順應(yīng)實際工藝系統(tǒng)的計算機輔助加工方法

朱弘峰，蔡池蘭

(上海第二工業(yè)大學 工學部 數(shù)字化制造工程中心，上海 201209)

順應(yīng)實際工藝系統(tǒng)的計算機輔助加工方法

朱弘峰，蔡池蘭

(上海第二工業(yè)大學 工學部 數(shù)字化制造工程中心，上海 201209)

分析了計算機輔助加工技術(shù)。從切削過程分析、建模仿真、數(shù)控系統(tǒng)裝調(diào)及優(yōu)化控制等技術(shù)環(huán)節(jié)進行了跨領(lǐng)域梳理，總結(jié)出計算機輔助制造的應(yīng)用要點。然后，結(jié)合實例進一步分析了先進切削加工的關(guān)鍵操作步驟及技術(shù)細節(jié)，揭示了先進切削技術(shù)的實質(zhì)，理清了從加工準備到過程控制的工藝執(zhí)行思路，找出了順應(yīng)實際工藝系統(tǒng)的計算機輔助加工實現(xiàn)方法，并指出了相應(yīng)技術(shù)培訓的新方向和新內(nèi)容。

先進切削技術(shù)； 建模仿真； 數(shù)控系統(tǒng)； 優(yōu)化控制技術(shù)

0 引 言

先進切削技術(shù)是先進制造技術(shù)的一項主要技術(shù)，是隨刀具技術(shù)和數(shù)控優(yōu)化控制技術(shù)的不斷突破發(fā)展而來的計算機輔助加工技術(shù)。所謂“順應(yīng)”實際工藝系統(tǒng)就是優(yōu)化整個工藝系統(tǒng)，目的是為了更準確地控制好切削發(fā)生的時間與位置，以更貼切的參數(shù)，有序地削去精心預(yù)留的毛坯材料，并在切削過程中獲得精確的零件尺寸、合適的表面效果、加工效率，甚至是熱處理后零件的表面質(zhì)量和機械性能[1]。關(guān)鍵就是優(yōu)化切削過程和操作過程。

以前，憑經(jīng)驗加工零件，先分析圖樣，根據(jù)零件機械強度要求選擇毛坯材料和熱處理條件；根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和材質(zhì)選擇刀具,確定加工參數(shù)[2]；根據(jù)企業(yè)實力選擇設(shè)備和具體工藝條件。加工過程主要依靠監(jiān)聽切削的聲音，目測排屑的性狀和主軸功率指示，用手觸探排屑邊緣光滑度、感受設(shè)備振動，統(tǒng)計加工周期和尺寸變化范圍等手段，人工反復(fù)調(diào)整生產(chǎn)狀況，直到獲得穩(wěn)定的加工狀態(tài)。

現(xiàn)在，許多基于高端數(shù)控系統(tǒng)專用軟件有力推進了先進切削技術(shù)的發(fā)展，用好優(yōu)化系統(tǒng)已成為切削過程實時優(yōu)化的關(guān)鍵[3]。而切削加工的本質(zhì)并沒有變，其幾何成形過程仍是毛坯余量形體去除過程，只是精細到每一片切屑的排列形式和切去過程，并伴有整個工藝系統(tǒng)經(jīng)歷的物理過程。所以，充分發(fā)揮優(yōu)化切削作用的關(guān)鍵就是通過操作手段精確控制工藝條件。為此，本文梳理了整個工藝系統(tǒng)的各個技術(shù)環(huán)節(jié)，進而為開發(fā)新型技術(shù)培訓課程出一點微薄之力。

1 計算機輔助制造

狹義的計算機輔助制造是指CAM，實際即指建模仿真。廣義的計算機輔助制造至少還包括了數(shù)控系統(tǒng)等一切電子裝置的實時控制過程。目前，幾乎所有的高端數(shù)控設(shè)備都開放其控制數(shù)據(jù)，以便用高級編程指令或軟件二次開發(fā)形式增加了優(yōu)化控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)切削參數(shù)動態(tài)優(yōu)化、刀具管理、遠程診斷、預(yù)防性維修，乃至工業(yè)4.0的底層數(shù)據(jù)采集等功能。有的甚至已升級為“仿控一體”智能數(shù)控系統(tǒng)。

1.1建模仿真

通過建模仿真能在加工前預(yù)知零件、刀具、夾具、設(shè)備等實體對象各自的形位關(guān)系和運動關(guān)系。目前常用的CAD/CAM軟件有UG NX、Cimatron、Mastercam、POWERMILL、SolidCAM、PRO/E等?？捎米髟O(shè)計工具、輔助操作和管理工具、工程分析與優(yōu)化工具，也有個案用作控制工具。操作過程包括零件、刀具、夾具、設(shè)備等建模，加工策略和刀具軌跡設(shè)計，欠過切及干涉情況仿真分析，針對實際數(shù)控設(shè)備完成自動編程和程序編譯等任務(wù)。

