CN113070524A - 一种异型材的切削加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异型材的高效切削加工方法，包括：步骤1：获取待加工工件截面轮廓信息及刀具规格信息；步骤2：根据待加工工件材质选择刀具旋转方向；步骤3：根据刀具规格以及工件截面轮廓信息生成级进角度和级进距离；步骤4：根据级进角度和级进距离计算每一段行程中工件旋转角度和切削深度；步骤5：在切削加工过程中实时检测各段切割行程中切削力；步骤6：根据切削力、工件旋转角度、切削深度计算各段行程对应的走刀速度和工件旋转角速度。本发明的一种异型材的高效切削加工方法，自动匹配最佳走刀行程、切割速度以及工件旋转角速度，能够适应不同材质、形状和尺寸的异型材切割加工的实际需要，极大地提高了加工效率和加工质量。
Description
技术领域
本发明涉及异型材加工技术领域，具体涉及一种异型材的切削加工方法。
背景技术
异型材是一种具有不同截面形状和壁厚的加工工件，可由金属铝、铝合金、铜、铜合金、非金属塑胶以及碳纤维等材料加工制成，其广泛应用于铝门窗、相框、塑钢材、电木板、铝挤型、纸管等产品当中。由于异型材一般为具有较大长宽比的长条状造型，因此，需要根据实际需求进行切割加工。
传统的型材切割机基本采用固定的走刀行程和切割速度进行切割加工。对于形状、尺寸多变的异型材来说，由于需要考虑极端的加工状况(如切割最大截面轮廓、最厚截面壁厚)，常设定较大的走刀行程和较慢的切割速度，在切割不同尺寸截面轮廓工件时，经常会导致空行程的产生，加之较慢的切割速度，从而极大地降低了加工效率。
检索国内外专利成果可知，目前针对异型材加工领域的研究还比较少，但是存在许多关于机械加工领域的研究。
申请公布号为CN 110238698 B的文献公布了一种工件加工程序自动匹配的加工方法，该方法主要是根据工件的实际尺寸来匹配合适的加工程序，虽然解决了按照标准管材规格来编写数控程序带来的误差问题，但是只考虑了工件几何形状和尺寸对加工结果的影响，对于工件材质以及切削力等因素所带来的影响并未考虑。
申请公布号为CN 106292529 A的文献公布了一种机床的加工路径生成方法，该方法也是只考虑了工件的几何形状对于加工结果的影响，根据工件的几何形状和工艺参数采用五段S曲线法来优化加工路径，并没有考虑工件材质以及切削力等因素的影响。
综上，现有的机械加工优化方法往往只考虑了工件截面轮廓形状及尺寸对于加工结果的影响，虽然能够在一定程度上提高加工效率，但是对于其他因素对加工结果带来的影响缺乏综合考虑，在一定程度上影响了工件最终加工质量。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术提出了一种异型材的切削加工方法，采用工件旋转运动配合刀具直线进给的方法，根据具体工件材料、截面轮廓尺寸、锯切深度、工件旋转角度以及切削过程中产生的切削力，自动匹配最佳走刀行程、切割速度以及工件旋转速度，从而提高加工效率和加工质量。
具体的，一种异型材的切削加工方法，其特征在于，所述切削加工方法包括以下步骤：
步骤1：获取待加工工件截面轮廓信息；
步骤2：根据待加工工件材质选择刀具旋转方向；
步骤3：根据待加工工件截面轮廓信息生成级进角度和级进距离；
步骤4：根据级进角度和级进距离计算每一段行程中工件旋转角度和切削深度；
步骤5：在切削加工过程中实时检测各段切割行程中切削力；
步骤6：根据切削力、工件旋转角度、切削深度计算各段行程对应的走刀速度和工件旋转角速度；
在步骤3中，所述待加工工件在切削中旋转角度为90°；
在步骤6中，所述走刀速度和工件旋转角速度的关系式为：
