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外文翻譯
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
學(xué) 生 姓 名 孔湘成
班 級 B機(jī)制077
學(xué) 號 0710101703
指 導(dǎo) 教 師 趙海濤
外文資料名稱： Modeling and simulation of 5-axis milling processes
(用外文寫)
外文資料出處： CIRP Annals - Manufacturing Technology 58 (2009) 347–350
附 件： 1.外文資料翻譯譯文
2.外文原文
指導(dǎo)教師評語：
簽名：
年 月 日
- 15 -
五軸銑削加工的建模和仿真
E. Budak (2)*, E. Ozturk, L.T. Tunc
孔湘成譯
摘 要：
五軸加工廣泛用于加工復(fù)雜的表面。產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率因?yàn)楦叱杀镜臋C(jī)床和相關(guān)零件而顯得極其重要。過程模型可用于選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。盡管有很多關(guān)于銑削過程模型的研究，有關(guān)五軸銑床的卻不多。文章介紹了五軸銑削過程模型的幾何結(jié)構(gòu)、切削力和穩(wěn)定性。同時展示了模型在重要參數(shù)選擇上的應(yīng)用。一個完整的五軸加工循環(huán)可以使用一種為提取幾何參數(shù)而開發(fā)的使用方法來實(shí)現(xiàn)。
2009 CIRP
摘要：五軸銑床廣泛應(yīng)用于復(fù)雜表便的加工。機(jī)床刀具和部件的高成本使產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率顯得尤為重要。過程工藝模型可以用來選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。盡管有很多關(guān)于銑床過程模型的研究，其中有關(guān)五軸銑床的卻不多。本文介紹了五軸銑床的幾何模型，切削力模型和穩(wěn)定性模型。同時論證了模型在重要參數(shù)選擇中的應(yīng)用。使用一種為提取切削幾何而開發(fā)的使用函數(shù)來模擬一個完整的五軸循環(huán)。
關(guān)鍵詞：銑床 力 穩(wěn)定性
關(guān)鍵詞：銑削 力 穩(wěn)定性
1.簡介
由于其能夠加工復(fù)雜曲面的特性，五軸銑削已經(jīng)成為一種應(yīng)用廣泛的加工過程。多數(shù)情況下，這些應(yīng)用由于機(jī)床的高成本而需要較高的生產(chǎn)力。五軸銑削的生產(chǎn)力和加工質(zhì)量可通過使用過程模型來提高。然而，與其他加工不同，五軸銑削只能進(jìn)行有限的建模。本文的目的是展示在五軸銑削工藝參數(shù)的選擇來提高使用過程建模與仿真的工作效率。
Altintas和Engin[1]曾用于模擬一般銑刀的端面，并用于三軸銑削甚至五軸銑削的切削力和穩(wěn)定性計(jì)算。但是，額外自由度的存在，五軸銑削的所有流程模型所需要的工具部分參與邊界都更為復(fù)雜。五軸銑削中參與約束的計(jì)算主要通過非計(jì)劃分析方法來完成。例如，Larue和Altintas [2]使用ACIS[3]實(shí)體建模環(huán)境，以確定側(cè)翼區(qū)的銑削力仿真。金等人。[4]確定了參與區(qū)域使用Z-映射。Ozturk和Budak [5] 。另一方面，確定了參與地區(qū)分析能力，并模擬了切削力和刀具變形。
顫振是在5軸加工的主要限制之一。雖然銑削顫振穩(wěn)定性已被廣泛研究
解析[6-8]和模擬[9]，這已是非常有限 為球頭銑削和5軸車銑加工。Altintas等人。[10] 延長了分析加工機(jī)械模型穩(wěn)定性O(shè)zturk和Budak銑削而[11、12]包括效果的領(lǐng)導(dǎo)和傾斜角度,多用簡單的方法。
力和穩(wěn)定性均可使用模型規(guī)劃分析。在計(jì)劃階段,更好的工藝參數(shù)采用模擬。然而,在五軸加工過程中，參數(shù)刀具路徑在不斷變化。在這項(xiàng)研究中,這些參數(shù)使用程序得到了[13]提取銑削理念的刀位等的數(shù)據(jù)。當(dāng)所有CAD / CAM軟件提供了CL的文件,這個方法給出了實(shí)際方法模型整合的CAD / CAM系統(tǒng)。
