CN115007938A

CN115007938A - 一种多模式分段拉削工艺

Info

Publication number: CN115007938A
Application number: CN202210741657.8A
Authority: CN
Inventors: 陈国金; 陈昌; 李文欣; 许明
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2022-06-27
Filing date: 2022-06-27
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2042-06-27
Also published as: CN115007938B

Abstract

本发明公开了一种多模式分段拉削工艺；其包括效率模式、制程能力模式、综合模式。根据不同的零件拉削要求，选择不同模式的拉削工艺，以满足加工效率、精度、成本、质量一致性等指标的优化要求。效率模式适用于中批量的零件拉削作业；CPK模式适用于大批量的零件拉削作业；综合模式适用于小批量的零件拉削作业。该工艺采用控制系统包括振动检测装置、位移检测装置、拉力检测装置、速度检测装置、计数装置、产品尺寸检测装置、集中优化控制器、伺服电机、伺服驱动器、停机控制器、模式选择器。本发明在拉削参数自动调节的过程中引入CPK指数，提高了拉削作业的效果。

Description

一种多模式分段拉削工艺

技术领域

本发明属于智能制造技术领域，具体涉及一种基于多模式选择、粗-半精-精分段工序结合的拉削工艺及其控制系统。

背景技术

高效精密数控拉削装备是高端制造装备，是智能制造不可缺少的关键装备；高效精密拉削工艺主要用于汽车工业和航空工业，是汽车和飞机高精密核心零部件的主要加工方法和手段，如发动机、齿轮箱、差速器、传动轴系统、刹车制动系统、轮毂单元、方向机等；高效精密数控拉削工艺的高端应用在军工和航天航空领域，如炮管、飞机发动机等高精密核心零部件的加工；现代汽车工业、工程机械等制造业，逐步采用拉削取代传统的插削、铣削、刨削等加工方式生产零部件；因此，拉削加工的技术水平，从某一个侧面也标志着国家的汽车等领域制造业的水平；目前，国内高端数控拉削工艺和装备主要靠进口，国内拉床企业尚处于起步转成长期阶段。

汽车和飞机关键零件，大多采用高温合金、粉末高温合金、钛合金等难加工材料制造，零件形状复杂，尺寸精度要求高，技术条件严格，对零件表面质量、表面完整性要求高，其加工质量的高低直接影响到汽车和飞机的使用寿命和安全可靠性；另一方面，特别是汽车零件的加工，由于产品更新换代速度加快，对其生产效率要求越来越高。

近年来，随着车辆工程和航空发动机技术的不断进步和发展，这些关键零部件的加工技术有了大幅度的提升，从传统的加工工艺和手段，转向多模式优化工艺和数控加工等自动化、集成化、精准化及高效化的方向推进和发展；对于不同需求的零部件拉削加工，要有不同的拉削工艺；如大批量的汽车零件加工，大多数汽车整车企业要求零件加工企业的制程能力指数达到A级水平，这样才能保证零件的质量和一致性；对中批量的零件加工，有些则要求在保证零件加工精度的基础上尽量提高生产效率，以满足及时交货的要求；对小批量的零件加工，从加工成本角度考虑，以延长拉削刀具的使用寿命和发挥拉床的加工能力为目标；因此，需要根据不同的加工场景，提出优化的加工工艺，以满足不同的零件加工要求；目前，普遍存在的问题是，对不同的零件加工要求，基本上采用传统的单一加工工艺，至多凭操作人员经验，对传统加工工艺进行调整，造成加工效率、精度、成本、质量一致性等指标达不到优化的效果；为此，本发明在数控拉床基础上，增设物理量传感器，提出基于多模式选择、粗-半精-精分段工序结合的拉削工艺及其控制系统，从而对于不同的零部件拉削加工需求，保证加工效率、精度、成本、质量一致性等指标达到优化的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多模式分段拉削工艺。

