基于ESPRIT的冰墩墩加工策略分析和研究.pdf
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1、 第4 1卷 第4期 佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)V o l.4 1N o.4 2 0 2 3 年0 7月 J o u r n a l o f J i a m u s iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l y 2 0 2 3文章编号:1 0 0 8-1 4 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 9 5-0 4基于E S P R I T的冰墩墩加工策略分析和研究杨 毅,陈心怡*,孙 亮(池州职业技术学院机电与汽车系,安徽 池州2 4 7 0 0 0)摘 要:针对复杂曲面零件 冰墩
2、墩模型的不同加工策略,综合运用等高粗加工、五轴复合加工和三维偏置精加工等方法,分析得出最优的加工轨迹并利用E S P R I T进行模拟仿真,编制加工工艺方案,设计加工刀具、切削参数和走刀方式等,最后利用HMC-2 0 0 i/5 a五轴机床对零件进行上机加工,从而进一步验证加工策略的合理性。关键词:冰墩墩;E S P R I T;加工策略;五轴加工中心中图分类号:T G 6 5 9 文献标识码:A0 引 言现代工业技术的快速发展对复杂零件加工的精密度和加工工艺提出了更高要求,需根据零件的不同特征进行有针对性的研究分析。诸多学者都做了大量研究,针对典型的复杂阶梯轴类零件(如汽轮机转子),袁带英
3、等根据其车削工艺性,利用E S P R I T数控编程软件实现了基于西门子8 0 4 D数控系统的转子数控车削1;针对盘类零件(如叶轮),杨洪斌以某型叶轮的五轴加工模块粗、精等多种加工策略为研究对象,基于E S P R I T软件以点带面展开多轴加工编程策略研究2;夏雨以航空叶片为例,在C I MAT R ON软件环境下利用五轴数控加工机床,完成航空叶片的加工工艺方案,设计了加工路线、铣削方式并生成刀具轨迹路线等工艺参数,并完成航空叶片的仿真加工3。“冰墩墩”作为一种典型的复杂曲面零件,其加工体现了数控多轴加工制造技术的应用,确保零件产品的使用性能、精度和寿命等。现以“冰墩墩”为分析对象,利用
4、E S P R I T软件加工模块,深入学习零件的各种加工策略,并根据零件不同的加工位置特点通过C AM设置合理的加工方法。通过运用E S P R I T软件紧跟国内外数控多轴加工技术的发展,从而为复杂零件的加工工艺和策略提供方法路径。1 走刀模式刀轨根据走刀模式可分为行切和环切两种,如图1所示。行切刀轨适用于简单型腔精加工或去除大余量的粗加工,相比于行切刀轨,环切加工方式大多使用投影法生成刀轨,刀具切削零件时沿着边界轮廓相似的路径走刀,适用于复杂型腔及曲面的加工。对于给定的刀具参数,各刀位点的最大加工行距由表面残留高度和局部曲率的影响。理想状态下的最大加工行距为式(1):m a x=|h(2
5、+h)(2r-h)(2+2r+h)(+h)(+r)(1)式(1)中,为曲面曲率半径,h为残留高度最大值,r为球头刀半径,当h时,可表达为4式(2):m a x=8hr/(+r)(2)2 冰墩墩的加工流程E S P R I T软件属于新一代车、铣复合C AM系统,具有较强的后台开放性,且拥有强大的数据接口5,在E S P R I T软件系统环境下以“冰墩墩”模型为例,编制“冰墩墩”零件加工流程,如图2所示。3 冰墩墩加工工艺方案冰墩墩面部含有多种复杂曲面,其作为一种整收稿日期:2 0 2 3-0 5-1 8基金项目:安徽省高校优秀青年人才支持项目(g x y q Z D 2 0 2 2 1 2
