CN113084233B - 一种型材的高精切削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种型材的高精切削加工方法，包括以下步骤：采集被加工型材的参数及加工要求；根据所得参数，确定型材工件所受切削力；根据所受切削力确定加工过程中产生的挠度变形值以及端面转角误差值；综合工件被加工时的误差值，对工件进行误差补偿。本发明能够在工件按照既定加工程序进行切削加工过程中，对挠度变形和端面转角进行自动补偿，从而尽可能减小变形误差产生的影响，提高加工精度，降低加工成本。

Description

一种型材的高精切削加工方法

技术领域

本发明涉及型材加工技术领域，具体涉及一种型材的高精切削加工方法。

背景技术

型材是一种具有不同截面形状的变厚度工件，可由金属铝、铝合金、铜、铜合金、非金属塑胶及碳纤维等材料加工而成，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。由于型材一般为具有较大长宽比的长条状造型，其一般采用悬切的方法进行切割加工，由于型材工件较长，在其自身重力和切削力的共同作用，工件悬空部位会出现较大的挠度变形，产生加工误差，从而降低产品的加工质量，导致加工成本的增加。

常用的误差补偿技术有在线自适应补偿与离线误差补偿两种，在线自适应补偿根据实时检测误差的变化来控制系统作出决策，这对机床以及系统来说要求很高，会大大增加制造成本。离线误差补偿则通过加工之前的误差建模来调整加工程序从而减少误差，该方式成本低，效果好，运用广泛。现有离线误差补偿技术中通常通过对加工路径上每一个单位点的位置坐标进行误差计算，限定了在特殊角度的加工，其使用的迭代算法或有限元仿真方法也存在着计算量大且计算效率不高等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种型材的高精切削加工方法，建立适合各类型材加工时的误差计算模型，实现在任意加工装置的加工过程中任意角度的高精度误差补偿，低成本高效率地解决型材加工中因自重和切削力引起的变形误差补偿问题。

具体的，一种型材的高精切削加工方法，其特征在于，所述高精切削加工方法包括以下步骤：

S1，通过被加工型材的参数及加工要求计算工件所受切削力；

S2，计算加工过程中工件产生的挠度变形值；

S3，根据所求切削力与加工要求确定加工过程中产生的端面转角误差值；

S4，根据挠度变形值与端面转角值，控制刀具的运动，进行反向误差补偿；

在步骤3中，所述端面转角误差包括切削力作用产生的转角误差和自身重力作用产生的转角误差；

所述端面转角误差为：

θ＝θ₁+θ₂

其中，θ为端面转角误差，θ₁为切削力作用产生的转角误差，θ₂为自身重力作用产生的转角误差；

所述切削力作用产生的转角误差θ₁在切削角度为45°～135°时为：

其中，F_C是切削力，L为工件加工区域长度，E为工件的弹性模量，b为加工区域侧端至切削点的距离，a为加工区域另一端至切削点的距离，n为b与L的比值，o为a与L的比值，α为悬切角度；

所述切削力作用产生的转角误差θ₁在切削角度为180°内其他角度时为：

所述自身重力作用产生的转角误差θ₂为：

其中，M为工件加工区域质量。

更进一步地，在步骤2中，所述挠度变形值包括切削力产生的挠度变形和自身重力产生的挠度变形，所述挠度变形值表示为：

Δx＝Δx₁+Δx₂

其中，Δx为挠度变形值，Δx₁为切削力产生的挠度变形，Δx₂自身重力产生的挠度变形；

所述切削力产生的挠度变形Δx₁表示为：

其中，L为工件加工区域长度，E为工件的弹性模量，I为工件的弯曲截面模量，b为加工区域侧端至切削点的距离，a为加工区域另一端至切削点的距离，n为b与L的比值，o为a与L的比值，α为悬切角度，取值范围为0°～180°；