该多模式分段拉削工艺具有三种工作模式，分别为综合模式、效率模式和制程能力模式。

综合模式下的拉削工艺如下：

步骤一、设定拉床额定功率N_额、粗拉进给速度V_粗、半精拉进给速度V_中、精拉进给速度V_精、粗拉进给行程L_粗、半精拉进给行程L_中、精拉进给行程L_精。

步骤二、对工件进行包括粗拉、半精拉、精拉三个阶段的拉削；粗拉阶段的进给速度为粗拉进给速度V_粗，行程为粗拉进给行程L_粗；半精拉阶段的进给速度为半精拉进给速度V_中，行程为半精拉进给行程L_中；精拉阶段的进给速度为精拉进给速度V_精，行程为精拉进给行程L_精；在粗拉阶段、半精拉阶段、精拉阶段中均分别采集最大拉削力F_粗、F_中、F_精；分别计算粗拉阶段、半精拉阶段、精拉阶段的拉削功率N_粗、N_中、N_精；N_粗＝V_粗×F_粗；N_中＝V_中×F_中；N_精＝V_精×F_精。

步骤三、若N_粗、N_中、N_精的取值均在0.9N_额～1.1N_额的范围内，则参数优化完成，进入步骤四。

若N_粗、N_中、N_精中任意一个或多个的取值小于0.9N_额，则将取值小于0.9N_额的拉削功率对应的进给速度增大△V；△V为预设的拉削速度单次调节值；之后，重新执行步骤二。

若N_粗、N_中、N_精中任意一个或多个的取值大于1.1N_额，则将取值小于0.9N_额的拉削功率对应的进给速度减小△V；之后，重新执行步骤二。

步骤四、按照步骤二和三确定的粗拉进给速度V_粗、半精拉进给速度V_中、精拉进给速度V_精对工件进行粗拉-半精拉-精拉拉削作业。

效率模式下的拉削工艺如下：

步骤一、设定拉床额定功率N_额和拉削进给速度V_进。

步骤二、以拉削进给速度V_进对工件进行拉削；在拉削过程中采集最大拉削力F；计算最大拉削功率N＝V_进×F。

步骤三、若N的取值在0.9N_额～1.1N_额的范围内，则参数优化完成，进入步骤四。

若N的取值小于0.9N_额，则将拉削进给速度V_进增大△V；△V为预设的拉削速度单次调节值；之后，重新执行步骤二。

若N的取值大于1.1N_额，则将拉削进给速度V_进增大△V；之后，重新执行步骤二。

步骤四、按照步骤二和三确定的拉削进给速度V_进对工件进行拉削作业。

制程能力模式的拉削工艺的控制流程如下：

步骤一、设定拉床额定功率N_额、拉削进给速度V_进、额定振动加速度值a_额、额定拉削力F_额、零件尺寸上限USL、零件尺寸下限LSL和零件中心尺寸C。

步骤二、以拉削进给速度V_进对n个工件进行拉削，并分别测量得到n个工件的尺寸X₁…X_n；利用尺寸X₁…X_n计算制程能力指数Cpk，n为单次测试的拉削次数。

步骤三、若制程能力指数Cpk在0.9N_额～1.1N_额的范围内，则参数优化完成，进入步骤四。

若制程能力指数Cpk≤1.33，则将拉削进给速度V_进减小△V；△V为预设的拉削速度单次调节值；之后，重新执行步骤二。

若制程能力指数Cpk≥1.67，则将拉削进给速度V_进增大△V；之后，重新执行步骤二。

作为优选，制程能力指数Cpk的计算过程如下：

分别计算平均值

尺寸公差T、尺寸标准差σ、制程准确度Ca、制程精密度Cp、制程能力指数Cpk如式(1)至(6)所示。

T＝USL-LSL 式(2)

Cpk＝Cp·(1-Ca) 式(6)

其中，X₁…X_n为n个尺寸实测值；n为尺寸测量次数。

作为优选，在制程能力模式的步骤三中，制程能力指数Cpk在0.9N_额～1.1N_额的范围内，且F·V_进＜0.95N_额；则将拉削进给速度V_进更新为0.95N_额/F；F为拉削过程中的最大拉削力。

作为优选，在制程能力模式的步骤四中，拉削过程中采集振动加速度值a，并测量得到的工件尺寸；若尺寸超差或振动加速度值a≥a_额，则停机；a_额为预设的振动加速度极限值。