6、8),安徽省自然科学研究重点项目(2 0 2 2 AH 0 5 2 8 6 8);安徽省质量工程教学研究项目(2 0 2 1 j y x m 1 0 3 6、2 0 2 2 j y x m 1 0 9 3);安徽省教学团队项目(2 0 2 1 j x t d 1 9 9)。作者简介:杨毅(1 9 8 7-),男,安徽六安人,讲师,硕士,研究方向:数控加工技术。通讯作者:陈心怡(1 9 8 6-),男,安徽贵池人,副教授,硕士,研究方向:智能制造与仿真,图像处理。佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年体式零件,主要由面部、躯干、腿部、手臂和支撑底面五个部位组成。鉴于冰墩
7、墩面部特征复杂,研究冰墩墩加工策略时采用UG进行正向设计建模6。(a)行切走刀 (b)环切走刀图1 走刀模式图2 加工流程图3 装夹效果结合零件的结构特点,利用数控车床将铜棒车削至冰墩墩最大直径处,以减小铣削余量,然后将三 维 模 型 导 入E S P R I T软 进 行 后 置 处,生 成HN C 8 0 8 D系统的加工程序。考虑HMC-2 0 0 i/5型机床刀具相对工件的运动空间较为有限,采用螺栓固定方式将毛坯固定在回转工作台上。即直接在定位面上加工一个螺纹孔,通过螺栓将毛坯装夹在工作台上,这种方式易于实现、安全可靠,节省了因安装夹具而降低了Z向行程空间,如图3所示。4 加工工艺分析
8、通过对“冰墩墩”的整体分析,可以看出“冰墩墩”的曲面多、过度圆角小及部分曲面位置下刀空间小,这样在加工各曲面时易发生刀具路径干涉和碰刀现象,容易影响加工精度,根据“冰墩墩”结构及加工特点,在粗加工阶段选择等高开粗,联动半精的加工方法,提高粗铣效率;针对细节部分进行精加工,避免刀路干涉,确保细微轮廓加工的彻底性;根据铣削加工工艺要求,科学选择刀具、加工阶段和刀具路径,保障加工质量,具体设置如表1所示。表1 冰墩墩加工工艺过程序号工艺名称刀具刀号刀路轨迹加工效果1整体粗加工EM1 012躯干面半精加工BM6269第4期杨 毅,等:基于E S P R I T的冰墩墩加工策略分析和研究3躯干面精加工B
9、M434底平面精加工BM435臂曲面精加工BM246面部精加工BM244.1 冰墩墩整体粗加工策略粗加工策略采用“等高粗加工”模块,包括由上至下、由下至上、逼近三种,由于在粗加工过程中刀具和工件之间摩擦挤压程度比较大,“由上至下”6可实施逐层加工,从而减轻刀具和工件挤压过程中的受力变形。利用特征工具条创建并选择“冰墩墩”的自由曲面特征,在S m a r tT o o l b a r上选择铣削加工,子选项选择五轴铣削加工,确定等高粗加工策略;在E S P R I TC AM系统自带的刀库模块选择 1 0的平底刀,结合机床特性设置主轴转速为1 0 0 0 0 r/mm,进给速度为2 5 0 0 m
10、m/r,加工余量为0.3 mm,注意在刀路路径中加工策略选择优化抬刀,步距按照刀具直径百分比调整为3 0%,从而减轻刀具受力面积。4.2 冰墩墩躯干面半精加工半精加工加工策略采用“5轴复合加工”模块,具体步骤:首先选择在“铣削模具加工”中选择“5轴复合加工”,在一般设定里将加工刀具更换为B 6的球头刀,主轴转速设为1 2 0 0 0 r/m i n,进给速度设为2 5 0 0mm/m i n,零件加工余量为0.1mm,刀具路径样式选择利用螺旋投影控制,同时结合零件造型创建一个曲面作为驱动面如图4所示,“加工步距”选择恒定值设置为0.3 mm,刀具位置设为中心点投影在曲线上,刀轴控制方式选择驱动
