基于切削力模型的进给速度调节方法

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　　摘要:高速铣削加工过程中通常采用很高的主轴转速和很大的进给率速度,致使加工件的质量对切削力的波动十分敏感,因此,探讨对高速铣削加工中切削力进行有效控制的技术,不仅有助于合理制定高速铣削加工工艺,而且能够尽量发挥机床的加工性能从而提高加工质量和生产效率。
　　关键词:加工工艺;进给率;切削力
　　
　　一、引言
　　
　　传统的铣削加工模具型面时,通常采用等切削深度恒机床进给速度的加工方法,但是由于模具型面的复杂性和多样性,采取这种方法会导致刀具的切削环境的不断变化从而引起切削载荷的起伏不定,影响了工件加工质量,且传统的进给速度选择通常是根据生产加工经验和切削手册选取各加工极限条件下最小的安全进给速度,这使得刀具在整个的数控高速铣削加工中的绝大部分时间处于轻度载荷状态,不能充分发挥机床的性能,极大地降低了加工效率。进给速度控制可以分为在线方式和离线方式。在线的进给速度调节方法就是在加工过程中,实时采集各传感器信号,根据反馈结果对加工情况作出调整。该方法由于成本高昂和可靠性太低而基本无法实用。比较普遍采用的进给速度调节手段是依据某切削模型采用离线方式修正加工文件,对机床进给速度进行控制。实现对进给速度的合理控制,不仅可以保证理想的切削载荷,而且能够充分发挥机床进给系统的潜能,提高加工效率。
　　
　　二、进给速度调节的控制模型
　　
　　要对进给速度进行优化调整,就要建立优化的参照模型。目前在进行进给速度优化处理时,都是通过建立相应的控制模型,以此模型为约束条件对进给速度进行优化调节,其中最具代表性的控制模型是基于等切削体积的控制模型和基于切削力的控制模型。
　　
　　(一)基于等切削体积模型的进给速度控制
　　该方法假设加工过程中切削载荷和加工时候的材料去除率成正比,若保持加工中工件的材料去除率恒定则切削载荷将维持稳定。这方面的研究工作比较典型的有通过调节局部刀具位置的进给速度值,以维持加工过程中工件材料的去除率处于一个理想的稳定状态。
　　该方法由于计算简单,容易用软件方法实现,已经被一些CAM软件采用。然而由于该方法的假设只能在简单的二维直线走刀加工和圆弧走刀加工中成立,对于曲线加工或者更复杂一些三维曲面加工来说,切削载荷和切削体积成正比的假设不能成立。因此该方法具有一定的局限性。
　　
　　(二)基于切削力模型的进给速度控制
　　该方法首先建立一个切削力模型,模型中描述了进给速度与切削力之间的关系,其原理是当加工过程中其他切削参数发生变化的时候,通过调节进给速度作为补偿以保持切削载荷稳定,即以恒定的切削力作为约束条件对进给速度进行优化调整。切削力模型是实现该控制策略的基础,模型建立的好坏直接影响到进给速度计算的准确性。目前为止,国内外学者建立了大量的切削力模型,可以归纳为理论切削力模型和经验切削力模型两大类。理论模型抽象了切削过程中,刀具和工件之间的各种复杂几何和运动关系,建立切削的切削力模型由于太过复杂,而实际生产中无法应用。比较实用的是依据切削实验建立的经验模型,提炼出描述加工过程的几个切削用量,然后通过实验方法回归得到经验系数,建立切削力模型。
　　
　　三、进给速度调节的实现手段
　　
　　进给速度调节最终必须要反映到机床运动中,使得机床的运动情况按照预想的情况变化才是进给速度调节方法的目的。要使得机床运动遵照预想的进给速度曲线,通常有如下两种策略。
　　
　　(一)NC程序修正
　　依据切削模型计算得到的进给速度值,只有融入到NC加工程序中才能应用于实际生产。通常由加工中心的CAM系统得到的NC程序是在不考虑机床电机的物理性能(加减速性能)的理想情况下得到的,这就导致了实际加工效果与预期的出入很大,所以NC程序的修正过程需要考虑机床的动力性能,特别是加减速性能。机床伺服系统能力有限,不可能对进给速度变化做出理性情况的即时响应,因此在NC程序修正阶段必须要考虑加减速过渡阶段进给量。另外在NC程序中进给速度是阶梯状的,而理论计算得到的进给速度是连续的,因此如何在保证加工过程中刀具运动平稳性的前提下将进给速度值阶梯化也是NC程序修正中必需要考虑的问题。本文在对NC程序进行修改时,将对机床的动力性能进行分析,建立输入指令与实际输出的关系,进而以理想指令作为实际输出来反求优化的输入指令。
