基于CAD技術的數控零件機械加工設計

李保朋

基于CAD技術的數控零件機械加工設計

李保朋

(金鄉縣職業中等專業學校，山東 濟寧 272200)

傳統的數控加工作業模式存在加工時間長、作業效率較低等問題。操作人員利用CAD制圖技術對數控零件的加工面進行輔助分析，并將分析數據導入數控機床進行加工作業，能優化機床外部刀具姿態、精確控制內層主軸夾具。通過試驗證明，相較于傳統手繪和PS制圖的數控零件加工模式，采用CAD制圖技術輔助數控加工方法所花費的時間少、加工的精度高，可達到最佳作業效果。

CAD；數控零件；機械加工設計

采用傳統的數控加工模式進行機械零件生產存在加工效率低下、作業時間長等問題，由于過于依賴操作人員的經驗，易造成因數控機床幾何誤差過大導致的高轉速刀具變形、零件切削不穩定等問題。采用基于CAD技術的數控零件機械加工方法進行機械零件生產，能從幾何學和動力學兩方面兼顧零件的物理特性和零件加工的運動軌跡，精準控制刀具的主軸轉速，極大優化了機床的切削作業參數，即使在進行復雜的曲面零件加工時也能實現高速、高精度的弧長映射[1-2]。

1　基于CAD的數控零件機械加工技術設計

1.1　利用CAD技術曲面切割裁剪零件

葉輪型零件空間結構復雜，表面由多種平面與曲面構成，對葉輪型零件進行機械加工，不僅需要精確控制繁雜的工藝流程，對精度要求也十分高。采用基于CAD技術的數控零件機械加工方法設計葉輪型零件的加工參數，操作人員只需將采集的零件表面信息通過CAD曲面協調映射引入到數控機床即可進行作業。操作人員還可根據加工難點，合理利用CAD技術將加工殘留高度制成排布合理的有效覆蓋的曲面[3]。

采用CAD技術進行機械零件加工，可以將刀具軌跡以環形方式進行排布，并對刀具軌跡做出精準規劃[4]。操作人員利用水平儀可測得零部件的鋼度差與阻力數據，在綜合考慮曲面幾何特征以及物理性能后，可以計算出零部件在曲面映射下刀具軌跡操作時產生的靜態幾何誤差和動態輪廓偏差之間的動力學交互模型，計算公式如下：

式中：M為質量矩陣，為阻尼矩陣，為剛度矩陣，為振動向量，為數控零件刀具切削力，為時間，為靜態誤差和動態誤差處理的時滯參數。

處理薄壁零件曲面裁剪的刀具軌跡時，要綜合考慮零件的工件端在曲面協調映射的動態影響，因此需要對刀具軌跡的切觸位置進行實時追蹤，但由于實時的工藝阻尼特性難以獲取，所以需要將數控零件刀具切割作用的剪切力、曲面實時動態產生的剪切力、刀具切割數控零件在曲面映射通過犁切作用產生的犁切力、切削速度相關的過程阻尼力共同考慮到加工刀具的矢量變化中，表達公式如下：

式中：F為數控零件切割產生的剪切力，F為曲面實時獲取的剪切力，F為犁切作用產生的犁切力，F為過程阻尼力，為振動向量，為時間，為靜態誤差和動態誤差處理的時滯參數。

通過以上公式計算可將數控零件動態切割的變化與曲面的幾何關系進行關聯，使刀具軌跡在曲面的排布更精準。

1.2　優化數控零件加工的刀具姿態

1.3　精確控制數控零件主軸夾具

要使數控零件的幾何曲面具有穩定的邊界，除了需要優化外部刀具的姿態之外，還要精確控制零件內層的主軸夾層的角度。數控零件的主軸夾具需要確定具體的路徑拐點，避免在加工時產生較大的誤差。要對零件主軸進行誤差約束，就需要測定零件夾具內側弧長的參數，將弧長平均分為三個基準點，分別用A1、A2、A3表示，A1、A2、A3既是零件主軸夾具的平均點也是判斷恒定誤差的中間值，沿夾具的弧長曲線和零件主軸基本點設置作業精度范圍。通過對3個弧度曲面夾具點進行精確定位，使得零件夾層軌跡的運動呈現復雜的非線性映射，可以大幅提高零件表面的加工質量。