在下一部分，五軸銑削的幾何機(jī)構(gòu)和力模型都作了簡要介紹。同樣展示了模型在引導(dǎo)和傾角選擇上的應(yīng)用。為顫振穩(wěn)定性分析中五軸加工、單——多頻的解決方案進(jìn)行了總結(jié)和用于一代的穩(wěn)定性圖解。最后一節(jié),提出了模擬的五軸加工循環(huán),說明案例。
2. 幾何和力模型過程
比傳統(tǒng)銑操作,五軸加工由于額外自由度而使幾何結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。在本節(jié)中,五軸加工了幾何作了簡要介紹。較為詳細(xì)的分析,可以發(fā)現(xiàn),在文獻(xiàn)[5]。二坐標(biāo)系統(tǒng)可以在模擬五軸加工過程。主持一個固定的坐標(biāo)系統(tǒng)在機(jī)床。tc由刀軸和兩條相互垂直的橫向斧(x)和(y)。FCNconsists F、進(jìn)給的表面法線,N和十字進(jìn)給、C、方向(圖1)。領(lǐng)先的旋轉(zhuǎn)角度的刀軸crossfeed軸,而傾角是繞軸就進(jìn)給的表面法線方向。領(lǐng)導(dǎo)和傾斜角度機(jī)械togetherwith磨幾何、切削深度、決定跨過訂婚地區(qū)之間的刀具、工件。在圖1,約定地區(qū)開始變化wst)和出口角沿wex刀軸是提出了一種代表案例。
刀具分為微分切割的元素確定不同接觸邊界(圖1)。參與模型[5]用來確定切割元素。微分切削力等的徑向、環(huán)和軸向方向如圖。2是根據(jù)當(dāng)?shù)氐男酒?寬度及厚度和當(dāng)?shù)厍邢髁ο禂?shù)。當(dāng)?shù)氐男酒穸群颓邢髁ο禂?shù)沿切割長笛變量根據(jù)浸泡角度w與z坐標(biāo)圖3中呈現(xiàn)的。
圖1.進(jìn)刀區(qū)域，開始和推出角度
圖2.幾何和微分切削力等工具
圖3.晶片厚度和力系數(shù)變化
切削力等進(jìn)行了計(jì)算,功率和轉(zhuǎn)矩通過整合參與部分內(nèi)部力量差的地區(qū)。工具利用撓度計(jì)算的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在地表刀具和力量產(chǎn)生分[5]。
2.1力模型結(jié)果
模型進(jìn)行了驗(yàn)證的力量有70多個切削試驗(yàn)[5]。力模型可用于領(lǐng)先的選擇以及傾斜角度。領(lǐng)導(dǎo)和傾斜的影響最大的角度對橫向切削力、Fmax xy,是一個具有代表性的仿真following-cut案例,如圖4。在切削深度和步驟都將5毫米,進(jìn)給量0.05毫米/牙齒,主軸轉(zhuǎn)速與cross-feed速度是1000元方向是否定[5]使用直徑12M,30度螺旋角和8度分前角的雙槽球型銑刀.工件材料是常用在航天工業(yè)的Ti6Al4V。
三種不同的領(lǐng)導(dǎo)和傾斜組合選擇圖。4、仿真,驗(yàn)證了切削試驗(yàn)。相比較,調(diào)查Fmax xy了模擬,如圖4。測量的變化和模擬切削力等在x,y和z方向的工具的一次旋轉(zhuǎn)了圖5為數(shù)據(jù)點(diǎn)2。代表全曲線的仿真結(jié)果而曲線標(biāo)示實(shí)驗(yàn)測量。這是看出模型的預(yù)測,兩者吻合較好測量。預(yù)測誤差分布的考試表現(xiàn)在圖5。
圖4.利用實(shí)測切削力等
圖5.力量和預(yù)測誤差分布
圖6.閥瓣上的動態(tài)力量元素l
3. 穩(wěn)定性模型
穩(wěn)定性模型、變化的投入和切割條件是考慮到把工具融入到閥瓣元素與厚度的Dz(圖6)。動態(tài)切削力等在x,y和z方向角參考的影碟機(jī)觀看鎢浸金屬元素計(jì)算方式如下:
（）（）（）] =() （1）
在達(dá)高度的閥瓣元素在表面正常嗎方向,提單(w)是激光強(qiáng)化閥瓣的定向系數(shù)矩陣[8]參考浸泡角度動態(tài)d .位移可表示為向量之間的差異當(dāng)前時刻的位移和一顆齒的期前(圖7):
= （2）
在t是齒型期。作為參考浸泡角度依賴于時間,提單(w)是一個時變周期定向系數(shù)矩陣。它可以表示為傅立葉級數(shù)擴(kuò)張如下[8]:
