加工精度是指零件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)(尺寸、形狀及相互位置)與理想幾何參數(shù)符合的程度(分別為尺寸精度、形狀精度及相互位置精度)。其符合程度越高,精度愈高。反之,兩者之間的差異即為加工誤差。如圖1所示,加工后的實(shí)際型面與理論型面之間存在著一定的誤差。所謂“理想幾何參數(shù)”是一個(gè)相對的概念,對尺寸而言其配合性能是以兩個(gè)配合件的平均尺寸造成的間隙或過盈考慮的,故一般即以給定幾何參數(shù)的中間值代替。如軸的直徑尺寸標(biāo)注為φ100 0 -0.05 mm,其理想尺寸為99.975 mm。而對理想形狀和位置則應(yīng)為準(zhǔn)確的形狀和位置。可見,“加工誤差”和“加工精度”僅僅是評定零件幾何參數(shù)準(zhǔn)確程度這一個(gè)問題的兩個(gè)方面而已。實(shí)際生產(chǎn)中,加工精度的高低往往是以加工誤差的大小來衡量的。在生產(chǎn)中,任何一種加工方法不可能也沒必要把零件做得準(zhǔn)確,只要把這種加工誤差控制在性能要求的允許(公差)范圍之內(nèi)即可,通常稱之為“經(jīng)濟(jì)加工精度”。
圖1
數(shù)控加工的特點(diǎn)之一就是具有較高的加工精度,因此對于數(shù)控加工的誤差必須加以嚴(yán)格控制,以達(dá)到加工要求。首先就了解在數(shù)控加工可能造成加工誤差的因素及其影響。
由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成的機(jī)械加工工藝系統(tǒng)(簡稱工藝系統(tǒng))會(huì)有各種各樣的誤差產(chǎn)生,這些誤差在各種不同的具體工作條件下都會(huì)以各種不同的方式(或擴(kuò)大、或縮?。┓从碁楣ぜ募庸ふ`差。工藝系統(tǒng)的原始誤差主要有工藝系統(tǒng)的幾何誤差、定位誤差、工藝系統(tǒng)的受力變形引起的加工誤差、工藝系統(tǒng)的受熱變形引起的加工誤差、工件內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的變形以及原理誤差、調(diào)整誤差、測量誤差等。
在交互圖形自動(dòng)編程中,我們一般僅考慮兩個(gè)主要誤差:一是刀軌計(jì)算誤差,二是殘余高度。
刀軌計(jì)算誤差的控制操作十分簡單,僅需要在軟件上輸入一個(gè)公差帶即可。而殘余高度的控制則與刀具類型、刀軌形式、刀軌行間距等多種因素有關(guān),因此其控制主要依賴于程序員的經(jīng)驗(yàn),具有一定的復(fù)雜性。
由于刀軌是由直線和圓弧組成的線段集合近似地取代刀具的理想運(yùn)動(dòng)軌跡(稱為插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)),因此存在著一定的誤差,稱為插補(bǔ)計(jì)算誤差。
插補(bǔ)計(jì)算誤差是刀軌計(jì)算誤差的主要組成部分,它造成加工不到位或過切的現(xiàn)象,因此是cam軟件的主要誤差控制參數(shù)。一般情況下,在cam軟件上通過設(shè)置公差帶來控制插補(bǔ)計(jì)算誤差,即實(shí)際刀軌相對理想刀軌的偏差不超過公差帶的范圍。
如果將公差帶中造成過切的部分(即允許刀具實(shí)際軌跡比理想軌跡更接近工件)定義為負(fù)公差的話,則負(fù)公差的取值往往要小于正公差,以避免出現(xiàn)明顯的過切現(xiàn)象,尤其是在粗加工時(shí)。
在數(shù)控加工中,相鄰刀軌間所殘留的未加工區(qū)域的高度稱為殘余高度,它的大小決定了加工表面的粗糙度,同時(shí)決定了后續(xù)的拋光工作量,是評價(jià)加工質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。在利用cad/cam軟件進(jìn)行數(shù)控編程時(shí),對殘余高度的控制是刀軌行距計(jì)算的主要依據(jù)。在控制殘余高度的前提下,以zui大的行間距生成數(shù)控刀軌是率數(shù)控加工所追求的目標(biāo)。
