基于Powermill的典型薄壁结构石墨电极高速铣削编程策略_周莉

2009年12月第37卷第12期

机床与液压

MACH I NE TOOL &HYDRAUL I CS

D ec 2009

V ol 37No 12

DO I :10.3969/j issn 1001-3881 2009 12 006

收稿日期:2008-12-10

基金项目:国家自然科学基金项目(50605008);广东省自然科学基金项目(8451063301001813)

作者简介:周莉(1975 ),女,汉族,湖北武汉人,讲师,博士,主要从事模具高速加工CAD /CAM 等方向的研究。电

话:137********,E -m ai :l lii z hou @163 co m 。

基于Po w er m ill 的典型薄壁结构石墨电极高速铣削编程策略

周莉1

,黄春英2

,王成勇3

,秦哲

3

(1 广东技术师范学院,广东广州510635;2 井冈山大学,江西吉安343009;

3 广东工业大学,广东广州510000)

摘要:针对薄壁结构石墨电极的结构特殊性,对将P ower m ill 软件应用于典型薄壁结构石墨电极高速铣削的刀具路径策略、刀具的切入/切出方式以及刀具路径的连接方式等编程策略进行了深入分析,并通过编程实例对P o w er m ill 软件的高速铣削编程策略进行了说明,为薄壁结构石墨电极高速铣削编程设计提供参考。

关键词:石墨;薄壁;高速铣削;编程;刀具路径

中图分类号:TG 659 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2009)12-018-3

H igh SpeedM illing Progra mm ing Strategies of Typical Thin -walled G raphite E lectrode Using Power m ill Soft ware

Z HOU L i 1

,HUANG Chuny ing 2

,WANG Chengyong 3

,Q IN Zhe

3

(1 Guangdong Polytechn ic N or m a lUniversity ,Guangzhou Guangdong 510635,China ;

2 Jinggangshan U niversity ,Ji an Ji a ngx i 343009,Ch i n a ;

3 Guangdong U niversity o fTechno logy ,Guangzhou Guangdong 510000,China)

Abstrac t :A ccord i ng to t he parti cular it y o f typ ica l thi n -w all ed g raph ite e lectrode ,the prog ra mm i ng stra teg ies for h i gh speed m il-l

i ng processw ere ana l yzed ,i nclud i ng t he too l path strateg ies ,l eading i n /out ,and the tool pa t h connec ti ons .A prog ra mm i ng examp l e w as used to ill ustra te the practica l applica ti on o f P o w er m ill soft w are i n high speed m illi ng of g raph ite electrode .

K eyword s :G raph ite ;Th i n -wa lled ;H i gh speed m illi ng ;P rogra mm i ng ;T oo l pa t h

0 前言

薄壁是石墨电极中的常见典型结构,在复杂模具加工领域有着广泛的应用。据石墨电极加工企业的调研资料表明,典型薄壁结构石墨电极由于形状特殊,具有高、薄、细、尖、脆等特点而难于加工,其高速加工过程中存在弹刀严重、容易发生边角崩碎、已加工表面质量和尺寸精度难以保证等亟待解决的关键技

术难题[1-3]

。高速加工CAM 软件的加工策略以及优

化是高速铣削工艺技术优化的重要环节[4]

。选用适合于薄壁结构石墨电极高速铣削的编程策略,决定了典型薄壁结构电极高速铣削加工的可能性、加工质量、加工精度及加工效率,是成功实现薄壁结构石墨电极高速铣削的关键环节。作者根据典型薄壁石墨电极高速铣削各道工序的工艺特点,结合加工实例,对Po wer m ill 软件常用于典型薄壁结构石墨电极高速铣削的编程策略进行了深入的分析和应用。

1 刀具路径生成策略

目前市场上常用的高速加工CA M 软件有Po wer -m ill 、C m i atron 、Space -E 、U nigraphics 、M asterca m 、

CAXA-M E (国产)和Super m an 2000(国产)等。Po w er m ill 是目前常用于石墨高速铣削加工的一种高

速加工CA M 软件,其刀具路径生成策略如表1所示。

表1 P o w er m ill 软件的常用刀具路径生成策略[5-6]粗加工

平行区域清除,偏置区域清除,轮廓区域清

除,自动平行粗加工,顺铣或逆铣加工 精加工

等高精加工,螺旋等高精加工,最佳等高精加工,三维偏置精加工,投影加工,平行精加工,放射精加工,摆线加工,参考线精加工,笔式清角精加工,自动清角加工

1 1 高速铣削工艺原则

典型薄壁结构石墨电极一般具有壁高、顶薄而尖和锥度小的结构特点,而且可能带有一定的复杂曲面和微细结构,因此,在进行高速铣削编程时,必须根据薄壁结构石墨电极的实体结构特征,设计合理的工艺路线,依次对具有不同特征的面和结构分别进行粗加工、半精加工和精加工来逐渐去除待加工余量。