其中，Vj为切割第j段时对应的走刀速度，ωj为切割第j段时对应的工件旋转角速度，P为刀具直线运动对应的额定切削功率，Fjy为切割第j段所对应的竖直方向的切削力，Fjx为切割第j段所对应的水平方向的切削力，θ为切割第j段时工件旋转角度，aj为切割第j段时的切削深度，a、b、m为经验常数。
更进一步地，在步骤2中，所述待加工工件硬度小于120HBS时，刀具与工件旋转方向相同；所述待加工工件硬度大于120HBS时，刀具与工件旋转方向相反。
更进一步地，在步骤3中，所述级进角度△θ取值范围设定为0.11°～0.58°。
更进一步地，在步骤3中，所述级进距离△z取值范围设定为0.1～0.5mm。
更进一步地，在步骤3中，所述级进角度和级进距离的关系式为：
其中，h为工件截面高度。
本发明的优点在于：
本发明主要采用刀具直线进给和工件旋转相结合的加工方法，首先由于工件旋转，使得在同样完成工件切割的情况下刀具直线进给距离缩短；同时由于工件在加工过程中处于倾斜状态，所受到的切削力角度也发生变化，经过受力分析可知在达到相同切割条件下，即工件所受纵向推力相同时，竖直方向上的切削力有所降低，因此在满足功率要求的前提下可以设置更高的走刀速度。
具体的，本发明通过刀具规格、工件材质、截面轮廓尺寸自动分析计算走刀行程以及刀具和工件的旋转方向，同时考虑到了切削力以及工件旋转的影响，建立走刀速度与工件旋转角速度、切削力、切削深度以及工件旋转角度之间的关系，进而求得每一段行程对应的走刀速度和工件旋转角速度。与传统的固定行程和走刀速度的切削方法相比，能够适应不同形状、尺寸以及硬度的型材切割加工的实际需要对走刀行程、走刀速度以及工件旋转角速度进行调整，可大幅提高加工效率，同时上也保证了加工质量，具有较高的实用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种异型材的切削加工方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种异型材的切削加工方法中待加工工件的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种异型材的切削加工方法中工件与刀具转向相反进行切割加工示意图；
图4是本发明实施例提供的一种异型材的切削加工方法中工件与刀具转向相同进行切割加工示意图；
图5是本发明实施例提供的一种异型材的切削加工方法中刀具加工轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
如附图1所示，本发明的一种异型材的切削加工方法，其加工方法包括以下步骤：
步骤1：获取待加工工件截面轮廓信息；
步骤2：根据待加工工件材质选择刀具旋转方向；
步骤3：根据待加工工件截面轮廓信息生成级进角度和级进距离；
步骤4：根据级进角度和级进距离计算每一段行程中工件旋转角度和切削深度；
步骤5：在切削加工过程中实时检测各段切割行程中切削力；
步骤6：根据切削力、工件旋转角度、切削深度计算各段行程对应的走刀速度和工件旋转角速度。
如附图2所示，在一种实施例中，对截面尺寸为52mm×75mm(宽×高)的铝型材进行切割加工，设定锯片刀与工件之间的初始加工间距为5mm，保证切削加工的安全。
具体的，在步骤1中，采用读取被加工工件图纸和图像识别技术的方式获取工件待加工处的截面轮廓信息，为后续行程的计算提供必要的数据，截面轮廓信息主要包括工件整体轮廓线条长度及各个线条之间相对位置信息。除通过读取被加工工件图纸和图像识别技术的方式获取工件截面轮廓信息外，也可以通过其他方式获取，例如激光扫描、雷达扫描、图像反向工程等方式。
如附图3和附图4所示，在步骤2中，由于本发明的采用刀具直线进给和工件旋转相结合的加工方法，因此存在刀具和工件同向旋转和反向旋转两种情况。当被切工件材质较硬时选择工件与刀具旋转方向相反的加工方法，可以保证在不调整锯片刀旋转速度的前提下有效降低锯片刀与工件的相对旋转速度，从而提高了刀具使用寿命以及加工稳定性；当被切工件材质硬度适中或较软时选择工件与刀具旋转方向相同的加工方法，可以保证在不调整锯片刀旋转速度的前提下提高锯片刀和工件的相对旋转速度，从而获得较好的加工表面。