1.4　零件整體編輯與顯示

將編輯好的零件加工數據導入CAD圖層處理系統進行繪圖操作，便于對零件細節進行后續加工，操作人員只需在計算機上操作CAD軟件就能直接開展零件加工整體設計工作。

2　實驗測試

通過將基于CAD技術的數控零件機械加工方法與傳統手繪數控零件方法、PS操作數控零件方法進行對比實驗，可以全方位測試該方法的性能。

2.1　試驗準備

數控零件的外部刀具為直徑6mm的硬質合金刀具，坯料為2024鋁合金材料。數控零件加工機床型號為408S209R，該機床加工中心主軸轉速最高轉速達到42 000 r/min，最大進給速度為30 m/min，定位精度為0.1 m，重復定位精度為0.05 m。本次試驗采用Kistler911AA2W三向測力儀，三向測力最大值是4000 N，分別從水平30°、水平60°、水平90°測試加工精度。三向探測的靈敏度分別是25.57 pC/N、2.64 pC/N、26.12 pC/N，三向的固有頻率分別為4.3 kHz、4.6 kHz、4.4 kHz，工作溫度范圍是-20～70 ℃。該測力儀靈敏度高，不易受外界影響，可用于動、靜態的測量。本次測試頻率設置為15 kHz，選取某工廠的數控零件為樣本進行操作，實驗數控零件切削參數如表1所示。

表1　實驗數控零件切削參數

2.2　實驗結果與分析

通過將三種數控零件設計方法的完成時間進行比對，結果表明采用基于CAD技術的數控零件機械加工方法相較于傳統手繪法和PS設計法在設計效率上有著巨大的優勢，對比結果如表2所示。

表2　圖像數據預處理時間

3　結語

采用基于CAD技術的數控零件機械加工設計方法設計機械零件的生產加工流程及參數，能精準設置零件各項加工數據，優化刀具姿態和主軸夾角，實現了數控零件加工動力學與工藝學的完美結合。在保證零件加工質量的前提下，大幅提高了作業效率。通過測試實驗可知，相比較傳統的手繪數控零件設計方法和PS數控零件機械加工設計方法，采用該方法的加工效率和加工精度更高，可達到最佳作業效果。

[1] 淡乾川.基于數據可視化的機械模具數控自動加工技術設計[J].流體測量與控制,2022,3(2):64-68,72.

[2] 葛紹建.探究機械加工技術中數控加工的應用[J].石河子科技,2022(2):30-32.

[3] 蘇玉權.精密箱體零件的數控加工[J].設備管理與維修,2022(6):99-100.

[4] 朱仁偉.機械制造產業中數控加工技術的應用分析[J].現代制造技術與裝備,2022,58(2):187-189.

Machining design of CNC parts based on CAD

LI Baopeng

(Jinxiang Vocational Secondary School, Jining, Shandong 272200, China)

The traditional NC machining mode has the problems of long machining time and low efficiency. The operators use CAD drawing technology to analyze the machining surface of CNC parts, and import the analysis data into the CNC machine tool for machining operations, which can optimize the external tool attitude of the machine tool and accurately control the inner spindle fixture. By experimental test, compared with the traditional CNC parts processing mode of hand-painting and PS drawing, it has higher processing precision and takes less time by using CAD drawing technology to assist the CNC machining method, which can achieve the best working effect.

CAD; CNC parts; machining design

TP3

A

2096–8736(2022)06–0041–03

李保朋(1979—)，男，山東省金鄉人，大學本科，講師，主要研究方向為機械加工設計教學。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