作为优选，在综合模式和效率模式的步骤四中，拉削的过程中采集最大拉削力F，并得到的工件进行尺寸测量；若尺寸超差，则停止拉削；若拉削的工件数量达到预设的最大数量或最大拉削力F大于预设的极限拉削力，则将拉床额定功率N_额更新为原数值的0.707倍，并重新执行对应模式的步骤二和三，调整粗拉进给速度V_粗、半精拉进给速度V_中、精拉进给速度V_精，或调整拉削进给速度V_进。

作为优选，该多模式分段拉削工艺采用的控制系统，包括振动检测装置、位移检测装置、拉力检测装置、速度检测装置、计数装置、产品尺寸检测装置、集中优化控制器、伺服电机、伺服驱动器、停机控制器、模式选择器；振动检测装置用于检测拉削过程中的振动加速度；位移检测装置用于检测拉刀的位置；拉力检测装置用于检测拉削过程中的拉削力；速度检测装置用于检测拉削速度；计数装置用于记录拉削工件的数量；产品尺寸检测装置用于检测拉削得到的工件的尺寸；集中优化控制器对综合模式、效率模式和制程能力模式下的拉削过程进行控制；伺服电机和伺服驱动器用于驱动拉削进给运动；停机控制器用于检测是否达到停机条件，在达到停机条件是停止拉削作业；模式选择器供工作人员选择模式。

本发明具有的有益效果是：

本发明根据不同的加工场景，提出优化的加工工艺，以满足不同的零件加工要求；在数控拉床基础上，增设物理量传感器，提出基于多模式选择、粗-半精-精分段工序结合的拉削工艺及其控制系统，从而对于不同的零部件拉削加工需求，保证加工效率、精度、成本、质量一致性等指标达到优化的效果；此外，本发明还在拉削参数自动调节的过程中引入CPK指数，提高了拉削作业的效果；因此，本发明具有显著的经济、社会和环境效益。

附图说明

图1为本发明的控制系统硬件示意图。

图2为本发明的工作模式选择过程示意图。

图3为本发明中综合模式的流程图。

图4为本发明中效率模式的流程图。

图5为本发明中制程能力模式的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种多模式分段拉削工艺，使用的多模式分段拉削控制系统，包括振动检测装置、位移检测装置、拉力检测装置、速度检测装置、计数装置、产品尺寸检测装置、集中优化控制器、伺服电机、伺服驱动器、停机控制器和模式选择器；伺服电机用于驱动拉刀进行拉削进给运动；该多模式分段拉削控制系统在现有数控拉床基础上，增设物理量传感器，针对多模式分段拉削工艺的要求，实时采集拉削过程中的振动、位移、拉力、速度、加工数量、产品尺寸等物理量，具有三种模式，分别为综合模式、效率模式、制程能力模式，在集中优化控制器中进行实时优化，将优化结果输入至伺服驱动器，控制伺服电机带动拉削单元进行拉削作业；当产品尺寸超差、拉削力和加工数量达到预设的许用值时，集中优化控制器输出控制命令，由停机控制器执行停机操作；模式选择器用于拉削工艺的工作模式选择。

如图2所示，该多模式分段拉削工艺的具体过程如下：

设定拉削速度单次调节值ΔV和工件尺寸参数；根据不同的零件拉削要求选择综合、效率、CPK三种拉削工作模式中的一种，以满足加工效率、精度、成本、质量一致性等指标的优化要求；一般地，效率模式适用于中批量的零件拉削作业；制程能力模式适用于大批量的零件拉削作业；综合模式适用于小批量的零件拉削作业。

在综合模式中，拉削过程分为三段，即粗拉、半精拉、精拉；针对某一零件的拉削，首先对每段的拉削工艺参数进行优化，按恒功率拉削方式使每段达到拉床的额定功率，最大地发挥拉床的加工能力；接着按照每段优化后的工艺参数进行拉削作用；在一个拉削过程中，通过伺服电机变速，配合位移检测装置，实现从粗拉速度到半精拉速度再到精拉速度的转变；这样就满足了“粗拉时，拉削余量大，拉削力大，拉削速度小；半精拉时，拉削余量中，拉削力中，拉削速度中；精拉时，拉削余量小，拉削力小，拉削速度大”的拉削规律以及恒功率拉削要求。