CAD/CAM軟件通過圖形交互式界面操作，輸入加工特征信息或定制數(shù)控加工策略。其中，加工特征是零件的信息組成單元，包括形狀信息和加工信息。分形狀特征、材料特征、精度特征、工藝特征、制造資源特征等[4](見圖1)。

圖1 加工特征的分類組成

加工策略的定制就是安排每一片切屑的形狀、位置與切離的次序，如圖2所示，通常指定為切削用量和下刀方式。根據(jù)刀具與工藝系統(tǒng)條件的選用，切削用量有3種選法：當工藝系統(tǒng)剛性不足，設(shè)備動力和刀具甲-側(cè)銑完成面，乙-順銑去除形體，丙-面銑去除形體，丁-面銑完成面，戊-側(cè)銑切屑展開，己-逆銑去除形體，庚-單片面銑切屑側(cè)銑時，切深大于切寬，左前側(cè)面采用順銑，自右向左逐片切去形體乙，留下面甲；與此類似，右前側(cè)面采用逆銑，自左向右逐刃切去形體己，每刃切去的形體如戊所示。端銑時切深小于切寬，每刃的切屑展開形體如庚，去除總量為丙的形體后形成面丁韌性足夠時，用強力切削；工藝系統(tǒng)剛性足夠，刀具耐磨性足夠時，用高速切削；工藝條件充分，刀具強度、耐磨性都足夠時，提倡用高效率切削。下刀方式是指切入、切離、走刀與優(yōu)先方式的組合形式。具體選用視加工部位機械特性、結(jié)構(gòu)和工藝系統(tǒng)條件而定[5]。

圖2 切屑的形狀與位置

加工策略的定制需要人的經(jīng)驗，即要求用戶熟知加工對象、工藝條件和軟件的功能，并能通過人機界面操作完成特征描述和條件配對，盡量發(fā)揮不同軟件的獨特優(yōu)點[6]。

實切過程還有許多不能通過仿真發(fā)現(xiàn)的問題，如切削變形、夾緊變形、切削狀況的變化、排屑形狀與方向的變化及其對后續(xù)加工的影響等。這些都需在實際加工中加以優(yōu)化。

1.2過程優(yōu)化控制

數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)化控制技術(shù)能在加工過程中解決自適應(yīng)控制、熱-力補償控制等實時控制問題。加工過程優(yōu)化包括加工參數(shù)優(yōu)化、控制過程優(yōu)化和操作過程優(yōu)化，目的都是為了發(fā)揮新型刀具和數(shù)控設(shè)備的最佳性能，現(xiàn)在越來越需要依靠專用軟件來實現(xiàn)。

加工參數(shù)優(yōu)化是刀具和切削技術(shù)一直在研究的內(nèi)容，也是數(shù)控加工過程優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)[7]。目前采用物理仿真分析軟件對整個工藝系統(tǒng)進行優(yōu)化。如Delcam Vortex借助傳感器采集機床實際運行數(shù)據(jù)，分析機床動態(tài)性能，掌握工藝系統(tǒng)的特征參數(shù)，再分析刀具與設(shè)備的實際性能條件與加工特征的匹配性能，進行物理仿真，為整個工藝系統(tǒng)量身定制加工程序，巧妙實現(xiàn)優(yōu)化加工[8]。

數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)化控制技術(shù)，簡稱優(yōu)控，具有實時控制、自動補償?shù)裙δ堋Ｖ髁鲀?yōu)控系統(tǒng)有高端數(shù)控系統(tǒng)(如Siemens 840D系統(tǒng))、外掛式優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)(如OMATIVE ACM系統(tǒng)、KOMAT Tool scope)等。高端數(shù)控系統(tǒng)提供多種編程手段，進行軸監(jiān)控、補償或同步控制，實現(xiàn)優(yōu)化加工。外掛監(jiān)控系統(tǒng)能利用各種伺服系統(tǒng)實時控制數(shù)據(jù)分析多種切削加工過程中刀具的使用狀態(tài)，同時實現(xiàn)各種優(yōu)化控制和優(yōu)化管理。