， （3）
根據(jù)傅里葉級數(shù)展開的定向系數(shù)穩(wěn)定,有兩處不同,制定方法[8]。在單縱模辦法只能定向系數(shù)的平均利用矩陣而單頻定向系數(shù)矩陣在超過一個周期內(nèi)解決。
3.1單縱模解決方案
在單縱模解、動力位移向量假定由只有顫振頻率風(fēng)險投資進(jìn)行支持。那時,可以被定義為從傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)和切削力等[11]:
（4）
Fx(t), Fy(t), Fz(t)是完全的動態(tài)切削力量和G傳遞函數(shù)在tc。如果式(1),是寫在formdisc元素和總結(jié)式。(4)用來替換動力位移向量,下面的特征值問題進(jìn)行：
（5）
由于光盤的元素?cái)?shù)量，包括在分析不知道，獲得穩(wěn)定圖使用迭代程序[12]。
在3-axis平結(jié)束銑削出發(fā),研究表明,單縱模解決方案提供了一個良好的結(jié)果除低徑向浸泡就工具直徑。然而,對于低徑向浸、穩(wěn)定圖被證明是受影響多[14]。
圖7.動態(tài)芯片的厚度
3.2多頻解決方案
在多高階的條件是解決方案,包括定向系數(shù)的表示。多種頻率的加法和減法的顫振頻率和通過頻率諧波的牙齒。在這種情況下,動力位移矢量在用TCS從傳遞函數(shù)的G和總量動態(tài)切削力等(15):
(6)
為解決方案,單縱模進(jìn)行式。(1)是總結(jié),并排的所有閥瓣元素和情緒智商。(6)用來替換動力位移向量。由此產(chǎn)生的特征值問題
既取決于顫振和牙齒通過頻率與單縱模的解決方案。數(shù)值多頻率的解決方案獲得穩(wěn)定圖[12]了。
五軸研磨精加工業(yè)務(wù),尤其用于在哪里徑向深度,即,跨過較低。因此,我們盼望能夠看到重要的多的穩(wěn)定性影響圖的基礎(chǔ)上在觀察到的平端銑削[14]。然而,受其影響鉛和傾斜角度和機(jī)械磨幾何、這些情感因素被禁止在五軸加工。這是由于這樣的事實(shí)的比例非切割到剪切時間在五軸加工較高就平端加工。這是體現(xiàn)在[12]定向系數(shù)的比較平端銑削和機(jī)械加工。
3.3．影響機(jī)床運(yùn)動學(xué)配置
如果兩個正交方向傳遞函數(shù)并不相等，進(jìn)給方向可能會影響顫動穩(wěn)定性。機(jī)床配置使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在道具面，導(dǎo)程和傾斜角度不影響進(jìn)給方向。然而,如果旋轉(zhuǎn)軸在桌子上的一面,進(jìn)給向量就一個慣性坐標(biāo)系(如下。MCS)可能會依賴于領(lǐng)導(dǎo)和傾斜角度(圖8a)。這些情況下,
傳遞函數(shù)測量必須導(dǎo)向考慮進(jìn)給方向。測得的方向傳遞函數(shù)H(iwc)
由導(dǎo)程和傾斜角度決定的TG矩陣來執(zhí)行，其FCN方向由MCS[12]決定：
(7)
3.4. 穩(wěn)定性理論模型計(jì)算結(jié)果
結(jié)果的穩(wěn)定性模型情況提出了一種用于工件材料AISI 1050鋼槽使用20毫米直徑磨機(jī)械。在模態(tài)測量數(shù)據(jù)的工具提示表1規(guī)定的數(shù)值。首先,領(lǐng)先的影響以及傾斜角度絕對穩(wěn)定限制使用單縱模方法體現(xiàn)在圖8b。3導(dǎo)程和傾角組合試驗(yàn)確定也暴露絕對穩(wěn)定范圍。為導(dǎo)程和傾斜的結(jié)合:(158,158)、穩(wěn)定性圖解使用單縱模和多頻率的方法產(chǎn)生。
研究發(fā)現(xiàn),所測得的顫振頻率低于預(yù)期的。這可能是由于這樣的事實(shí):最靈活的方式是表1給出了測量主軸模式,但在空轉(zhuǎn)的情況,切割時主軸的模態(tài)頻率可能會移動。基于這種觀察，靜態(tài)測量頻率在仿真被修改以配合預(yù)測結(jié)果。仿真分析方法沒有被修改模態(tài)數(shù)據(jù)與單縱模方法(hk0)、修改語氣數(shù)據(jù)與單縱模方法),hk0_mod多頻晶體方法與諧波(hk1_mod)一個了如圖9所示。我們可以發(fā)現(xiàn)達(dá)成更好的模擬穩(wěn)定圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果改性后模態(tài)數(shù)據(jù)使用。