鋁合金(a5052JISC)，它也是常用的以象鍛模，真空成型，橡膠成型等的低壓成型低成本鑄造材料。
兩種類(lèi)型的OHSC模型應(yīng)用在此實(shí)驗(yàn)中，一種是帶有平面的OHSC，另一種是帶有曲面的OHSC。 側(cè)面由不同的傾角組成。位于切削起點(diǎn)的的表面傾角與切削終點(diǎn)的傾角是不同的。在此情況下 ，傾角在整個(gè)過(guò)程中不是統(tǒng)一的。
圖13(a)所示的是帶有平面的OHSC的模擬加工，為了用5軸控制切削執(zhí)行有效的切割，必須首先分別用直徑為3mm和1.5mm的球頭磨刀進(jìn)行粗加工。加工進(jìn)行到目標(biāo)產(chǎn)品的輪廓幾乎形成的時(shí)候.如圖13（b）所示，由于類(lèi)似圓弧形狀的殘留，目標(biāo)形狀的角度不能很清楚的得到，要用USV輔助的6軸切削對(duì)平面進(jìn)行修整。在此過(guò)程中，可根據(jù)自己的選擇將左側(cè)面或者右側(cè)面首先加工出來(lái)。
讓我們假定左側(cè)面已經(jīng)加工了。 列入表2的切削和振動(dòng)情況用于開(kāi)發(fā)的CAM系統(tǒng)所產(chǎn)生的NC指令中。使用基于NC加工指令生成的凸輪發(fā)展計(jì)劃。加工完表面一側(cè)后，下一步使用一步法加工底面。 列入表2的切削條件應(yīng)用于除了9度傾角和1.5mm的切削深度中。 切削深度取決于使用球頭磨刀進(jìn)行粗加工時(shí)的類(lèi)弧形殘留.用右旋刀具對(duì)左側(cè)面進(jìn)行加工。
完成了左側(cè)面的加工后，下一步對(duì)右表面進(jìn)行加工，這一步的加工條件，除了使用左旋刀具之外，其它條件幾乎與加工左表面的條件一樣。圖13（d）顯示的是切削實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
帶有曲面的OHSC的加工模型如圖14（a）所示。 在加工含有曲面的OHSC中如圖14(b)所示的粗加工也應(yīng)完成。從粗加工到完工的操作順序和以前所描述的幾乎相同。 但是，為了使產(chǎn)品表面平滑要做所謂的線(xiàn)性化操作。 為了加工形成脊線(xiàn)的底面,要求進(jìn)行多路徑的加工方法，因?yàn)檫@種方法適合曲面。 表二列出了用于此過(guò)程中的切削和振動(dòng)情況。同樣，圖14(c)和圖14(d)分別是真實(shí)的加工和完成加工后的產(chǎn)品。 這次實(shí)驗(yàn)的總時(shí)間是112分鐘，其中包括了粗加工時(shí)間。在整個(gè)過(guò)程中只用到一臺(tái)機(jī)床和一個(gè)工件。
在無(wú)旋刀具的正常切削速度勝任了切削速率之后應(yīng)用超聲振動(dòng)而提高切削速率，這一原因使切削效率大幅度改進(jìn)。
5. 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，微型鉆孔器的使用是最佳的并且由于應(yīng)用超聲振動(dòng)而使切削力的大大減少而使刀具的硬度能滿(mǎn)足切削的執(zhí)行。由此而發(fā)現(xiàn)只用一臺(tái)機(jī)床就能應(yīng)付產(chǎn)品從粗加工到完成的整個(gè)過(guò)程，這就使由于象將工件從一臺(tái)機(jī)床到另外一臺(tái)這類(lèi)潛在成本消耗得以消除。因此，為加工含有平面和曲面的OHSC 的已開(kāi)發(fā)CAM軟件在這次研究中得以實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證。
致謝
作者對(duì)Crisanto de la Cruz先生(MIRDC-DOST)和Tohru Ishida 先生(Elector-Communications大學(xué))的大力支持和其資料表示衷心感謝。部分研究由科研教育部(b12450057)給予準(zhǔn)許和幫助。
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