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)稱的旋轉(zhuǎn)刀具的原因。在相鄰表面產(chǎn)生了類似圓弧的加工痕跡，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)邊脊線組成，如圖10所示。 所謂的橫斷線被稱為底面脊線，交叉線被稱為邊脊線。 制造銳角轉(zhuǎn)角要求完成邊脊線和底面脊線。 3.2.1側(cè)面的刀具路徑的形成 產(chǎn)生邊脊線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。基于微型鉆孔器的型號(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，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總長(zhǎng)度的分界線的數(shù)量。因?yàn)橛覀?cè)面仍然有類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，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.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似圓弧的形狀并形成清晰的山脊線是必要的。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。切削參考線的形成決定于從粗加工后類似圓弧形狀殘余的地方到底步山脊線的參考線之間的最短距離。 切割點(diǎn)的產(chǎn)生基于每個(gè)參考線上的參數(shù)v。 系統(tǒng)由在底面的刀具軸線矢量N和沿著切削參考線時(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性化操作。 為了加工形成脊線的底面,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。 參考資料 (1)西塞爾J，一設(shè)計(jì)自動(dòng)化裝置的設(shè)計(jì)方法，先進(jìn)制造技術(shù)國(guó)際雜志,第18冊(cè),第11號(hào)(2001),pp.790-793. 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