此外,觀察到利用高次諧波產(chǎn)生的沒有改變模擬穩(wěn)定圖。調(diào)整模態(tài)數(shù)據(jù),atime-domainmodel運(yùn)行[12]在幾個主軸的速度和給出了相應(yīng)的穩(wěn)定性限制在圖9。用功率譜的模擬位移來判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。頻率范圍和時間范圍得到的結(jié)果之間有一些由程序離散化造成的差異。在穩(wěn)定的點(diǎn)(a)和不穩(wěn)定的點(diǎn)(B)，由時域模型預(yù)測的道具功率譜在圖9中表示出來。
圖8.導(dǎo)程、傾斜的角度對進(jìn)給方向和穩(wěn)定性的影響
4.過程仿真
為模擬、切割幾何和條件必須被人知道的一般來說,盡管他們的變化,一直在五軸加工周期。研制出了一種實(shí)用的方法[13],是作了簡介紹這里描述這些參數(shù)識別,以模擬完整的周期。
4.1．識別切割條件
參數(shù),如下。切削深度,走、鉛和傾斜角度分析[13]表面尖端。最后,過程模型用于模擬在一定會讓人覺得模棱兩可刀具路徑處。在每個工具切削深度的本地切削通過下定決心
有關(guān)點(diǎn)在連續(xù)的刀具軌跡,如圖10。參考文件產(chǎn)生實(shí)習(xí)得到表面的信息化,運(yùn)用了08年領(lǐng)導(dǎo)和傾斜的角度對刀具路徑。設(shè)計(jì)表面信息被用于在計(jì)算領(lǐng)導(dǎo)和傾斜角度的傳球,并未完成。摘要為了應(yīng)用該方法[13]非棱幾何學(xué)(圖10b),粗糙的工件STL格式信息的渠道和獲得從CAD軟件。
在圖10、分P1,P2和P3代表相應(yīng)的方面,在指定的粗糙表面CL點(diǎn)。切學(xué)深度是P4與P5之間的距離。P5是原料表面和穿過P4的線的交點(diǎn)并與原料表面法線（n）是一致的。通過解析幾何參數(shù)的計(jì)算從CL文件的過程模型用于模擬中五軸循環(huán)。
圖9.穩(wěn)定圖(15、-15)的組合
圖10.提取的切削深度
圖11.工具軌跡模式和工件幾何形狀
圖12.切削深度,臺階等計(jì)算
圖13歲.Fmaxxy的變化和計(jì)劃進(jìn)給量
4.2．加工的壓縮機(jī)盤
銑削加工過程的壓氣機(jī)葉片列圖。11是用分析已有的方法[13]。工藝參數(shù)鑒定出CL文件和用于力模擬、與進(jìn)給調(diào)度。工件材料是Ti6Al4V。在粗略、未完成周期20和16毫米直徑的機(jī)械工廠采用進(jìn)給率為0.16和0.12毫米/牙齒,分別。領(lǐng)先并傾斜角度是108和108。裁斷深度的變化規(guī)律,為粗跨過經(jīng)過的每一個方面給出了一根圖12。分析計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證CAD軟件的樣本數(shù)據(jù)在5點(diǎn)。
未完成工序中，，在每個切割步驟接近200點(diǎn)時被模擬為每5個CL點(diǎn)。幾何參數(shù)的計(jì)算完全葉片以140 s而力模擬一個切割步驟沿著葉片需要160接一個220千兆赫雙核心的電腦。此外,進(jìn)給的調(diào)整,以保持Fmax xy幾乎恒定的在跨過是2毫米。模擬(sim)和測量經(jīng)驗(yàn)。)Fmax xy兩計(jì)劃(舒馬赫)和常數(shù)(缺點(diǎn)。)飼料情況下列圖。13歲。節(jié)省時間,25%的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用進(jìn)給調(diào)度。
5.結(jié)論
使用過程模型能夠提高五軸加工操作的生產(chǎn)效率和品質(zhì)。在本文中,介紹了為五軸銑削設(shè)計(jì)的切削力和震蕩穩(wěn)定性模型它們在進(jìn)程參數(shù)中的作用也在實(shí)例中得到證明。結(jié)果表明,我公司的文件可提取模擬五軸循環(huán)所需參數(shù)。使用這種方法,銑削力在這個周期可以模擬,并對進(jìn)給量可以預(yù)定縮短周期時間在刀片機(jī)械上列出了例子。該方法能很容易地結(jié)合CAD / CAM軟件的五軸加工仿真操作。
參考
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