TWI843386B - 切削加工系統及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
一種切削加工系統及其加工方法，應用於一切削機台對一工件加工的切削參數計算，其藉由輸入單元匯入該工件的加工輪廓，及該工件與刀具兩者在切削加工過程中的一相對運動關係；及根據由該輸入單元傳來的該加工輪廓與該相對運動關係，透過一運算單元計算出該工件於切削加工過程中的至少一組切削參數。透過匯入加工輪廓、切削條件，搭配斷屑切削演算法，計算含有斷屑切削效果的切削路徑模擬，給出一組或多組可穩定斷屑的斷屑切削參數。
Description
本發明有關於一種切削加工領域，特別是關於斷屑切削參數計算的切削加工系統及切削加工方法。
在機床的切削加工製程中，斷屑技術主要應用於降低切削韌性金屬材料 (Stringy Materials )時會產生的連續碎屑現象( Continuous Chips )。在金屬切削加工上，若產生連續碎屑現象，容易產生下述狀況：1. 切屑崩碎飛濺(不正常斷屑)；2. 過長的切削屑纏繞在工件或刀具上；3. 切削屑卡在機構間造成工具機自動循環被破壞。因此，斷屑功能的達成，最少可以達到以下效能：1. 延長刀具壽命；2. 減少一切可能因為纏屑造成的連帶損害 (例如︰ 刮花表面、妨礙自動化加工等)。
目前斷屑加工主要可以分為以下幾種方式：振動斷屑、加工中回退(啄式加工)、暫停加工或分段加工。其中，加工中回退、分段加工與暫停加工三種主要是透過間歇性的加工動作來斷屑。振動斷屑則是藉由對切削工具或加工物件疊加一振動波型，來達成連續斷屑的效果。
在實際運用上，加工中回退或暫停加工是根據使用者給定固定的進給長度或進給時間作為分段依據，在每個分割點加入一抽離工件表面或暫停的動作用以達到斷屑效果。分段加工則是根據使用者給定一進給長度區間(最大值與最小值)，讓每次所產生的切屑長度可以控制在一個小範圍內。振動斷屑則是根據使用者給定一疊加在切削路徑上的振動頻率與振幅，製造相鄰道次間切削的重疊區域，產生斷屑效果。
由此可知，切削加工製程中的斷屑切削技術均需要仰賴使用者的操作經驗去給定一組合適的斷屑切削參數，例如：加工中回退或暫停加工的斷屑方式，使用者需判斷合適的進給長度或時間；振動斷屑的斷屑方式，使用者需判斷合適的振幅與頻率。使用者若給定不當的斷屑切削參數，將無法達到預期的斷屑效果。值得注意的是，以振動斷屑而言，使用者即便依照過往加工經驗給定一組合適斷屑振幅與頻率，也需要考慮當前的機台或刀具是否能夠負荷，避免造成機台振動或刀具損傷，進而影響加工表面光潔度。
目前，這些斷屑參數只能使用試誤法，透過使用者一次又一次的不同參數設定與加工嘗試，觀察實際機台振動與切屑產生情形以得到預期的斷屑切削參數。
本發明的目的在於提供一種切削加工系統及其加工方法，根據工件的加工輪廓、工件與加工刀具兩者的相對運動關係、斷屑的屑長或加工品質，計算出在加工過程中一組或多組最適合的斷屑參數，改善過往只能透過試誤法得到斷屑切削參數的問題，大幅的提高使用者的操作友善性且精確控制切削加工的品質。
本發明的另一目的在於提供一種切削加工系統及其加工方法，使用者可以透過建立機台模型以及匯入材料特性的方式，對計算出來的斷屑切削參數進行優化。利用機台模型確認是否會對當前機台造成過大振動影響切削品質；而材料性質則可以透過對於不同材料在物理、化學性質上的考量，作為斷屑切削參數的優化指標。
本發明的再一目的在於提供一種切削加工系統及其加工方法，使用者可以指定斷屑切削參數來做分析與最佳化動作，藉由給定斷屑參數，透過系統計算，給出該斷屑切削參數在切削後的模擬結果，包含屑長是否會過長、精修後表面粗糙度可否接受、是否可以穩定斷屑。
為了達成上述目的，本發明提供一種切削加工系統及其加工方法，應用於一切削機台對一工件加工的切削參數計算，其包括：一輸入單元接收該工件的一加工輪廓，及該工件與一刀具兩者在切削加工過程中的一相對運動關係；一運算單元根據由該輸入單元傳來的該加工輪廓與該相對運動關係，該運算單元計算出該工件於切削加工過程中的至少一組切削參數。
進一步地，該切削加工系統及其加工方法更包含一儲存單元，該儲存單元用以儲存一機台模型，該機台模型由一機台剛性及/或一控制伺服所建立，該運算單元根據該加工輪廓、該相對運動關係、該機台模型計算出該工件於切削加工過程中的至少一組優化的切削參數。
