1.3研究的目的和意义
研究目的和意义如下:
(1)车铣加工中心需求方面:国内外急需该产品,尤其航空、航天 等军工领域。由于车铣加X中心是属于高档数控机床,可以实现五轴 联动加工,不仅能完成复杂曲面加工,而能获得好的表面质量。如果 制造出高性能的车铣加工中心必然能够推动制造业的快速发展,因此为着满足各项需求,研究车铣加工中心是非常有意义的。
(2)正交车铣加工技术方面:由于正交车铣加工应用最为广泛,因 此本文只对正交车铣加工机理进行深入研究。正交车铣技术是一种先进加工方法,不仅能加工轴类零件、而且对复杂零件车铣加工也能很好 解决。因为它不仅能加工奇特的形状,而且能通过一次装卡完成所有或大部分零件的加工,其加工精度、加工效率都明显提高,因此对其进行机理分析具有理论研究价值。
(3)解决关键技术的手段方面:研究开发一台车铣复合加工中心 需要多种方案的反复比较及试验,也需要大量的技术投资和较长时间。 因此国内的机床制造企业常常无力进行此项开发研究工作。车铣复合 加工中心有其自身特点和要求,如何在设计阶段采用计算机建模与仿 真技术解决该机床的关键技术,是目前机床界采用该技术要研究的重 点,可在计算机上对其数学模塑或三维实体模型进行虚拟实验和样机 评价,其结果直接反馈修改设汁数学或三维实体模型。对实体机床的 实验和评价过程可以完全用计算机虚拟地进行,节约了大量样机试制 投资,也缩短了开发阊期。
(4)解决关键技术的必要性方面:从2009年和2011年的“高档数 控机床与基础制造装备”科技重大专项中可知,对车铣加丄中心的研 究,其内容包括产品设计与制造技术、机床动态特性研究、加工工艺技 术的研究、双功能车铣转台设计与制造技术研究。由此可见对车铣加工中心的两大关键技术(机床动态特性和加工性能)研究是非常有意 义的。
①动态特性的研究。车铣加工中心的结构动态特性是非常重要 的,直接影响到机床的加工精度。它包括关键部件动态特性和整机的 动态特性。从国内外参考文献可知:兰州理工大学谢黎明[631对车铣复 合加工中心主轴结构的有限元分析,只简单对车铣主轴静态和模态分 析;东北大学张耀满W和加拿大英属哥伦比亚大学YUZh〇ngCao[^67j 等人对主轴动态特性进行虚拟仿真,也都采用弹簧一阻尼单元代替轴 承支撑,但没有详细将轴承刚度和跨度对固有频率的影响规律以及轴 承刚度和阻尼对振幅的影响规律进行分析,本文将上述规律进行总结。
在整机动态特性分析中,华中科技大学王学林[7(U1]对高速加工中 心进行有限元分析,讨论了不同位置导轨的刚度变化对高速加工中心 固有频率的影响;杨晓京采用虚拟样机技术应用于机床的设计开 发,吴南星[52$]等人采用虚拟样机对数控机床进行运动学和动力学分 析。本文采用基于刚柔耦合系统的虚拟样机方法对车铣加工中心进行 激振仿真分析,这种方法是在虚拟样机技术基础上的推广,更接近实际 情况,进行研究是非常有研究意义的。
在车铣加工中心的动力学分析中,针对电机参数选择和零件设计 等问题,作者曾在3-TPS混联机床[47]中提出自己的创新方法,在这个 基础上将柔性体引人到虚拟样机中,此方法能更准确地预测车铣加工 中心的驱动力大小,因此具有实用研究的意义。②加工性能的研究。车铣加[:是一种先进的切削方法,不冋于普 通车削和铣削,但又存在相似之处。国内外专家和学者对通常车削和 铣削加工的切屑研究比较深人,既有理论建模,也有仿真和实验验i正。 但从历年发表关于车铣切屑研究的文献可知,很少有研究学者对其进行深入研究。其中沈阳理工大学姜增辉[121研究得比较早,也比较深 入,为车铣加工奠定了坚实的基础,但其更侧重工无偏心切屑建模,且 建模方法复杂;沈阳理工大学金成哲132],北京理工大学的刘克非[36]等 人对切屑的实验进行研究,但没有进行切屑理论建模与分析;德国的 H.Sdnilz1^1和斯洛文尼亚M. Pogadnkn6]利用实验等方法对切削加 工表面质M进行了研究,同时也提到叻屑的重要性;克罗地亚Skoric- Stephar^91利用车铣技术对旋转工件表面加工的可行性进行了研究,提 到切昶的大致形状。但到S前为止还没有完整的切屑建模,因此对车 铣切屑,允K偏心切削研究是非常重要的。
