機械設計外文翻譯-通過立式六軸控制并應用超聲振動加工銳角轉角【中英文WORD】【中文5570字】,中英文WORD,中文5570字,機械設計,外文,翻譯,通過,立式,控制,應用,超聲,振動,加工,銳角,轉角,中英文,WORD,中文,5570 通過立式六軸控制并應用超聲振動加工銳角轉角 這項研究提出了一種可以產生一個懸垂銳角轉角的新的加工方法。 對于傳統(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角是很難的，尤其是當其表面有不同的角度的時候。這是受進給方向和機床的電極結構必須與目標的輪廓對稱的限制。在本研究中，我們試圖采用新的加工方法來加工外表面的銳角轉角。 6軸控制加工適用于以任意位置和任意姿勢順著工件設置一非回轉刀具。在切削過程中，當刀具沿著進給方向切削時，超聲振動被應用在刀具的切削邊緣。當進行切削的時候，6軸(X、Y、Z、A、B和C)順著刀具在某一點的姿勢同時移動。從實驗結果中發(fā)現六軸控制超聲振動切削能在垂直面產生一銳角轉角。 關鍵字：六軸控制切割、計算機輔助設計/計算機輔助制造系統(tǒng)，微型鉆，垂直銳角轉角,超聲振動刀具。 1. 緒論 如果制造過程中的限制可以最小化或者消除，該產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刀具用在加工一含有垂直銳角轉角的模具中，對于能清楚獲得有尖銳邊緣線的目標形狀來說，這似乎是困難的。這是由于使用了與旋轉運動對稱的旋轉刀具的原因。在相鄰表面產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設置在某一角度，并轉動整個基準，或者靠將刀頭設置成某一角度并且進給切刀的頭部，如圖2(a)所示。在這個過程中，在工件底部的鋒利的邊緣和垂面被加工出來。 不過，如果對象是由兩個垂面組成的OHSC并且表面傾角是不一致的，由于在此過程中的切削方向是固定的并且僅僅局限于線性切割，目標形狀是很難達到的。因此，這就需要大量的夾具和裝備來夾緊工件、使工件在機床上保持正確的位置并且在加工的過程中支撐工件。 圖2 含有懸垂面的銳角轉角的加工方法 來生產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出一含有不同角度的OHSC。這需要6個自由度來充分地執(zhí)行可以產生目標形狀的加工。 在以往的研究中，超聲波振動被應用在車削可塑性材料和銑削玻璃纖維加強型材料上。應用超聲波振動的切削力大大減少。然而，在先前的過程中，工件被旋轉或者移向切削刀具，后來一次加工被限制用2到3軸控制。在其他領域的研究中，多軸控制機床習慣于一步完成一次加工，這就產生了擁有高精度、高質量和較少加工時間的工件成品。 在這項研究中，使用非旋轉切削工具結合超聲振動的使用的6軸控制切削，如圖2(C)所示。 它適用于審查OHSC構成方法的有效性。加工時，C軸和X，Y，Z，A或者B軸同時使非旋轉刀具旋轉。軸的運動是基于刀具的姿勢和已經開發(fā)的CAM軟件所產生的切削點。CAM系統(tǒng)產生一自由關聯的刀具路徑以保證切削過程的安全。6軸控制機床輕松地具備了加工OHSC的能力，是因為6個自由度使形成需要的產品外形得以充分發(fā)揮。 同時，考慮到點鉆刀具在切削操作中的尺寸和硬度，在使用超聲振動使切削力大大削減之后，其才得以利用。 2. 實驗程序 實驗步驟如圖3所示，其中工件安裝在6軸控制加工的工作臺中心。 bore byte tool安裝在使用了轉接器的超聲振動刀具上。 該超聲振動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，超聲波振動被應用在車削可塑性材料和銑削玻璃纖維加強型材料上。應用超聲波振動的切削力大大減少。然而，在先前的過程中，工件被旋轉或者移向切削刀具，后來一次加工被限制用2到3軸控制。在其他領域的研究中，多軸控制機床習慣于一步完成一次加工，這就產生了擁有高精度、高質量和較少加工時間的工件成品。 在這項研究中，使用非回轉切削工具結合超聲振動的使用的6軸控制切削，如圖2(C)所示。 它適用于審查OHSC構成方法的有效性。加工時，C軸和X，Y，Z，A或者B軸同時使非旋轉刀具旋轉軸的運動是基于刀具的姿勢和已經開發(fā)的CAM軟件所產生的切削點。CAM系統(tǒng)產生一自由關聯的刀具路徑以保證切削過程的安全。 6軸控制機床輕松地具備了加工OHSC的能力，是因為6個自由度使形成需要的產品外形得以充分發(fā)揮。 同時，考慮到點鉆刀具在切削操作中的尺寸和硬度，在使用超聲振動使切削力大大削減之后，其才得以利用。 2.1多軸機床工具和微型鉆孔器 被用來研究的6軸加工中心如圖4所示。 加工中心準備有多軸CNC加工刀具。該6軸控制機床有3個轉動軸A，B和C。它是由5軸控制加工中心再在主軸上加上一個C功能軸組成的，這種5軸加工中心有2個旋轉軸，即旋轉的可傾斜工作臺的A軸和旋轉的可標志工作臺的B軸。X、Y、Z的最小位移為1微米，A 、B和C軸的最小旋轉量是0.36弧度每秒。由于OHSC的切削，A軸用來確定邊緣面和銳角的傾角角度、B軸用來使工件轉動、C軸用來確定刀具的切削方向，X、Y軸來確定進給方向，同時，切削深度由Z軸確定。 