李保朋

基于CAD技術(shù)的數(shù)控零件機械加工設(shè)計

李保朋

(金鄉(xiāng)縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，山東 濟寧 272200)

傳統(tǒng)的數(shù)控加工作業(yè)模式存在加工時間長、作業(yè)效率較低等問題。操作人員利用CAD制圖技術(shù)對數(shù)控零件的加工面進(jìn)行輔助分析，并將分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控機床進(jìn)行加工作業(yè)，能優(yōu)化機床外部刀具姿態(tài)、精確控制內(nèi)層主軸夾具。通過試驗證明，相較于傳統(tǒng)手繪和PS制圖的數(shù)控零件加工模式，采用CAD制圖技術(shù)輔助數(shù)控加工方法所花費的時間少、加工的精度高，可達(dá)到最佳作業(yè)效果。

CAD；數(shù)控零件；機械加工設(shè)計

采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工模式進(jìn)行機械零件生產(chǎn)存在加工效率低下、作業(yè)時間長等問題，由于過于依賴操作人員的經(jīng)驗，易造成因數(shù)控機床幾何誤差過大導(dǎo)致的高轉(zhuǎn)速刀具變形、零件切削不穩(wěn)定等問題。采用基于CAD技術(shù)的數(shù)控零件機械加工方法進(jìn)行機械零件生產(chǎn)，能從幾何學(xué)和動力學(xué)兩方面兼顧零件的物理特性和零件加工的運動軌跡，精準(zhǔn)控制刀具的主軸轉(zhuǎn)速，極大優(yōu)化了機床的切削作業(yè)參數(shù)，即使在進(jìn)行復(fù)雜的曲面零件加工時也能實現(xiàn)高速、高精度的弧長映射[1-2]。

1　基于CAD的數(shù)控零件機械加工技術(shù)設(shè)計

1.1　利用CAD技術(shù)曲面切割裁剪零件

葉輪型零件空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面由多種平面與曲面構(gòu)成，對葉輪型零件進(jìn)行機械加工，不僅需要精確控制繁雜的工藝流程，對精度要求也十分高。采用基于CAD技術(shù)的數(shù)控零件機械加工方法設(shè)計葉輪型零件的加工參數(shù)，操作人員只需將采集的零件表面信息通過CAD曲面協(xié)調(diào)映射引入到數(shù)控機床即可進(jìn)行作業(yè)。操作人員還可根據(jù)加工難點，合理利用CAD技術(shù)將加工殘留高度制成排布合理的有效覆蓋的曲面[3]。

采用CAD技術(shù)進(jìn)行機械零件加工，可以將刀具軌跡以環(huán)形方式進(jìn)行排布，并對刀具軌跡做出精準(zhǔn)規(guī)劃[4]。操作人員利用水平儀可測得零部件的鋼度差與阻力數(shù)據(jù)，在綜合考慮曲面幾何特征以及物理性能后，可以計算出零部件在曲面映射下刀具軌跡操作時產(chǎn)生的靜態(tài)幾何誤差和動態(tài)輪廓偏差之間的動力學(xué)交互模型，計算公式如下：

式中：M為質(zhì)量矩陣，為阻尼矩陣，為剛度矩陣，為振動向量，為數(shù)控零件刀具切削力，為時間，為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差處理的時滯參數(shù)。

處理薄壁零件曲面裁剪的刀具軌跡時，要綜合考慮零件的工件端在曲面協(xié)調(diào)映射的動態(tài)影響，因此需要對刀具軌跡的切觸位置進(jìn)行實時追蹤，但由于實時的工藝阻尼特性難以獲取，所以需要將數(shù)控零件刀具切割作用的剪切力、曲面實時動態(tài)產(chǎn)生的剪切力、刀具切割數(shù)控零件在曲面映射通過犁切作用產(chǎn)生的犁切力、切削速度相關(guān)的過程阻尼力共同考慮到加工刀具的矢量變化中，表達(dá)公式如下：

式中：F為數(shù)控零件切割產(chǎn)生的剪切力，F為曲面實時獲取的剪切力，F為犁切作用產(chǎn)生的犁切力，F為過程阻尼力，為振動向量，為時間，為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差處理的時滯參數(shù)。

通過以上公式計算可將數(shù)控零件動態(tài)切割的變化與曲面的幾何關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使刀具軌跡在曲面的排布更精準(zhǔn)。

1.2　優(yōu)化數(shù)控零件加工的刀具姿態(tài)