所述自身重力产生的挠度变形Δx₂表示为：

其中，M为工件加工区域质量。

更进一步地，所述被加工型材两端进行固定装夹，中部悬空。

本发明建立了型材切削加工时的铣削力计算模型，建立了型材进行切削加工时因自重和切削力产生的挠度误差与端面转角计算模型，该模型所需各项参数都可直接从型材参数和加工要求中读取出来，避免在获取中间参数时的计算误差累积，降低算法难度与计算量，提高精度；同时，基于以上模型从理论上分析计算了加工过程中型材产生的形变误差，再对工件进行反向误差补偿，实现型材在任意装置中任意角度的高精度加工，从而降低成本，提高生产效率。

本发明中挠度误差与端面转角计算模型由材料力学基本公式根据型材工件的加工特点改良而来，根据待加工位置与悬切角度的不同来使用对应的公式模型，不受到型材固定角度切削加工与特定装置的限制，适用于型材工件加工段任意位置任意角度的高精度切削加工。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种型材的高精切削加工方法示意图；

图2是本发明实施例提供的一种型材的高精切削加工方法中挠度和端面转角补偿示意图。

其中，1.刀具，2.理论加工位置，3.实际加工位置，4.铣夹。

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，本发明提出了一种型材的高精切削加工方法，包括以下步骤：

S1，通过被加工型材的参数及加工要求计算工件所受切削力；

S2，计算加工过程中工件产生的挠度变形值；

S3，根据所求切削力与加工要求确定加工过程中产生的端面转角误差值；

S4，根据挠度变形值与端面转角值，控制刀具的运动，进行反向误差补偿。

具体的，在步骤S1中，通过读取被加工工件CAD文件数据和图像识别技术识别工件表面轮廓，获取工件截面轮廓信息及加工要求。通过被加工工件的相关参数，以工件的固有属性为主，结合加工参数，由切削力的计算模型计算出工件所受切削力F_C：

F_C＝mC_FK_fa_e ⁱf_z ^Jd^kza_p

其中，m为刀片数量，C_F为切削系数，K_f为修正系数，a_e为侧吃刀量，f_z为每齿进给量，d为刀盘直径，z为刀具齿数，a_p为切削深度，i为以侧吃刀量a_e为唯一变量，通过实验数据反推拟合而来的固定参数，j为以每齿进给量f_z为唯一变量，通过实验数据反推拟合而来的固定参数，k为以刀盘直径d为唯一变量，通过实验数据反推拟合而来的固定参数。

在步骤S2中，根据叠加原理，型材两侧总的挠度变形是由自身重力和切削力的作用相互叠加而成的。

如附图2所示，型材在实际加工过程中两端通过铣夹将型材水平固定，中部悬空；加工刀具由型材顶部向下进行切削；工件由自身重力和切削力的作用下从理论加工位置2移动到实际加工位置3。根据加工过程中切削力作用点与工件加工段的位置关系，确定挠度变形的计算模型从而可计算出工件产生的挠度变形值。

型材工件在切削力的作用下，产生的挠度变形计算公式如下：

其中，L为工件加工区域长度，E为工件的弹性模量，I为工件的弯曲截面模量，b为加工区域侧端至切削点的距离，a为加工区域另一端至切削点的距离，n为b与L的比值，o为a与L的比值，α为悬切角度，取值范围为0°～180°。

型材工件在自身重力的作用下，产生的挠度变形计算公式如下：

其中，M为工件加工区域质量。

根据挠度变形的叠加原理，总的挠度变形值为：

Δx＝Δx₁+Δx₂

在步骤S3中，工件的端面转角变化是由自身重力和切削力的共同作用叠加产生的。需要根据加工要求，确定刀具与工件加工面之间的角度关系，结合加工过程中切削力作用点与工件加工段的位置关系，从而确定对应的端面转角计算模型，计算工件产生的端面转角误差值。