圖5顯示了用于研究的非旋轉刀具(bore byte tool). 它通常是由經常用于6軸控制切削的鎢炭化物組成的。刀具的總長和直徑分別為70毫米和6毫米。 2.2超聲波振動工具 圖6是一種商業(yè)上可用的用于研究的超聲振動刀具(SB-150:電化鈷)。 該USV應用于切削工具。為了完成一次有效率的和有效的振動切削，振動方向必須與切削方向設置平行。 由于振動方向并不總是與進給方向平行，微型鉆孔器的姿勢就被設置了如同圖7(a)描述的，刀具軸參數T和刀具方向參數D分別被任務中的的旋轉和傾斜所修正。這些被修改到修正刀具軸參數T和修正刀具方向參數上，如圖7（b）所示。該刀具軸參數和刀具方向參數的改變在刀位轉換中被實施。 2.3計算機輔助設計/計算機輔助制造系統(tǒng) 6軸計算機輔助設計/計算機輔助制造系統(tǒng)的構成如圖8所示。目標輪廓的3D-CAD數據形成于此，必須根據目標形狀來挑選微 型鉆孔器類型。 中央處理器產生不相干涉的包含刀具與刀位信息的CL數據和有關目標形狀的3D—CAD數據。 圖7 微型鉆的振動方向的調節(jié) 后處理將中央處理器產生的CL數據轉化為與加工中心的坐標系統(tǒng)相匹配的6軸控制NC數據，這些信息由加工中心，設置信息，切削條件和振動條件組成。另外，為了保持加工中心的進給速度達到常數并使刀具路徑的背離最小化，要做所謂的線性操作。這就達到了保證產品表面，尤其是正在處理的曲面的光潔度的目的。 在CL數據轉換成NC數據之前，必須首先檢查CL數據的干涉情況，以保證加工過程中的安全性。如果在此階段檢查出干涉，要用中央處理器來對CL數據進行修改。 3.制造帶有懸垂面的銳角轉角 3.1確定刀具姿勢 為了表達9軸控制的超聲振動切削時整個刀具的姿勢，如圖9所示的微型鉆孔器的姿勢被切削點P的坐標、刀具的軸矢量T和刀具方向矢量D所指定。這種PTD坐標被轉換為NC數據并在加工過程中依次使用。 在應用超聲振動的六軸控制切削中，刀具的運動和姿勢的決定必須考慮到振動的方向。 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，刀具的姿勢要大幅度改變。 3.2刀具路徑的產生 產生OHSC的刀具路徑的方法可以描述如下： 該OHSC由兩個邊脊線組成，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。 制造銳角轉角要求完成邊脊線和底面脊線。 3.2.1側面的刀具路徑的形成 產生邊脊線的表面分別由左面和右面組成。在加工一銳角轉角的邊脊線過程中，加工左面和右面是必要的。圖11描述了產生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和目標形狀的要求，首先要做的就是側面的加工和刀具進給方向的選擇。產生邊脊線的鄰接表面用參數u,v表示。與參數v等價的固定曲線，產生于從表面的上方到底部的區(qū)域內。表面分離的數目輸入被輸入從而不斷產生切削點的數目。使用參數u的評估，每個相關線的切削點產生，因此切削點之間的距離將被放在指定的評定里。 在每個切削點改變刀具的姿勢，刀具在每一個從開始直到形成邊脊線間的切削點不斷移動。 雖然切削點之間彼此連接，為了獲取刀具路徑，由于刀具結構和目標產品的形狀的原因，僅靠一個方向而加工兩個相鄰邊是很難的。此外，刀具和工件之間可能發(fā)生干涉。 在這種情況下，刀具從加工左側面的路徑的起始點開始，結束于邊脊線形成的拐角處。 如此反復，直至到達形面的底部.切削深度取決于曲面曲線總長度的分界線的數量。因為右側面仍然有類似圓弧的形狀在其拐角部分殘留，所以右側面上也要進行同樣的處理。 為了形成清晰的邊脊線，程序幾乎和加工左側面是一樣的,因而切削終止點和左側面的加工終點是一樣的。最后點左邊加工，形成了明顯的山脊線.右側面的加工也用左旋刀具來處理。 側面的刀具路徑形成過程中，為了使振動方向平行于進給方向矢量F，刀具方向矢量D旋轉了10度。起點到終點的切削點的依次連接形成了刀具路徑。切削過程中的刀具姿勢取決于切削點的法向量N和進給方向矢量F。 刀具的進給方向矢量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，刀具切削頂點直接接觸底部脊線的位置， 在這種操作中，刀具的傾角對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程中，基于計算出來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。決定切削起點和切削終點的方法同產生邊緣脊線刀具路徑的方法是一樣的。 在多步法中，來自底面的斜度用參數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。 切割點的產生基于每個參考線上的參數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刀具在切削點的進給矢量F來決定切削過程中刀具的姿勢。刀具軸矢量T和刀具方向矢量可以分別表達為T=N和D=N*F。 切削起點因為近似圓弧形狀的殘留而得以呈現，并且它結束于已參考線上已形成的切削點的最后一點，沿著每個相鄰的切削點移動刀具就能形成刀具路徑。 4. 