1.3　精確控制數(shù)控零件主軸夾具

要使數(shù)控零件的幾何曲面具有穩(wěn)定的邊界，除了需要優(yōu)化外部刀具的姿態(tài)之外，還要精確控制零件內(nèi)層的主軸夾層的角度。數(shù)控零件的主軸夾具需要確定具體的路徑拐點，避免在加工時產(chǎn)生較大的誤差。要對零件主軸進(jìn)行誤差約束，就需要測定零件夾具內(nèi)側(cè)弧長的參數(shù)，將弧長平均分為三個基準(zhǔn)點，分別用A1、A2、A3表示，A1、A2、A3既是零件主軸夾具的平均點也是判斷恒定誤差的中間值，沿夾具的弧長曲線和零件主軸基本點設(shè)置作業(yè)精度范圍。通過對3個弧度曲面夾具點進(jìn)行精確定位，使得零件夾層軌跡的運動呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性映射，可以大幅提高零件表面的加工質(zhì)量。

1.4　零件整體編輯與顯示

將編輯好的零件加工數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD圖層處理系統(tǒng)進(jìn)行繪圖操作，便于對零件細(xì)節(jié)進(jìn)行后續(xù)加工，操作人員只需在計算機上操作CAD軟件就能直接開展零件加工整體設(shè)計工作。

2　實驗測試

通過將基于CAD技術(shù)的數(shù)控零件機械加工方法與傳統(tǒng)手繪數(shù)控零件方法、PS操作數(shù)控零件方法進(jìn)行對比實驗，可以全方位測試該方法的性能。

2.1　試驗準(zhǔn)備

數(shù)控零件的外部刀具為直徑6mm的硬質(zhì)合金刀具，坯料為2024鋁合金材料。數(shù)控零件加工機床型號為408S209R，該機床加工中心主軸轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速達(dá)到42 000 r/min，最大進(jìn)給速度為30 m/min，定位精度為0.1 m，重復(fù)定位精度為0.05 m。本次試驗采用Kistler911AA2W三向測力儀，三向測力最大值是4000 N，分別從水平30°、水平60°、水平90°測試加工精度。三向探測的靈敏度分別是25.57 pC/N、2.64 pC/N、26.12 pC/N，三向的固有頻率分別為4.3 kHz、4.6 kHz、4.4 kHz，工作溫度范圍是-20～70 ℃。該測力儀靈敏度高，不易受外界影響，可用于動、靜態(tài)的測量。本次測試頻率設(shè)置為15 kHz，選取某工廠的數(shù)控零件為樣本進(jìn)行操作，實驗數(shù)控零件切削參數(shù)如表1所示。

表1　實驗數(shù)控零件切削參數(shù)

2.2　實驗結(jié)果與分析

通過將三種數(shù)控零件設(shè)計方法的完成時間進(jìn)行比對，結(jié)果表明采用基于CAD技術(shù)的數(shù)控零件機械加工方法相較于傳統(tǒng)手繪法和PS設(shè)計法在設(shè)計效率上有著巨大的優(yōu)勢，對比結(jié)果如表2所示。

表2　圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理時間

3　結(jié)語

采用基于CAD技術(shù)的數(shù)控零件機械加工設(shè)計方法設(shè)計機械零件的生產(chǎn)加工流程及參數(shù)，能精準(zhǔn)設(shè)置零件各項加工數(shù)據(jù)，優(yōu)化刀具姿態(tài)和主軸夾角，實現(xiàn)了數(shù)控零件加工動力學(xué)與工藝學(xué)的完美結(jié)合。在保證零件加工質(zhì)量的前提下，大幅提高了作業(yè)效率。通過測試實驗可知，相比較傳統(tǒng)的手繪數(shù)控零件設(shè)計方法和PS數(shù)控零件機械加工設(shè)計方法，采用該方法的加工效率和加工精度更高，可達(dá)到最佳作業(yè)效果。

[1] 淡乾川.基于數(shù)據(jù)可視化的機械模具數(shù)控自動加工技術(shù)設(shè)計[J].流體測量與控制,2022,3(2):64-68,72.

[2] 葛紹建.探究機械加工技術(shù)中數(shù)控加工的應(yīng)用[J].石河子科技,2022(2):30-32.

[3] 蘇玉權(quán).精密箱體零件的數(shù)控加工[J].設(shè)備管理與維修,2022(6):99-100.

[4] 朱仁偉.機械制造產(chǎn)業(yè)中數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2022,58(2):187-189.

Machining design of CNC parts based on CAD

LI Baopeng

(Jinxiang Vocational Secondary School, Jining, Shandong 272200, China)

The traditional NC machining mode has the problems of long machining time and low efficiency. The operators use CAD drawing technology to analyze the machining surface of CNC parts, and import the analysis data into the CNC machine tool for machining operations, which can optimize the external tool attitude of the machine tool and accurately control the inner spindle fixture. By experimental test, compared with the traditional CNC parts processing mode of hand-painting and PS drawing, it has higher processing precision and takes less time by using CAD drawing technology to assist the CNC machining method, which can achieve the best working effect.

CAD; CNC parts; machining design

TP3

A

2096–8736(2022)06–0041–03

李保朋(1979—)，男，山東省金鄉(xiāng)人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向為機械加工設(shè)計教學(xué)。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