在加工塑料模具的型腔和模具型芯時(shí),經(jīng)常會(huì)碰到相配合的錐體或斜面,加工完成后,可能會(huì)發(fā)現(xiàn)錐體端面與錐孔端面貼合不攏,經(jīng)過拋光直到加工刀痕*消失仍不到位,通過人工拋光,雖然能達(dá)到一定的粗糙度標(biāo)準(zhǔn),但同時(shí)會(huì)造成精度的損失。故需要對刀具與加工表面的接觸情況進(jìn)行分析,對切深或步距進(jìn)行控制,才能保證達(dá)到足夠的精度和粗糙度標(biāo)準(zhǔn)。
使用平底刀進(jìn)行斜面的加工或者曲面的等高加工時(shí),會(huì)在兩層間留下殘余高度;而用球頭刀進(jìn)行曲面或平面的加工時(shí)都會(huì)留下殘余高度;用平底刀進(jìn)行斜面或曲面的投影切削加工時(shí)也會(huì)留下殘余高度,這種殘余類同于球頭刀作平面切削。下面介紹斜面或曲面數(shù)控加工編程中殘余高度與刀軌行距之間的換算關(guān)系,以及控制殘余高度的幾種常用編程方法。
1.平底刀進(jìn)行斜面加工的殘余高度
對于使用平底刀進(jìn)行斜面的加工,以一個(gè)與水平面夾角為60°的斜面為例作說明。選擇刀具加工參數(shù)為:直徑為8mm的硬質(zhì)合金立銑刀,刀尖半徑為0,走刀軌跡為刀具中心,利用等弦長直線逼近法走刀,切深t為0.3mm,切削速度為4000r/min,進(jìn)給量為500mm/min,三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng),利用編程軟件自動(dòng)生成等高加工的nc程序。
(1)刀尖不倒角平頭立銑刀加工
理想的刀尖與斜面的接觸情況如圖2所示,每兩刀之間在加工表面出現(xiàn)了殘留量,通過拋光工件,去掉殘留量,即可得到要求的尺寸,并能保證斜面的角度。若在刀具加工參數(shù)設(shè)置中減小加工的切深t,可以使表面殘留量減少,拋光更容易,但加工時(shí),nc程序量增多,加工時(shí)間延長。這種用不倒角平頭刀加工狀況只是理想狀態(tài),在實(shí)際工作中,刀具的刀尖角是不可能為零的,刀尖不倒角,加工刀尖磨損快,甚至產(chǎn)生崩刃,致使刀具無法加工。
圖2
(2)刀尖倒斜角平頭立銑刀加工
實(shí)際應(yīng)用時(shí),刀具的刀尖倒角30°,倒角刃帶寬0.5mm的平頭立銑刀加工進(jìn)行分析。刀具加工的其他參數(shù)設(shè)置同上,加工表面殘留部分不僅包括分析(1)中的殘留部分,而且增加了刀具被倒掉的部分形成的殘留余量aeb,這樣,使得表面殘留余量增多,其高度為e與理想面之間的距離為ed,如圖3所示。
圖3
而人工拋光是以谷e、f為參考的,去掉e、f之間的殘留(即去掉刀痕),則所得表面與理想表面仍有ed距離,此距離將成為加工后存在的誤差,即工件尺寸不到位,這就是錐體端面與錐孔端面貼合不攏的原因。若繼續(xù)拋光則無參考線,不能保證斜面的尺寸和角度,導(dǎo)致注塑時(shí)產(chǎn)品產(chǎn)生飛邊。
(3)刀尖倒圓角平頭立銑刀加工
將刀具的刀尖倒角磨成半徑為0.5mm的圓角,刃帶寬0.5mm的平頭立銑刀加工狀況的比較可以發(fā)現(xiàn),切削狀況并沒有多大改善,而且刀尖圓弧弧刃磨時(shí)控制困難,實(shí)際操作中一般較少使用,如圖4所示。
圖4
通過以上分析可知:在使用平底刀加工斜面時(shí),不倒角刀具加工是的狀況,拋光去掉刀痕即可得標(biāo)準(zhǔn)斜面,但刀具極易磨損和崩刃。實(shí)際加工中,刀具不可不倒角。而倒圓角刀具與倒斜角刀具相比,加工狀況并沒有多大改進(jìn),且刀具刃磨困難,實(shí)際加工時(shí)一般很少用。在實(shí)際應(yīng)用中,倒斜角立銑刀加工是比較現(xiàn)實(shí)的。現(xiàn)在對該情況就如何改善加工狀況,保證加工質(zhì)量作進(jìn)一步探討。