由于工件旋转，使得在同样完成工件切割的情况下刀具直线进给距离缩短；同时由于工件在加工过程中处于倾斜状态，所受到的切削力角度也发生变化，经过受力分析可知在达到相同切割条件下，即工件所受纵向推力相同时，竖直方向上的切削力有所降低，因此在满足功率要求的前提下可以设置更高的走刀速度。由上述分析可知本发明采用的刀具直线进给和工件旋转组合的加工方法可以较大程度提高加工效率。
具体来说，当工件硬度小于120HBS时选择刀具与工件旋转方向相同的方法，当工件硬度大于120HBS时选择刀具与工件旋转方向相反的方法。由于本实施例中加工的铝型材硬度为100HBS左右，因此采用附图4所示的同向旋转的加工方法。
如附图5所示，在步骤3中，对切割过程进行划分时，假设工件固定不动，刀具在直线运动的同时绕工件的旋转轴做旋转运动，进而产生一系列加工轨迹。其中，级进距离△z指的是规划刀具走刀速度的最小单元，即在一个级进距离内采用相同的走刀速度，设置级进距离的目的是将刀具走刀行程离散为有限的段，并针对每一段计算走刀速度，它的选择主要考虑工控机cpu运算能力。级进距离取值越小，加工效率和加工质量的提升效果越好，但加工时间越长，对工控机的计算能力要求也越高。级进角度△θ指的是规划工件旋转角速度的最小单元，即在一个级进角度内采用相同的角速度，设置级进角度的目的是将工件旋转过程离散为有限的段，并针对每一段计算角速度，级进角度的取值主要根据级进距离计算，根据仿真分析可知，当工件旋转一个级进角度所对应的弧长等于级进距离的
时可保证在切削完成后工件旋转角度约为90°，从而使走刀行程最短，对应的级进角度计算公式为：
其中，h为工件截面高度。
通常△z取值范围设定为0.1～0.5mm，根据级进距离及工件截面尺寸可知△θ取值范围为0.11°～0.58°，在本实施例中选取△z＝0.1mm，△θ＝0.11°。利用相关计算机辅助软件进行划分可得划分段数为850段。
在步骤4中，本发明采用变行程的切削加工方法根据刀具规格和工件截面轮廓进行切削深度的计算，具体根据划分段数和刀具直线运动对应的级进距离来计算，所述切削深度计算公式为：
aj＝j×Δz
其中，aj为切割第j段时的切削深度，j为切割过程的段数。
本发明根据划分段数和刀具直线运动对应的级进角度来计算工件旋转角度，所述工件旋转角度计算公式为：
θ＝j×△θ
θ为切割第j段时工件旋转角度。
在本实施方式中，级进距离△z＝0.1mm，划分段数为850，获取走刀行程为85mm，若采用固定行程的加工方式所对应的走刀行程一般要大于280mm，因此与固定行程的切割加工方法相比，变行程的切割加工方法效率更高。
在步骤5中，将三向测力仪固定在旋转卡爪轴承座与机床床身之间，通过三向测力仪实时测量水平和竖直方向切削力的大小。具体加工过程中，当检测到刀具位于第j段切割行程的初始位置时，读取此时测力仪的数值并作为第j段切削力的值代入公式计算，除此之外也可以选择其他位置处切削力的值。
在步骤6中，走刀速度由切削功率、切削力、工件旋转角度、工件旋转角速度以及切削深度共同决定，同时走刀速度和工件旋转角速度还需要满足当刀具完成一个走刀行程时，工件要旋转对应的级进角度，从而保证刀具走刀与工件旋转之间的配合。所述走刀速度和工件旋转角速度的关系式为：