早期操作優(yōu)化全憑個人經(jīng)驗?，F(xiàn)在依靠軟件，可使操作規(guī)范化、系統(tǒng)化、集中化、統(tǒng)一化，進而產(chǎn)生功能疊加效應(yīng)。如DMG ShopTurn車削操作軟件，采用二維圖形向?qū)?，只需專注完成輪廓定義、刀具選擇、切削方式和加工參數(shù)的確定，便可自動生成安全規(guī)范的加工程序，精確計算粗、精加工余量和刀具軌跡，杜絕程序輸入錯誤、不必要的空行程和后處理兼容性問題。大大提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

大隈的OSP suite同時具有輔助編程和優(yōu)控功能，采用3D建模，能夠邊仿真邊加工，因這些功能在同一臺設(shè)備上疊加，帶來了智能防撞、床身熱變形管理和動態(tài)補償、智能優(yōu)化等新功能。

綜上所述，先進切削技術(shù)的先進之處就在于通過優(yōu)化的工藝參數(shù)、控制方法、操作方式，實現(xiàn)優(yōu)化切削。切削的關(guān)鍵在于刀具，過程優(yōu)化的關(guān)鍵在專用軟件。如何用好刀具和軟件就是用好先進切削加工技術(shù)的關(guān)鍵。

2 先進切削加工技術(shù)

表1列出了數(shù)控加工過程中常用方法的比較。表中行間反映步驟關(guān)系，列間反映方法的升級。結(jié)合實際工藝經(jīng)驗梳理出如下關(guān)鍵操作步驟。工藝保障的要點如下各例所示。

2.1實際切削狀態(tài)參數(shù)的獲得

切削刀具的材質(zhì)、涂層和刀槽都是針對特定材料和加工目的設(shè)計的，切削參數(shù)選擇范圍一般比較狹窄。圖3所示為一組采用不同切削參數(shù)車削45鋼棒料端面的實例。圖3(a)所示為主軸轉(zhuǎn)速和進給率，S=1 400 r/min，f=0.2 mm；圖3(b)、(c)是以恒轉(zhuǎn)速車削端面的效果。根據(jù)表面粗糙度變化的分界位置可算出切削速度的臨界值；(c)外圈退刀痕說明較高速度切削時，刀刃擠壓已加工面發(fā)生過彈性變形，實測可知變形量。圖3(d)、(e)、(f)所示均為恒線速切削效果，(d)、(e)中部粗糙區(qū)域都變小，說明恒線速車削對表面質(zhì)量有利[9]；(d)所示切削深度太淺，表面粗糙；(e)所示切深與進給合適，表面效果好，排屑規(guī)則；(f)所示進給過慢，表面反而粗糙，排屑不暢，形狀和排出方向都難以控制。綜上所述，車削鋼件時，找到切削三參數(shù)臨界值，并在附近微量變化，切削各方面效果就有立竿見影的變化，合理選用，即獲理想效果。

表1 傳統(tǒng)數(shù)控加工和計算機輔助加工方法比較

(a)(b)(c)(d)

(e)

(f)

銑削屬于斷續(xù)切削，切屑形狀由切深、切寬、每轉(zhuǎn)進給3個維度的參數(shù)組成，見圖2。排屑是關(guān)鍵，策略是重點。如順銑和逆銑時，實際切削幾何角度并不總是由刀具幾何參數(shù)決定，而是隨著刀具與加工部位相位關(guān)系變化發(fā)生瞬態(tài)變化。如圖4所示，用同樣的刀具側(cè)銑和端銑相同零件，圖4(a)所示加工區(qū)域全是順銑區(qū)，刀具是刀尖先切入零件材料的，瞬時實際周向前角較大；圖4(b)所示加工區(qū)域存在部分逆銑區(qū)，刀具前刀面先與零件材料發(fā)生撞擊，瞬時周向前角為負。顯然，排屑狀況和切削時的力學過程都不同。好的策略不僅能夠引導(dǎo)CAM軟件輕易地處理幾何運動，而且能控制每一刀的切入切出方向，和切削層的參數(shù)，使每一片切屑的形狀和形成過程都基本一致，由此帶來優(yōu)良的加工性能。

2.2零件定位狀態(tài)的保障

一臺嚴格定義坐標框架的數(shù)控機床實際無需對刀操作。直接按刀具、夾具實際長度設(shè)定偏置，并按圖設(shè)置工件坐標即可直接按調(diào)整法開始加工。應(yīng)用的實例如圖5所示。圖5(a)為車床系統(tǒng)提示的零件裝夾和端切示意圖；(b)為端切完畢零件與刀具位置；(c)為夾具坐標和零件坐標的實長偏置，可以發(fā)現(xiàn)機床坐標減去各坐標偏置值的差就是刀具實長。這時編程刀軌可以精確地落在待加工零件上。關(guān)鍵技術(shù)就是正確設(shè)置機床坐標原點[10]，四代以上數(shù)控系統(tǒng)都適用。