如图3所示，综合模式的拉削工艺的控制流程如下：

步骤一、调入优化标志参数i；在当前拉削条件未经过参数优化的情况下，优化标志参数i初始化为0；当i＝1时表示拉削工艺参数已完成了优化，程序输出V_粗、V_中、V_精，按粗拉-半精拉-精拉三个工序的位置，由位移检测装置提供位置信息，控制拉削单元进行粗拉-半精拉-精拉作业。

步骤二、当调入的优化标志参数i＝0，表示拉削工艺参数未完成优化；首先，要根据被拉削零件的工艺要求、材料特性和结构尺寸参数，设定拉床额定功率N_额、拉削进给总行程L_总、粗拉进给速度V_粗、半精拉进给速度V_中、精拉进给速度V_精、回程速度V_回、额定拉削力F_额、额定拉削零件数j_额、粗拉进给行程L_粗、半精拉进给行程L_中、精拉进给行程L_精；将粗拉优化标志i₁、半精拉优化标志i₂、精拉优化标志i₃、拉削零件数j均置为0。

步骤三、输出V_粗、V_中、V_精，按粗拉-半精拉-精拉三个工序的位置，由位移检测装置提供位置信息，实时获得拉削单元的位移量L，控制拉削单元分别V_粗、V_中、V_精的拉削速度进行粗拉-半精拉-精拉作业；对粗拉、半精拉、精拉三个阶段，分别测量最大拉削力F_粗、F_中、F_精；然后按照0.9N_额至1.1N_额区间的目标，对每一阶段的进给速度进行优化，使每一个阶段的最大拉削力与进给速度乘积在上述功率区间内，即近似达到N_额，满足全阶段恒功率拉削要求；如粗拉阶段，V_粗×F_粗≤0.9N_额时，用V_粗+△V更新V_粗；V_粗×F_粗≥1.1N_额时，用V_粗-△V更新V_粗；1.1N_额≤V_粗×F_粗≤0.9N_额时，V_粗保持不变；对半精拉和精拉阶段，优化过程类似；当V_粗保持不变时，粗拉优化标志i₁置1；当V_中保持不变时，半精拉优化标志i₂置1；当V_精保持不变时，精拉优化标志i₃置1；当i₁、i₂、i₃均为1是，置i为1，整个拉削进给过程的参数优化结束。

步骤四、在整个拉削行程中，通过测量位移量L来确定一个粗拉-半精拉-精拉的进给行程是否结束；如一个进给行程结束，则测量产品尺寸、产品计数j加1、输出回程速度V_回；同时，对实测的产品尺寸、产品计数值j、进给行程中所测的最大拉削力F进行判断；如尺寸超差，则停机；如产品计数值j或最大拉削力F超过额定值，说明拉削刀具有磨损，将转入半功率程序，即按0.707N_额，重新对拉削工艺参数进行优化；其优化和控制程序与上述恒功率程序相同；当拉削零件数或者拉削力超过最大许用值时，说明拉削刀具有严重磨损，随即进行换刀。

如图4所示，效率模式的拉削工艺的控制流程如下：

步骤一、调入优化标志参数i；在当前拉削条件未经过参数优化的情况下，优化标志参数i初始化为0；当i＝1时表示拉削工艺参数已完成了优化，此时，程序输出V_进，控制拉削单元进行拉削作业。

步骤二、当调入的优化标志参数i＝0，表示拉削工艺参数未完成优化；首先要根据待拉削零件工艺要求、材料特性和结构尺寸参数等具体情况，设定拉床额定功率N_额、拉削进给总行程L_总、拉削进给速度V_进、回程速度V_回、额定拉削力F_额、额定拉削零件数j_额；置粗拉优化标志i₁、半精拉优化标志i₂、精拉优化标志i₃、拉削零件数j均为0。

步骤三、输出V_进，控制拉削单元在整个拉削行程中以恒定的拉削速度V_进进行拉削作业；同时测量拉削过程的最大拉削力F，然后按照0.9N_额至1.1N_额区间的目标，对拉削过程的进给速度进行优化，使最大拉削力与进给速度乘积在上述功率区间内，即近似达到N额，满足恒功率拉削要求；当V_进×F≤0.9N_额时，用V_进+△V更新V_进；当V_进×F≥1.1N_额时，用V_进-△V更新V_进；当1.1N_额≤V_进×F≤0.9N_额时，V_进保持不变；如果V_进保持不变，则优化标志i₁、i₂、i₃、i均置1，整个拉削进给过程的参数优化结束。