工件以悬切角度45°～135°进行切割时，在切削力的作用下，产生的端面转角计算公式如下：

型材工件以180°内其他悬切角度进行切割时，在切削力的作用下，产生的端面转角计算公式如下：

型材工件在自身重力的作用下，产生的端面转角计算公式如下：

根据端面转角的叠加原理，端面转角总误差为：

θ＝θ₁+θ₂

在步骤S4中，根据以上步骤计算得出的挠度变形值Δx与端面转角值θ，结合既定加工程序中刀具走向，控制刀具反向微调运动方向，实现对加工过程中出现的误差进行补偿。

下面以实际生产中对型材高精切削加工的实施例进行说明：

使用z＝144，d＝600mm的高速钢镶齿锯片铣刀对AL6063型材进行切削加工，调整两侧铣夹间距为1000mm。选定侧吃刀量a_e＝2mm，每齿进给量f_z＝0.003mm/z，切削深度a_p＝4.5mm，由切削力计算模型得到切削力F_C＝23.872N，表1为在此状态下加工中的挠度变形与端面转角计算值，其中加工位置指的是a的长度。

表1型材加工时的挠度变形与端面转角计算值

根据计算所得结果，结合附图2分析可得：当刀具在距离为a＝600mm处进行60°悬切时，刀具向左移0.0596mm，顺时针旋转0.00128°，实现反向误差补偿。

需要说明的是，以上补偿所提及到“左”方向、“顺时针”方向，仅是以附图2所摆放的位置为参考定义，并非是对方案的限定，当装置的摆放方向有所变化时，相应的移动方向也跟随变化，以上定义，只是为了便于描述和理解本技术方案，并非限定。

本发明所述的一种型材的高精切削加工方法，不受工件截面形状、尺寸的限制，适用于对所有类型型材的高精切削加工。

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 (4)

1.一种型材的高精切削加工方法，其特征在于，所述高精切削加工方法包括以下步骤：

S1，通过被加工型材的参数及加工要求计算工件所受切削力；

S2，计算加工过程中工件产生的挠度变形值；

S3，根据所求切削力与加工要求确定加工过程中产生的端面转角误差；

S4，根据挠度变形值与端面转角误差，控制刀具的运动，进行反向误差补偿；

在步骤3中，所述端面转角误差包括切削力作用产生的转角误差和自身重力作用产生的转角误差；

所述端面转角误差为：

其中，

为端面转角误差，

为切削力作用产生的转角误差，

为自身重力作用产生的转角误差；

所述切削力作用产生的转角误差

在切削角度为45°~135°时为：

其中，

是切削力，

为工件加工区域长度，

为工件的弹性模量，

为工件的弯曲截面模量，

为加工区域侧端至切削点的距离，

为加工区域另一端至切削点的距离，

为b与L的比值，

为

与L的比值，α为悬切角度；

所述切削力作用产生的转角误差

在切削角度为180°内其他角度时为：

所述自身重力作用产生的转角误差

为：

其中，

为工件加工区域质量。

2.根据权利要求1所述高精切削加工方法，其特征在于，在步骤1中，所述切削力计算公式为：

其中，m为刀片数量，C _F 为切削系数，K _f 为修正系数，a _e 为侧吃刀量，f _z 为每齿进给量，d为刀盘直径，z为刀具齿数，a _p 为切削深度，i，j，k为根据型材类型确定的参数。

3.根据权利要求1所述高精切削加工方法，其特征在于，在步骤2中，所述挠度变形值包括切削力产生的挠度变形和自身重力产生的挠度变形，所述挠度变形值表示为：

其中，

为挠度变形值，

为切削力产生的挠度变形，

自身重力产生的挠度变形；

所述切削力产生的挠度变形

表示为：

其中，

为工件加工区域长度，

为工件的弹性模量，

为工件的弯曲截面模量，

为加工区域侧端至切削点的距离，

为加工区域另一端至切削点的距离，

为b与L的比值，

为

与L的比值，α为悬切角度，取值范围为0°~180°；

所述自身重力产生的挠度变形

表示为：

其中，

为工件加工区域质量。

4.根据权利要求1所述高精切削加工方法，其特征在于，所述被加工型材两端进行固定装夹，中部悬空。

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