高速铣削粗加工的主要目的就是实现单位时间的最大材料去除率,为半精加工和精加工预留出更均匀

的切削余量,使工件的加工表面形成接近半精加工的

外形轮廓。半精加工主要以平整粗加工后的表面轮廓为目标,从而获得均匀的精加工余量,此时应注意保持稳定和连续的切削过程,避免切削力冲击及频繁进退刀对工件和刀具破损的不利影响,并尽量延长刀具使用寿命。精加工时,刀具的切削过程应保持一致,以获得最好的表面加工质量,操作者可根据零件形状来选择最佳的复杂型面精加工操作。

1 2 粗加工刀具路径生成策略

在典型薄壁结构石墨电极高速铣削的粗加工中,

主要采用三维区域清除策略,该策略可根据三维曲面的形状定义行距,无论是对于平坦区域还是对于陡峭侧壁区域都可以获得稳定的刀具路径。三维区域清除策略又可细分为偏置区域清除(图1(a))、平行区域清除和轮廓区域清除三种策略。精加工前,必须首先应用区域清除策略,以切除大量的工件材料。可按照实体模型的特征加工,对于比较平坦的区域,宜采用平行区域清除加工;而对于陡峭的侧壁区域,则宜采用偏置区域清除策略;每个切面都可以进行轮廓加工,

以切除区域清除路径所留下的刀痕。

图1 刀具路径生成策略示意图

1 3 半精加工刀具路径生成策略

典型薄壁结构石墨电极高速铣削的半精加工通常采用的编程策略主要有等高精加工(图1(b))、投影加工策略(图1(d))和平行精加工策略等。在应用等高精加工策略时,可通过选取边界裁剪的保留外部,将刀具路径正确地裁剪到模型中的陡峭区域,可避免等高精加工刀具路径切入到浅滩区域而影响加工效率。投影加工可将加工策略很好地投影到零件上,所产生的刀具路径无论在浅滩区域还是在陡峭区域均具有相对固定的行距。对于平坦区域宜采用平行精加工策略。

1 4 精加工刀具路径生成策略

上述薄壁结构石墨电极高速铣削的半精加工编程策略也适用于精加工,只是要针对精加工来重新设定工艺参数。此外,还有几种适用于精加工的常用编程策略,比如三维偏置精加工(图1(e))、螺旋等高精加工(图1(c))、最佳等高精加工和笔式清角加工,这些策略可保证切削过程光顺、稳定,确保能快速切除工件上的材料,得到高精度、光滑的切削表面。

三维偏置精加工策略适用于由平面和陡峭曲面混合而成的模型,可得到完美的加工表面。还可使用三维螺旋偏置精加工策略,防止刀具在切削表面留下刀痕。正确使用边界可将三维偏置刀具路径限制在平坦区域,剩下的陡峭区域可留给等高精加工刀具路径来加工。螺旋等高精加工策略可使刀具负荷更稳定,提刀次数更少,可缩短加工时间,减小刀具破损概率,

还可改善加工表面质量,最大限度地减小精加工后手

工打磨的需要。最佳等高精加工策略是一个综合等高加工和三维偏置加工的混合策略,使用该策略时,陡峭的模型区域将使用等高加工,其他的模型区域则使用三维偏置加工。

由上述对于各种精加工的刀具轨迹生成策略的分析可知,在进行典型薄壁结构石墨电极的半精加工时,对于陡峭的侧壁区域,可选用等高精加工、等高螺旋精加工、三维偏置精加工和最佳等高精加工;对于较平坦的区域,可选用三维偏置精加工和平行精加工。

2 刀具切入、切出方式

图2 刀具切入切出方式

在进行典型薄壁结构石墨电极高速铣削编程时,不仅要考虑选用合适的刀具路径生成策略,同时还应考虑选用高效的刀具切入切出方式,尽可能地避免刀具的空程移动,极大地提高切削效率。刀具的切入切出方式不仅影响加工表面质量,同时也直接关系到加工的安全问题。通过平缓且连续地增加切削载荷,可以减小切削冲击,避免薄壁崩角和刀具破损。因此确定刀具的切入切出方式时,应尽量采用沿轮廓的切向

19 第12期周莉等:基于P o w er m ill 的典型薄壁结构石墨电极高速铣削编程策略

或斜向切入的直线式(图2(a))、圆弧式和螺旋式(图2(b))方式缓慢切入工件,以保持刀具轨迹光顺平滑,不会在工件表面的进退刀处留下驻刀痕迹,从而获得高的表面加工质量。

3 刀具路径连接

高速加工中的刀具路径连接是指在高进给速度时相邻刀具路径间的过渡连接方式,选取合理的刀具路径连接方法,可以尽可能地避免刀具的空程移动,缓

解刀具路径突然变化导致的切削冲击,极大地提高切削效率。进行典型薄壁结构石墨电极高速铣削编程时,可采用内切圆弧连接(图3(a)、内侧或外侧圆环过渡移刀(图3(b))和高尔夫球杆头式移刀(图3(c))等方式进行行切中的行间移刀和环切中的环间移刀,采用螺旋式移刀进行环切和层间的空间螺旋移刀(图3(d))