机床颤振会使加工过程变得不稳定,造成加工表面质量和金属切 削宇?的下降,严重时甚至会破坏刀具和机床。因此,颤振成为提高机床 加I:能力的最主要障碍之一。颤振是由于工件和刀具相对振动,而导 致切屑厚度时时变化。由于切削力与切屑厚度是成正比例,整个机床 模态发生自激振动,导致不稳定颤振发生如果不避开颤振,0 前颤振加工导致坏的加工表而,刀尖受损严重,主轴和工作台结构承受 大的动态载荷,因此切削力和颤振都是非常重要的。在车削和铣削对 切削力的研究比较成熟,但车铣加工中切削力的研究很少。沈阳理工大学的姜增辉[331对车铣无偏心切削力进行了理论预测,以瞬时切削面 积为主要研究对象建立了瞬时切削力的计算模型,并对瞬时切削力的 变化进行了仿真。吉林大学的马岩[34]利用球头铣刀对非轴对称工件 车铣加r的切削力建模与分析,计算车铣加工工艺参数对理论切削力 的影响规律;目前为止仍没有解决车铣加工时有偏心切削力的预测,同 时也没有对颤振进行研究,国内外都处于空由阶段。在普通的车削和 铣削方面,国外研究比较深入,如1990年,J.TIusty[76]等人提出机床非 线性颤振;1995—2004年,Y. Altintas177—8^90%教授分別提出单自由度、多自由机床加工颤振,以及球头铣刀三维颤振;针对铣刀螺旋角对颤振影响进行分析,但都没有对车铣 加工进行研究。山于车铣加工是出两根主轴同时旋转运动合成,闽此 进行探索研究是非常有意义的。
车铣表面的微观形貌是车铣基础理论研究的一个重要组成部分。 已加工表面形貌对工件成为机器零件后的使用性能有很人影响,有一 定规则的表面花纹模样可使模具表而的接触更趋均匀,提高模具表面 的耐磨性。表而形貌包括表而粗糙度,波纹度,纹理方向等参数。工件 已加工表面形成质tt最主要也是最基本的参数之一就是表面粗糙度, 它是反映零件表而上微观几何形状误差的一个重要指标,它主要是由 于在加1:过程中刀具和零件表而之间的摩擦,切屑分离时塑性变形和 金属撕裂,以及工艺系统中存在的高频振动等原因所形成的。通过长 期的生产实践使我们认识到,降低零件的表面粗糙度,保证配合的可靠 性和稳定性,是我们追求的目标,因此获得好的方法是非常重要的。国 内外对车铣加工表而粗糙度研究比较多,如土耳其的¥^^53708[61]利 用遗传算法对车铣加:1:表面粗糙度进行优化;刘克非1361对微小型车铣 加工表而粗糙度进行正交试验研究;姜增辉[12]分别对正交车铣铝合金 了件表而粗糙度和正交车铣已加工表面微观形貌进行模拟研究;潘家 华对正交车铣表面形貌的计算机仿真等。本文在无颤振条件下,通 过铣刀轨迹构造函数的方法对表面形貌和粗糙度进行仿真,分析车铣 加工中心表面形貌及粗糙度是很有意义的。
由上述研究目的和意义可知,通过对车铣加工中心釆用计算机建 模与仿真技术的研究,能实时、并行地模拟出机床的未来制造全过程及 其对加工中心设计的影响,预测机床的性能、成本和可制造性,从而有 助于更冇效、更经济灵活地组织生产,使工_厂和车间的资源得到合理配 置,并使生产布局更合理、更有效。釆用计算机建模与仿真技术可以在 设计阶段就进行验证,确保设计的正确性,避免损失,从而可以缩短产 品的研制周期,获得最佳的机床质量、最低的成本和最短的开发周期, 为此提出了本课题的研究。通过釆用计算机建模与仿真技术对该加工中心在实际投入生产之前对该机床的可制造性和可生产性等各方面性 能进行验证,然后对该机床结构优化,保证一次性生产成功,从而降低 成本、减少上市时间,提高企业的竞争力。W此,本课题利用计算 机建模与仿真技术对车铣加下中心的研究和应用是具有重要理论意义
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