(1)刀具下降
刀尖倒斜角時(shí),刀具與理想斜面zui近的點(diǎn)為e,要使e點(diǎn)與理想斜面接觸,即e點(diǎn)到a點(diǎn),刀具必須下降ea距離,這可以通過準(zhǔn)備功能代碼g92位置設(shè)定指令實(shí)現(xiàn)。這種方法適用于加工斜通孔類零件。但是,當(dāng)斜面下有平臺(tái)時(shí),刀具底面會(huì)與平臺(tái)產(chǎn)生干涉而過切。
(2)采用刀具半徑補(bǔ)償
在按未倒角平頭立銑刀生成nc程序后,將刀具作一定量的補(bǔ)償,補(bǔ)償值為距離ed,使刀具軌跡向外偏移,從而得到理想的斜面。這種方法的思想是源于倒角刀具在加工錐體時(shí)實(shí)際錐體比理想錐體大了,而加工錐孔時(shí)實(shí)際錐孔比理想錐孔小了,相當(dāng)于刀具有了一定量的磨損,而進(jìn)行補(bǔ)償后,正好可以使實(shí)際加工出的工件正好是所要求的錐面或斜面。但是這種加工方式只能在沒有其他側(cè)向垂直的加工面時(shí)使用,否則,其他沒有錐度的加工面將過切。
(3)偏移加工面
在按未倒角平頭立銑刀生成nc程序前,將斜面lc向e點(diǎn)方向偏移ed距離,再編制nc程序進(jìn)行加工,從而得到理想的斜面。這種方法先將錐體偏移一定距離使之變小,將錐孔偏移一定距離使之變大,再生成nc程序加工,從而使實(shí)際加工出的工件正好是所要求的錐面或斜面。
2.用球頭刀進(jìn)行平面或斜面加工時(shí)的殘余高度控制
在曲面精加工中更多采用的是球頭刀,以下討論基于球頭刀加工的行距換算方法。 圖5所示為刀軌行距計(jì)算中zui簡單的一種情況,即加工面為平面。
圖5
這時(shí),刀軌行距與殘余高度之間的換算公式為:
其中:h,l分別表示殘余高度和刀軌行距。在利用cad/cam軟件進(jìn)行數(shù)控編程時(shí),必須在行距或殘余高度中任設(shè)其一,其間關(guān)系就是由上式確定的。
同一行刀軌所在的平面稱為截平面,刀軌的行距實(shí)際上就是截平面的間距。對曲面加工而言,多數(shù)情況下被加工表面與截平面存在一定的角度,而且在曲面的不同區(qū)域有著不同的夾角。從而造成同樣的行距下殘余高度大于圖5所示的情況,如圖6所示。
圖6
圖6中,盡管在cad/cam軟件中設(shè)定了行距,但實(shí)際上兩條相鄰刀軌沿曲面的間距l(xiāng)'(稱為面內(nèi)行距)卻遠(yuǎn)大于l。而實(shí)際殘余高度h'也遠(yuǎn)大于圖5所示的h。其間關(guān)系為:
由于現(xiàn)有的cad/cam軟件均以圖5所示的zui簡單的方式作行距計(jì)算,并且不能隨曲面的不同區(qū)域的不同情況對行距大小進(jìn)行調(diào)整,因此并不能真正控制殘余高度(即面內(nèi)行距)。這時(shí),需要編程人員根據(jù)不同加工區(qū)域的具體情況靈活調(diào)整。
對于曲面的精加工而言,在實(shí)際編程中控制殘余高度是通過改變刀軌形式和調(diào)整行距來完成的。一種是斜切法,即截平面與坐標(biāo)平面呈一定夾角(通常為45°),該方法優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單快速,但有適應(yīng)性不廣的缺點(diǎn),對某些角度復(fù)雜的產(chǎn)品就不適用。一種是分區(qū)法,即將被加工表面分割成不同的區(qū)域進(jìn)行加工。該方法不同區(qū)域采用了不同的刀軌形式或者不同的切削方向,也可以采用不同的行距,修正方法可按上式進(jìn)行。這種方式效率高且適應(yīng)性好,但編程過程相對復(fù)雜一些。