11、面法向,加工策略如图5所示。图4 驱动面4.3 冰墩墩躯干面精加工冰墩墩躯干面的的组成结构复杂,为保证获得更高精度和加工质量,更完整的加工出躯干面轮廓,该阶段加工使用更小直径的球刀。具体操作:继续选择“5轴复合加工”,零件加工余量0 mm,刀具选择BM 4球刀,设置主轴转速为1 5 0 0 0 r/mm,进给速度为3 0 0 0 mm/r,选择步距恒定值更改为0.0 5 mm。为缩减加工参数工作,利用E S P R I T加工策略复制功能直接粘贴即可。4.4 底平面精加工底平面加工可以选择等高精加工模块和平行精加工模块,考虑底平面在冰墩墩脚部位置的下刀空间较小,为防止刀具碰到零件其他地方,加工
12、前需79佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年将底部特征的工作平面调整在合适的位置,这就要求机床A轴在一个固定角度下完成切削过程,由于脚部位置附近的Z向高度变化较多,采用等高精加工策略需要多次抬刀,这样容易产生明显的刀痕。相比之下采用平行精加工可以基于底平面的参数线特点控制刀具路径,Z向抬刀次数减少,底平面的精度更高。具体操作步骤:在铣削加工模式下,选择“平行精加工”,选用B M 4的球头刀,设置主轴转速为1 0 0 0 0 r/mm,进给速度为2 5 0 0 mm/r,步距控制在刀具直径的1%,刀路切向延申0.2 mm,其他设定可以通过软件基于加工平面默认匹配。图5
13、 加工策略4.5 臂曲面精加工 冰墩墩手臂呈一定斜角伸展,在前一阶段的躯干面精加工中,刀具受驱动面法向控制,根据零件造型可以判断在刀具加工手臂位置时机床A轴始终为9 0,这样会造成手臂部分曲面无法加工。考虑到未加工的曲面位置下刀空间有限、曲率半径小等特点,因此加工刀具选用直径更小的B M 2球头刀,同时选择五轴联动策略保证刀具能灵活控制,具体步骤:选择“5轴联动加工”,考虑刀具直径小,为提高切削效率,设置主轴转速为2 0 0 0 0r/mm,进给速度为2 0 0 0 mm/r,根据手臂曲面结构创建一个驱动面,步距设为0.0 5 mm,再创建曲线链特征控制刀具方向,其他设置参数默认匹配,如图6所
14、示。4.6 面部精加工面部是冰墩墩的最显著的特征部位,为获得更加清晰的效果,继续选用小直径BM 2球头刀对面部做最后处理,加工策略选择三维偏置精加工,该方法只有一个进刀点和退刀点,可以一次性连续切削面部曲面,加工精度高。具体步骤:在铣削模式子选项中选择“三维偏置精加工”,主轴转速和进给速度设置和上一策略相同,根据加工面轮廓设置偏置方式,步距控制为刀具直径2%,按刀具由内到外的加工方向,控制偏置方式在左侧,完成对面部的最终加工。图6 手臂驱动面4.7 虚拟仿真和上机操作加工策略制定完成后,需要对生成的程序进行校验,一是检查走刀路线是否合理,发现干涉路线,避免撞刀事故;二是通过仿真加工,检验加工效
15、果;三是通过调整走刀路径、加工参数,优化加工策略。仿真能对加工后产品尺寸形状和目标零件进行误差分析,最后将校验后的程序导入五轴机床进行试切加工,加工效果见图7。图7 加工效果(下转1 6 2页)89佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年1 6 李博,曲艺.中国沿海地区产业演化路径依赖及突破对区域经济韧性的影响J.地理学报,2 0 2 3,7 8(0 4):8 2 4-8 3 9.1 7 丁建军,王璋,柳艳红,等.中国连片特困区经济韧性测度及影响因素分析J.地理科学进展,2 0 2 0,3 9(6):9 2 4-9 3 7.1 8 L i u l b,M a r i s
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