步骤四、通过测量位移量L来确定一个进给行程是否结束；如一个进给行程结束，则测量产品尺寸、产品计数j加1、输出回程速度V_回；同时，对实测的产品尺寸、产品计数值j、进给行程中所测的最大拉削力F进行判断；如尺寸超差，则停机；如产品计数值j或最大拉削力F超过额定值，说明拉削刀具有磨损，则转入半功率程序，即按0.707N_额，重新对拉削工艺参数进行优化；其优化和控制程序与上述恒功率程序相同；当拉削零件数或者拉削力超过最大许用值时，说明拉削刀具有严重磨损，随即进行换刀。

如图5所示，制程能力模式的拉削工艺的控制流程如下：

步骤一、首先要根据待拉削零件工艺要求、材料特性和结构尺寸参数等具体情况，设定拉床额定功率N_额、拉削进给总行程L_总、拉削进给速度V_进、回程速度V_回、额定振动加速度值a_额、额定拉削力F_额、额定拉削零件数j_额、零件尺寸上限USL、零件尺寸下限LSL、零件中心尺寸C；置拉削零件数j均为0。

步骤二、输出V_进，控制拉削单元在整个拉削行程中以恒定的拉削速度V_进进行拉削作业；通过测量位移量L来确定进给行程是否结束；如进给行程结束，则测量产品尺寸、振动加速度值a、产品计数j加1、输出回程速度V_回；同时，对实测的产品尺寸、振动加速度值a进行判断；如尺寸超差或振动加速度值a≥a_额，则停机；如V_进没有达到0.95N_额所对应的进给速度时，按V_进＝0.95N_额/F重新确定进给速度；接着，由实测的产品尺寸，根据上述公式1-6，分别计算σ、Ca、Cp、Cpk；然后根据计算得出的Cpk值，调整V_进值。

步骤三、当Cpk≤1.33时，用V_进-△V更新V_进；当Cpk≥1.67时，用V_进+△V更新V_进；当1.33≤Cpk≤1.67时，V_进保持不变；按新的V_进，输入至伺服驱动器，控制伺服电机带动拉削单元进行拉削作业。

Claims

1.一种多模式分段拉削工艺，其特征在于：具有三种工作模式，分别为综合模式、效率模式和制程能力模式；

综合模式下的拉削工艺如下：

步骤一、设定拉床额定功率N_额、粗拉进给速度V_粗、半精拉进给速度V_中、精拉进给速度V_精、粗拉进给行程L_粗、半精拉进给行程L_中、精拉进给行程L_精；

步骤二、对工件进行包括粗拉、半精拉、精拉三个阶段的拉削；粗拉阶段的进给速度为粗拉进给速度V_粗，行程为粗拉进给行程L_粗；半精拉阶段的进给速度为半精拉进给速度V_中，行程为半精拉进给行程L_中；精拉阶段的进给速度为精拉进给速度V_精，行程为精拉进给行程L_精；在粗拉阶段、半精拉阶段、精拉阶段中均分别采集最大拉削力F_粗、F_中、F_精；分别计算粗拉阶段、半精拉阶段、精拉阶段的拉削功率N_粗、N_中、N_精；N_粗＝V_粗×F_粗；N_中＝V_中×F_中；N_精＝V_精×F_精；

步骤三、若N_粗、N_中、N_精的取值均在0.9N_额～1.1N_额的范围内，则参数优化完成，进入步骤四；

若N_粗、N_中、N_精中任意一个或多个的取值小于0.9N_额，则将取值小于0.9N_额的拉削功率对应的进给速度增大△V；△V为预设的拉削速度单次调节值；之后，重新执行步骤二；