(a)(b)

圖4 不同切寬條件下材料切除過程

圖5 實長化對刀的方法與效果

2.3順應(yīng)實際加工的程序

圖6所示是關(guān)于合理使用系統(tǒng)功能的鉆孔案例?？纵S線不與出口面垂直，這會造成鉆穿時單邊鉆削力突增，使鉆頭偏移，破壞加工質(zhì)量，甚至斷刀。問題出在自動編程。鉆通孔有3個階段，定位、鉆孔和退刀。其中，鉆孔階段應(yīng)有起鉆、鉆深、鉆穿3個過程，而一般鉆孔循環(huán)只提供一個統(tǒng)一的進刀過程。采用同步動作指令[11]可解決此問題。

(a)(b)(c)

(a) 傳動鉆孔循環(huán)；(b) 鉆穿時增加同步動作；(c) 利用同步動作編程保證鉆孔質(zhì)量[12]

圖6 典型自動優(yōu)化鉆孔加工案例

2.4先進切削技術(shù)的培訓

先進切削加工技術(shù)的主要操作內(nèi)容就是針對工藝系統(tǒng)和加工過程本身的特點采取優(yōu)化措施。優(yōu)控技術(shù)的實踐培訓就是抓住建模仿真、優(yōu)控系統(tǒng)的使用或二次開發(fā)、工藝條件的保障，及對細化加工階段優(yōu)化編程等。技術(shù)環(huán)節(jié)的培訓為切削服務(wù)。切削過程培訓就關(guān)注過程現(xiàn)象、噪聲、振動、溫升、排屑、尺寸波動、表面效果、生產(chǎn)效率，及切削后的刀具等。這些能通過感官感知。關(guān)鍵要分析各種表面現(xiàn)象、優(yōu)化手段和加工效果之間的關(guān)聯(lián)，經(jīng)過梳理后總結(jié)成加工經(jīng)驗，形成能從特定的過程現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)條件信息的能力。

優(yōu)控系統(tǒng)的操作人員，實際充當了一個并聯(lián)校正環(huán)節(jié)，他們可以從系統(tǒng)外部進行干預(yù)，在問題發(fā)生之前就采取調(diào)整措施，干預(yù)或終止一個不穩(wěn)定切削過程。更重要的是在重新開始一個切削過程之前，他們能給出軟件無法自動得出的決策或參數(shù)。

3 結(jié) 語

先進切削技術(shù)的實質(zhì)是對切削過程的優(yōu)化。關(guān)鍵就是細化工藝階段，保障加工條件。要實現(xiàn)順應(yīng)實際工藝系統(tǒng)的計算機輔助加工，先輔助計算機找到切合實際的加工參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)，然后合理發(fā)揮系統(tǒng)功能，實現(xiàn)優(yōu)化加工。相關(guān)的技術(shù)培訓就需要精簡加工技能培訓，增強優(yōu)控技術(shù)的實踐，在實踐中培養(yǎng)研究解決問題的能力。長期堅持下去，匠心素質(zhì)就磨練出來了。

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Computer Aided Processing Method Conforming Practical Process

ZHUHongfeng,CAIChilan

(Centre of Digital Manufacturing Engineering,Faculty of Engineering,Shanghai Second Polytechnic University,Shanghai 201209,China)

While advanced manufacturing technology is subverting the traditional manufacturing methods,cutting technology is not sifted out,but also is gradually developed into advanced cutting technology,owing to unceasing breakthroughs of the cutting tool technology and numerical control technology.For this sake,the computer aided processing technology was re-analyzed by combing the technical links of cutting process analysis,modeling and simulation,NC system adjustment and optimization control technology.The key points of the computer aided manufacturing application were summed up.Then,the key operation steps and technical details of advanced machining were rther analyzed by examples,and these revealed the essence of advanced cutting technology.The method of computer aided machining is found to be suitable for the actual process system,and the new direction and new contents of the corresponding technical training were pointed out through a whole new viewpoint.

advanced cutting technology; modeling and simulation; numerical control system; optimization control technology

2016-10-08

國家自然科學基金項目(No.51305251)資助

朱弘峰 (1974-)，男，江蘇吳縣人，工程師，從事數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用、數(shù)控設(shè)備維修改造工程及相關(guān)實踐教學。

Tel.：13795356977; E-mail: hfzhu@sspu.edu.cn

蔡池蘭 (1976-)，女，湖北枝江人，副教授，從事機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和高速切削關(guān)鍵技術(shù)研究，及機械制造基礎(chǔ)課程教學。

Tel.：13651976267; E-mail: clcai@sspu.edu.cn

TG 659

：A

1006-7167(2017)07-0014-05