高速铣削过程刀具加工路径的选择和优化技术

    0 引言

    数控加工过程中刀具相对于工件的运动轨迹称为走刀路径。走刀路径反映了工序的加工过程，确定合理的走刀路径是保证铣削加工精度和表面品质的重要工艺措施之一，也是确定数控编程的前提。

    影响走刀路径的因素很多，有工艺方法、工件材料及状态、加工精度及表面粗糙度要求、工件刚度、加工余量、刀具的刚度及耐用度、机床类型、工件的轮廓形状等。对于薄壁框类铝合金零件，其弹性模量为70GPa左右，约为钢的三分之一。由于弹性模量较小，屈强比大，在铣削加工过程中极易产生回弹，特别是大型薄壁工件，让刀和回弹更为严重。因此在相同外载荷作用下，铝合金材料工件比相同结构钢件变形大。不同的走刀路径对加工过程中残余应力的产生和分布趋势会产生不同的作用效果，加工路径的选择主要考虑被加工材料尽可能对称分布，以达到减小加工变形的效果。

    文中引入有限元中的单元生死技术来仿真材料的去除．通过单元生死时机的不同来实现走刀路径的变化．研究不同走刀路径下，铣削力对零件造成的变形。

    1 铣削力有限元分析

    1．1 分析方法

    仿真采用的材料为航空材料7050T7451铝合金，其杨氏模量E和泊松比口分别为71GPa和0.33为了便于进行分析，对工件的材料模型作如下约定：

    1)忽略铣削热对变形的影响。一方面是为了简化分析模型．突出铣削力对加工变形的影响，另一方面从生产实践来看，在采用数控铣削时．大量使用冷却液，降低了铣削热对变形的影响。

    2)假设铣削过程中，工件材料不发生粘塑性变形。实际铣削过程中．铣刀经过的地方是会发生塑性变形的，但其只影响局部变形．相对要考虑的初始残余应力、装夹引起的弹性形变而言是较小的。不考虑粘塑性变形的另外一个原因是为了减少运算时间。

    3)假设刀具是刚性的且始终保持锋利。

    4)铣削时材料的去除过程采用单元生死技术来模拟。

    5)通过对装夹接触面限制位移和旋转的方式对模型施加装夹约束。

    在生产实践中．铣削方形槽时铣刀的加工状态是不同的，首次进刀时，所有的刀齿都参与切削，亦称为满刀加工，如图l(a)中深色单元一类的单元；第一刀走过以后，基体上拟去除材料层一侧成为自由面，此时工作刀齿断续参与切削，如图l(b)中深色单元一类的单元。在有限元模拟过程中．要视加载单元所处的状态确定其加载模式。