實驗結果 4.1對切削力的影響 切削力的測量是利用測力計電阻(9257B, Kistler Co ,Ltd)，從而以rms的形式對切削力進行平均和對其處理。加工受用USV和不用USV的引導。習慣的切削條件如下：400mm/min 的進給速度，分別為0.1，0.2，0.3的切削深度。振動條件如下：19KHZ的頻率，36的振幅和10度的轉角。已得到的計算結果如表1所示。從中可看出有USV切削時的切削力與沒有USV時的比較起來是非常小的。由于切削力大大減小，刀具的硬度可以在整個切削過程中保持。 4.2 OHSC的加工 切削實驗也用于研究新的加工工藝方法的有效性. 用于實驗的工件的大小是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模型應用在此實驗中，一種是帶有平面的OHSC，另一種是帶有曲面的OHSC。 側面由不同的傾角組成。位于切削起點的的表面傾角與切削終點的傾角是不同的。在此情況下 ，傾角在整個過程中不是統(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的球頭磨刀進行粗加工。加工進行到目標產品的輪廓幾乎形成的時候.如圖13（b）所示，由于類似圓弧形狀的殘留，目標形狀的角度不能很清楚的得到，要用USV輔助的6軸切削對平面進行修整。在此過程中，可根據自己的選擇將左側面或者右側面首先加工出來。 讓我們假定左側面已經加工了。 列入表2的切削和振動情況用于開發(fā)的CAM系統(tǒng)所產生的NC指令中。使用基于NC加工指令生成的凸輪發(fā)展計劃。加工完表面一側后，下一步使用一步法加工底面。 列入表2的切削條件應用于除了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行粗加工時的類弧形殘留.用右旋刀具對左側面進行加工。 完成了左側面的加工后，下一步對右表面進行加工，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）顯示的是切削實驗的結果。 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,要求進行多路徑的加工方法，因為這種方法適合曲面。 表二列出了用于此過程中的切削和振動情況。同樣，圖14(c)和圖14(d)分別是真實的加工和完成加工后的產品。 這次實驗的總時間是112分鐘，其中包括了粗加工時間。在整個過程中只用到一臺機床和一個工件。 在無旋刀具的正常切削速度勝任了切削速率之后應用超聲振動而提高切削速率，這一原因使切削效率大幅度改進。 5. 結論 實驗結果顯示，微型鉆孔器的使用是最佳的并且由于應用超聲振動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)現只用一臺機床就能應付產品從粗加工到完成的整個過程，這就使由于象將工件從一臺機床到另外一臺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 的已開發(fā)CAM軟件在這次研究中得以實驗上的驗證。 致謝 作者對Crisanto de la Cruz先生(MIRDC-DOST)和Tohru Ishida 先生(Elector-Communications大學)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)給予準許和幫助。 參考資料 (1)西塞爾J，一設計自動化裝置的設計方法，先進制造技術國際雜志,第18冊,第11號(2001),pp.790-793. (2)Moriwaki , TSHANMOTO，E和Inoue，應用超音波振動的柔性玻璃切割，CIRP年報,第41冊,第1號(1992), pp.141-144. (3)Takeyama, H.、 Iijima, N，玻璃纖維加強型塑料的機械性能和超聲波加工的應用，CIRP年報, 第37冊, 第1號(1998),pp.93-96. (4)Shamoto, E. 、 Moriwaki, T，橢圓振動切削的研究、CIRP年報,第43冊,第1號(1994),pp.35-38. (5)Moriwaki,T ，Shamoto、E，橢圓振動切削的研究，CIRP年報,第44冊,第1號(1995),pp.31-34. (6)Takeuchi, Y.、 Suzuki, H，使用多控制軸機床制造的高效準確性，日本和美國關于自動化的會議錄，美國機械工程師協(xié)會、ISCIEJ，7-10,1996,第1冊,pp.343-347. (7)Radzevich, S.P.、 Goodman, E .D，刻紋表面的多軸數控加工的效率，Nov.9-11，1998,pp42-56. (8)Morishige, K, Kase,K ，Takeuchi, Y，應用在5軸控制加工的2維C空間的無干涉路徑的形成,先進制造技術國際期刊、第13冊、第6號(1997),pp.393-400. (9)Morishige, K, Kase,K ， Takeuchi, Y,使用用超音波振動刀具的六軸控制的特征線加工、精密工程(ICPE)第10次國際討論會、日本橫濱、七月，18-20,2001,pp.249-2563 12