等。

图3 刀具路径连接方式

4 典型薄壁结构石墨电极高速铣削编程实例

图4是采用Po wer m ill 软件对某典型薄壁石墨电极进行高速铣削编程的设计实例。根据前述的高速铣削工艺原则,结合该零件的形状和结构特点,可制订以下工艺路线:(1)对毛坯进行轮廓粗加工,去除侧壁的大部分余量,并对电极基准进行粗铣(图

4(a));(2)进行顶面半精加工(图4(b));(3)进行侧壁半精加工(图4(c)),使石墨薄壁的形状接近精加工轮廓;(4)进行顶面和侧壁精加工(图4(d));(5)进行基准精加工(图4(e));(6)进

行直壁精加工(图4(f))。

(下转第23页)

20 机床与液压第37卷

大负载进行了测试,室温条件下将载荷增加到

31 85N ,此时的平均速度降低到0 1964r/s ,当载荷继续加大到34 3N,蜗轮蜗杆停止转动,速度为0。

在图6中,当载荷增加,电机电流明显增高。以温度0 为例,当载荷从0增加到19 6N,平均电流值增加了4 11倍。

2 3

效率分析

图7 不同温度下的效率值如图7所示为不同温度下载荷分别为9 8N 和19 6N 的效率曲线。由图7可知随着温度的降低,效率降低,例如在-15 ,效率值不足14%。而且在0 以

下效率下降幅度更大。

可预知,在温度低于-15 后效率会更低,而且低温对蜗杆传动性能的影响非常明显。2 4 固体润滑

固体润滑在高真空工作环境下不存在挥发问题,润滑系统不需要密封,免去了机构的密封设计,而且在很宽的温度范围内其摩擦学性能不变,即摩擦学性能对温度不敏感,机构在轨工作无需温控。设计的蜗轮蜗杆副采用物理气相沉积方法进行M oS 2固体润滑表面改性处理。如图8所示为在常温常压条件下,蜗

杆传动采用固体润滑磨损情况。

图8 固体润滑的磨损

由图8可以看出,采用固体润滑的蜗轮磨损严重。齿面上的固体润滑薄膜被挤压掉,使得蜗轮与蜗

杆之间没有润滑介质而直接接触,继而加剧了磨损。

3 结论

通过试验得到以下结论:

(1)采用脂润滑的蜗杆传动获得了成功,而采用固体润滑的蜗杆传动失效。

(2)温度和负载是影响蜗杆传动性能的重要因素。(3)空间低温状态下,蜗轮蜗杆传动系统出现最恶劣工况,效率最低,功耗最大。

(4)以低温状态的效率作为蜗轮蜗杆传动系统的设计基础,确定电机输出扭矩、减速比和工作载荷的关系,使得蜗轮蜗杆运动副能够在全部工作温度范围内满足全部工作载荷。

通过研究,给出了在大负载、高速度的工作条件下,传动效率和温度、负载、转速等条件的关系,对两种基本的润滑方式进行了试验与分析,为蜗轮蜗杆应用于空间环境奠定了坚实基础。

参考文献:

1 吴业鸿,张亚雄,等.蜗杆传动设计[M ].北京:机械工业

出版社,1986. 2 W illia m Purdy ,W illi am M cCown .P rac ti ca l exper i encesw it h w or m gear i ng for spacecraft pow er trans m ission appli ca tion [C].NASA Conference P ublica ti on ,1989.5:3020.

(上接第20页) 利用Po wer m ill 软件对该薄壁结构石墨电极进行高速铣削编程所得的刀具路径如图5所示。粗加工采用偏置区域清除策略(图5(a))。进行半精加工时,由于该电极的顶面是由平面和圆弧面组合而成,其半精加工可采用投影加工策略(图5(b)),而侧壁半精加工则采用的是等高精加工策略(图5(c))。进行精加工时,该电极的顶面和侧壁精加工采用最佳等高加工策略(图5(d)),基准精加工采用平行精加工策略(图5(e)),直侧面精加工采用了等高精加工策略(图5(f))。

5 结论

利用Po wer m ill 软件对典型薄壁结构石墨电极进行高速铣削编程时,可以根据各工序中待去除余量的分布及薄壁的形状和结构特点,选用适当的编程策略来安排粗加工、半精加工和精加工的刀具路径。典型薄壁结构高速铣削的刀具路径不仅要满足零件的尺寸和轮廓精度要求,同时还要考虑高速铣削工艺的加工细节,选择适当的刀具路径生成策略来改善切削条件,提高表面加工质量和加工精度,避免薄壁边角崩碎、刀刃破损或刀柄折断等现象。参考文献:

1 周莉.高性能石墨高速铣削加工研究[D ].广州:广东工业大学,2007.

2 王成勇,秦哲,等.石墨电极的高速加工[J].制造技术

与机床,2002(3):25-30. 3 胡周玲.薄壁石墨电极高速铣削工艺参数优化实验研究

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制造技术与机床,2003(2):25-29. 5 朱克忆.Powe r M ILL 数控加工编程实用教程[M ].北京:清华大学出版社,2008. 6 英国D e l ca m 公司网站:http ://www .de lca https://www.wendangku.net/doc/e72457061.html, .

23 第12期王永滨等:蜗轮传动空间润滑研究