若N_粗、N_中、N_精中任意一个或多个的取值大于1.1N_额，则将取值小于0.9N_额的拉削功率对应的进给速度减小△V；之后，重新执行步骤二；

步骤四、按照步骤二和三确定的粗拉进给速度V_粗、半精拉进给速度V_中、精拉进给速度V_精对工件进行粗拉-半精拉-精拉拉削作业；

效率模式下的拉削工艺如下：

步骤一、设定拉床额定功率N_额和拉削进给速度V_进；

步骤二、以拉削进给速度V_进对工件进行拉削；在拉削过程中采集最大拉削力F；计算最大拉削功率N＝V_进×F；

步骤三、若N的取值在0.9N_额～1.1N_额的范围内，则参数优化完成，进入步骤四；

若N的取值小于0.9N_额，则将拉削进给速度V_进增大△V；△V为预设的拉削速度单次调节值；之后，重新执行步骤二；

若N的取值大于1.1N_额，则将拉削进给速度V_进增大△V；之后，重新执行步骤二；

步骤四、按照步骤二和三确定的拉削进给速度V_进对工件进行拉削作业；

制程能力模式的拉削工艺的控制流程如下：

步骤一、设定拉床额定功率N_额、拉削进给速度V_进、额定振动加速度值a_额、额定拉削力F_额、零件尺寸上限USL、零件尺寸下限LSL和零件中心尺寸C；

步骤二、以拉削进给速度V_进对n个工件进行拉削，并分别测量得到n个工件的尺寸X₁…X_n；利用尺寸X₁…X_n计算制程能力指数Cpk，n为单次测试的拉削次数；

步骤三、若制程能力指数Cpk在0.9N_额～1.1N_额的范围内，则参数优化完成，进入步骤四；

若制程能力指数Cpk≤1.33，则将拉削进给速度V_进减小△V；△V为预设的拉削速度单次调节值；之后，重新执行步骤二；

若制程能力指数Cpk≥1.67，则将拉削进给速度V_进增大△V；之后，重新执行步骤二；

2.根据权利要求1所述的一种多模式分段拉削工艺，其特征在于：制程能力指数Cpk的计算过程如下：

分别计算平均值

尺寸公差T、尺寸标准差σ、制程准确度Ca、制程精密度Cp、制程能力指数Cpk如式(1)至(6)所示；

T＝USL-LSL 式(2)

Cpk＝Cp·(1-Ca) 式(6)

其中，X₁…X_n为n个尺寸实测值；n为尺寸测量次数。

3.根据权利要求1所述的一种多模式分段拉削工艺，其特征在于：在制程能力模式的步骤三中，制程能力指数Cpk在0.9N_额～1.1N_额的范围内，且F·V_进＜0.95N_额；则将拉削进给速度V_进更新为0.95N_额/F；F为拉削过程中的最大拉削力。

4.根据权利要求1所述的一种多模式分段拉削工艺，其特征在于：在制程能力模式的步骤四中，拉削过程中采集振动加速度值a，并测量得到的工件尺寸；若尺寸超差或振动加速度值a≥a_额，则停机；a_额为预设的振动加速度极限值。

5.根据权利要求1所述的一种多模式分段拉削工艺，其特征在于：在综合模式和效率模式的步骤四中，拉削的过程中采集最大拉削力F，并得到的工件进行尺寸测量；若尺寸超差，则停止拉削；若拉削的工件数量达到预设的最大数量或最大拉削力F大于预设的极限拉削力，则将拉床额定功率N_额更新为原数值的0.707倍，并重新执行对应模式的步骤二和三，调整粗拉进给速度V_粗、半精拉进给速度V_中、精拉进给速度V_精，或调整拉削进给速度V_进。

6.根据权利要求1所述的一种多模式分段拉削工艺，其特征在于：采用的控制系统，包括振动检测装置、位移检测装置、拉力检测装置、速度检测装置、计数装置、产品尺寸检测装置、集中优化控制器、伺服电机、伺服驱动器、停机控制器、模式选择器；振动检测装置用于检测拉削过程中的振动加速度；位移检测装置用于检测拉刀的位置；拉力检测装置用于检测拉削过程中的拉削力；速度检测装置用于检测拉削速度；计数装置用于记录拉削工件的数量；产品尺寸检测装置用于检测拉削得到的工件的尺寸；集中优化控制器对综合模式、效率模式和制程能力模式下的拉削过程进行控制；伺服电机和伺服驱动器用于驱动拉削进给运动；停机控制器用于检测是否达到停机条件，在达到停机条件是停止拉削作业；模式选择器供工作人员选择模式。