薄壁件高速銑削的刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償

　　刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)，即是在有限元分析基礎(chǔ)上，根據(jù)模擬分析加工變形的大小，在數(shù)控編程時(shí)讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加連續(xù)偏擺，補(bǔ)償因變形而產(chǎn)生的讓刀量。通過刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償，可以將讓刀殘余材料切除，一次走刀即可保證薄壁件壁厚精度，從而達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)加工薄壁零件的目的。其基本思想即通過建立受力模型、變形模型及數(shù)控補(bǔ)償模型得到數(shù)控補(bǔ)償方案，從而保證薄壁件加工精度要求。因此，切削力模型和變形模型是精確實(shí)現(xiàn)刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)的基礎(chǔ)，而精確的變形分析又依賴于準(zhǔn)確的載荷模型。因此必須通過切削力實(shí)驗(yàn)，建立準(zhǔn)確的銑削力模型;然后，在精確迭代分析加工變形的基礎(chǔ)上，實(shí)施有效的刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償加工。

　　一、刀具切削力的計(jì)算

　　在實(shí)施刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償加工之前，首先要知道零件的加工變形量，即利用有限元技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行加工變形分析;而精確的變形分析又依賴于準(zhǔn)確的載荷模型(切削力、裝夾力、定位約束等)，其中關(guān)鍵是切削力的計(jì)算。不同的刀具及加工方法，有不同的切削力計(jì)算方法。在航空薄壁零件的加工中，以螺旋立銑刀加工居多。而對(duì)于螺旋立銑刀的受力模型，以沿著刀具螺旋線作空間狀態(tài)分布的銑削力模型為最佳(如圖1)。

　　二、銑削力大小及分布狀況

　　在加工薄壁零件過程中，通過理論分析及實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，薄壁零件的加工變形主要由徑向切削力引起。采用切削力模型來模擬計(jì)算銑削力大小及分布狀況。由此，可得到如圖2所示的瞬時(shí)徑向切削力空間分布圖。

圖2瞬時(shí)徑向切削力空間分布圖 圖3刀具和工件的有限元模型 圖4工件沿刀具軸線方向各節(jié)點(diǎn)變形

(a)刀具不傾斜時(shí)         (b)刀具傾斜時(shí)

圖5 刀具銑削示意圖

圖6 試件沿刀具軸線方向加工誤差曲線

　　三、加工變形模擬分析

　　本文選擇如圖3所示的薄壁結(jié)構(gòu)作為研究試件。工件材料為7075-T6，楊氏模量E=77Gpa,泊松比g=0.33;刀具型號(hào)為F1832E.W.16.Z3.26.45.W

　　對(duì)于加工變形的精確計(jì)算，需要綜合考慮工件和刀具在切削過程中的加工變形大小。在建模過程中，可以將工件簡(jiǎn)化為一個(gè)底端帶有固定約束的直側(cè)壁來進(jìn)行分析;而將刀具簡(jiǎn)化為一個(gè)懸臂梁。加載人切削力、約束以及輸人材料特性參數(shù)，并根據(jù)加工精度要求劃分單元網(wǎng)格(如圖3)。

　　在 ANSYS中對(duì)其模擬分析加工變形情況，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際加工測(cè)量結(jié)果如圖4所示。顯然，理論分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

　　四、刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償

　　通過加工變形模擬分析，得到的工件在加工過程中的變形分布狀況和趨勢(shì)。由于加工變形產(chǎn)生讓刀誤差，其結(jié)果必然產(chǎn)生一定的尺寸誤差(如圖5(a))。為了有效補(bǔ)償這種因上件剛性不足而產(chǎn)生的加工變形，可以讓刀具偏擺一定的角度(如圖5(b))。刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償，即是根據(jù)模擬分析加工變形的大小，在數(shù)控編程時(shí)讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加連續(xù)偏擺，補(bǔ)償因變形而產(chǎn)生的讓刀量。通過刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償，可以將讓刀殘余材料基本切除，一次走刀即可保證薄壁件壁厚精度。