其中，Vj为切割第j段时对应的走刀速度；a、b、m为经验常数，其中a的取值范围是0.45～0.65，具体的，当刀具直线运动电机额定功率小于2.5kw时取较小值，当刀具直线运动电机额定功率大于2.5kw时取较大值；b的取值范围是0.35～0.50，与a的取值相反，即当刀具直线运动电机额定功率小于2.5kw时取较大值，当刀具直线运动电机额定功率大于2.5kw时取较小值；m的取值范围是0.70～0.95，具体的，当刀具直径与工件最大宽度之比小于5时取较大值，当刀具直径与工件最大宽度之比大于5时取较小值；P为刀具直线运动对应的额定切削功率；Fjy为切割第j段所对应的竖直方向的切削力；Fjx为切割第j段所对应的水平方向的切削力；ωj为切割第j段时对应的工件旋转角速度。
本实施例中，选取经验常数a＝0.60，b＝0.45，m＝0.90。除此之外也可以根据实际切削实验对参数进行拟合。
通过走刀速度和旋转速度的模型可以获取每一段行程对应的走刀速度和工件旋转速度。在本实施例中对于第一段行程的走刀速度采取保守的方法选择一个较小值，对应的工件旋转角速度由上述公式求得。除此之外也可以选择其他方式来计算第一段行程的走刀速度和工件旋转角速度。
在本实施例中，根据每段切割行程所对应走刀速度求出本实施例中的铝型材加工总时间约为3s，而传统的固定行程和走刀速度的加工方法所需要的加工时间约为10s，因此本发明中的切削加工方法可以大幅提高加工效率。
本发明的工作原理简述如下：首先读取待加工工件的CAD图纸并结合图像识别技术获取待加工工件截面轮廓信息；根据工件材质选择工件和刀具旋转方向；根据刀具规格以及工件截面轮廓信息，按指定级进角度和级进距离将切割过程进行划分；根据划分结果计算实际走刀行程，使刀具刚好完成工件切割；实时检测在各段切割行程中切削力的大小；根据切削力大小、工件旋转角度、切削深度等求出每一段对应的走刀速度和工件旋转角速度；根据走刀行程、走刀速度以及工件旋转角速度生成加工方案。与传统的固定走刀行程和切割速度的加工方法相比，本发明的一种异型材的切削加工方法采取刀具直线进给和工件旋转的加工方法，对于不同材质、不同尺寸和截面轮廓的异型材具有较高的适应性，可以根据异型材的不同材质、截面轮廓形状和尺寸、切削深度、工件旋转角度以及切削力的大小，自动匹配最佳切削加工方案，极大地提高了加工效率，同时也保证了加工质量。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种异型材的切削加工方法，其特征在于，所述切削加工方法包括以下步骤：
步骤1：获取待加工工件截面轮廓信息；
步骤2：根据待加工工件材质选择刀具旋转方向；
步骤3：根据待加工工件截面轮廓信息生成级进角度和级进距离；
步骤4：根据级进角度和级进距离计算每一段行程中工件旋转角度和切削深度；
步骤5：在切削加工过程中实时检测各段切割行程中切削力；
步骤6：根据切削力、工件旋转角度、切削深度计算各段行程对应的走刀速度和工件旋转角速度；
在步骤3中，所述待加工工件在切削中旋转角度为90°；
在步骤6中，所述走刀速度和工件旋转角速度的关系式为：
其中，Vj为切割第j段时对应的走刀速度，ωj为切割第j段时对应的工件旋转角速度，P为刀具直线运动对应的额定切削功率，Fjy为切割第j段所对应的竖直方向的切削力，Fjx为切割第j段所对应的水平方向的切削力，θ为切割第j段时工件旋转角度，aj为切割第j段时的切削深度，a、b、m为经验常数。
2.根据权利要求1所述切削加工方法，其特征在于，在步骤2中，所述待加工工件硬度小于120HBS时，刀具与工件旋转方向相同；所述待加工工件硬度大于120HBS时，刀具与工件旋转方向相反。
3.根据权利要求1所述切削加工方法，其特征在于，在步骤3中，所述级进角度△θ取值范围设定为0.11°～0.58°。
4.根据权利要求1所述切削加工方法，其特征在于，在步骤3中，所述级进距离△z取值范围设定为0.1～0.5mm。
5.根据权利要求1所述切削加工方法，其特征在于，在步骤3中，所述级进角度和级进距离的关系式为：
其中，h为工件截面高度。
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