　　
　　(二)CNC插补控制
　　在CNC插补运动阶段若能实现插补步长的自适应设置,宏观上反映出来的就是实现了进给速度的自适应调节,不失为一种从根本上革新进给速度控制的方法。然而该方法在实现阶段难度很大,需要实现插补步长的形状自适应设置。然而现在的NC程序中己经没有了工件形状信息,只是一些简单的直线圆弧段拼接,无法设置形状自适应步长。曲线直接插补特别是NURBS曲线直接插补,包含较多的工件形状信息。目前曲线自适应插补算法和高性能CNC系统正受到国内外众多研究者的追捧。

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　　四、进给速度阶梯化分析
　　
　　经过初步优化的NC程序的每个刀位点都会对应一个进给速度,这虽与变进给速度数控加工的期望相符合,但是众所周知,频繁的变化数控机床的进给速度也存在如下的问题:首先,进给速度的剧烈变化将严重影响刀具寿命,频繁换刀会严重影响加工精度;其次,进给速度的剧烈变化必将导致机床各坐标轴运动速度的不断变化,若由此引起的坐标轴运动速度过高或速度变化过大时,将产生较大的几何轨迹误差,进而增加机床工作负荷,减少机床使用寿命;最后,由于机械运动部件存在惯性,进给速度的剧烈变化将导致机床响应滞后,严重影响了加工精度。因此在机床的启动、停止和速度变化时都必须以平滑的速度过渡,防止产生运动冲击而影响加工精度、机床和刀具的寿命。针对以上所述,需要对初步优化后的NC程序的进给速度进行进一步阶梯化,即给相邻的进给速度变化很小的一段刀位点设定一个进给速度,这样就可以将高频连续变化的进给速度优化为低频分段变化的进给速度,只要选择得当,铣削力的大小不会有太大抖动,而且满足了进给速度平滑过渡的要求。进给速度的分段优化主要有两个标准:
　　进给速度相近原则:即同一段内的进给速度值大小必须相近。这就产生两个约束条件:首先该段内的进给速度数列的均方差c必须小于给定值Cmax(这里我们取均方差上限为Cmax=0.01)。
　　其次由于实现进给速度分段时进给速度数列内的进给速度个数是逐步增加的,这就要求每个进给速度值加入进给速度数列时不能使该数列的均方差C变化过大,这里我们规定均方差的变化不能超过10%。
　　进给速度平滑过渡原则:即进给速度变化时所需的加速距离或减速距离sa必须小于刀具移动距离 S以保证进给速度的平滑过渡,否则分段优化失去意义。
　　
　　五、切削负载自适应方法展望
　　
　　恒切削负载加工不仅可使切削平稳可靠,而且可以保证高的加工效率和加工质量,因此一直是各国学者和工业界潜心研究的课题。在长期的研究和实践中,逐渐形成了两类方法。
　　一类是加工过程的自适应控制的方法,包括固定增益控制法、参数自适应控制法和智能控制法等,然而,由于种种原因比如反馈的及时性等,切削负载实时测量反馈加工过程自适应控制技术远没有达到实用程度,尤其不适用于复杂多变的自由曲面多轴铣削加工过程
　　无论是切削负载实时测量反馈的加工过程自适应控制方法,还是以加工过程仿真技术为基础的程序优化方法,基本上都是通过单纯地调节机床进给速度的方法来实现对加工过程切削负载的控制,实现的难度大且效果并不理想。而且,仅仅通过频繁地改变机床的进给速度,虽然提高了生产效率,一定程度上保护了机床,但是,高速加工中频繁的进给速度变动却会损坏工件的表面质量并加快刀具的磨损。进给率的变化过高,即变化过于频繁,将会导致走刀纹路的不均匀,因而不适用于高速加工发展的要求。
　　
　　参考文献
　　[1]张伯霖,杨庆东,陈长年.高速切削技术及应用.北京:机械工业出版社,2002.
　　[2]季国顺,数控系统参数曲线加工最大进给速度选择.农业机械学报,2007
　　[3]魏兆成,王敏杰.恒力侧铣加工的余量优化策略.大连理工大学学报,2008