進一步地，該儲存單元更包括該工件的材料性質及/或該刀具的刀具參數，合併該加工輪廓、該相對運動關係與該機台模型，該運算單元計算出該工件於切削加工過程中的至少一組最佳的切削參數。
進一步地，該運算單元更包括根據該加工輪廓計算出對應該加工輪廓的至少一切線方向，且該運算單元根據該加工輪廓、該至少一切線方向與該相對運動關係，計算出該工件於切削加工過程中的該至少一組更優的切削參數。
進一步地，該切削加工系統及其加工方法更包含一轉檔單元，該轉檔單元根據該運算單元傳來的該至少一組切削參數轉換成一加工檔。
進一步地，該輸入單元更包括接收一預設切削參數，該運算單元判斷該預設切削參數與該至少一組切削參數的差異是否在一容許範圍內。
相較於先前技術，本發明透過匯入加工輪廓(工件成品的幾何外型與尺寸)、切削條件(建立工件軸與刀具軸在切削過程中的相對運動關係)，搭配斷屑切削演算法，計算含有斷屑切削效果的切削路徑模擬，給出一組或多組可穩定斷屑的斷屑切削參數(頻率、振幅)，提供使用者在斷屑切削參數選用時的參考依據。
此外，本發明再透過建立機台模型，引入材料特性優化斷屑切削參數計算結果。其中，機台模型的建立是透過匯入機台的伺服參數(電流、速度、位置控制迴路相關參數)後加上所使用的機台構型下的動靜態剛性，建立機台在加工時的切削模型；材料特性則是指當前被切削料材的材料特性，如力學與熱學性質等。透過上述條件導入，將可考量當前斷屑切削參數是否會造成機台過振或伺服落後問題，以及遇到不同材料時切屑品質的控制問題。
又，本發明也支援斷屑參數的驗證與最佳化。使用者可以在已確認切削條件與加工輪廓的情形下自行給定斷屑頻率與振幅，再透過本發明解析此斷屑加工情境與模擬斷屑效果；而在當該組參數被判定無法有良好斷屑模擬效果時，本發明會提醒使用者該組參數不建議使用，並給出適合的最佳化斷屑切削參數。
以下將詳述本發明之各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本發明亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本發明形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。
請參照圖1至圖3，為本案切削加工系統的方塊示意圖。本案是一種切削加工系統，應用於一切削機台對一工件加工的切削參數計算，適用於振動斷屑(單軸或多軸)的切削機台，其包括：一輸入單元100，該輸入單元100接收該工件的一加工輪廓，及該工件與一刀具兩者在切削加工過程中的一相對運動關係。一運算單元200，該運算單元200根據由該輸入單元100傳來的該加工輪廓與該相對運動關係，該運算單元200計算出該工件於切削加工過程中的至少一組切削參數(斷屑切削參數)，該切削參數至少包括一斷屑頻率、一斷屑振幅及一斷屑路徑，應用上，該切削參數也可包括一斷屑屑長。進一步說明，在切削加工的過程中並非所有的時間點都需要斷屑。該運算單元200會計算出，在切削加工過程中的斷屑路徑上所對應的斷屑頻率與斷屑振幅。如此一來可大幅減少過往使用者藉由試誤法來產生斷屑切削參數的問題。
其中，該加工輪廓為該工件最後加工完成的樣子，可以是CAD檔或影像檔或其他格式。該切削加工系統根據該工件的轉速與該刀具的進給速率，計算該工件與該刀具兩者的該相對運動關係，或該切削加工系統根據該工件的進給速率與該刀具的轉速，計算該工件與該刀具兩者的該相對運動關係。
實施應用上，該運算單元200更包括根據該加工輪廓計算出對應該加工輪廓的至少一切線方向，且該運算單元200根據該加工輪廓、該至少一切線方向與該相對運動關係，確保切削參數的起振方向與切線方向保持一致關係，計算出該工件於切削加工過程中的該至少一組更優的切削參數。舉例來說，在加工過程中，當運算單元200根據加工輪廓算出切線方向為X軸方向時，加工刀具也會沿著X軸方向進行加工。此時，加工刀具的切削參數的起振方向也為X軸方向，加工刀具會根據考慮切線方向後的更優切削參數進行加工。
在本發明另一實施例中，針對加工輪廓為曲線段(點運動方向連續變化的軌跡)時，傳統上在數值控制器中處理曲線方式，會將曲線段拆成無數小點去描繪，等同拆解曲線本身運動方向連續變化的特徵，雖然更方便描述曲線段，但也會造成斷屑切削振動方向無法準確沿著加工輪廓進行，可能會造成額外的無效振動，進而造成斷屑效果不理想與機台壽命縮短。而本發明透過該運算單元200，可藉由加工輪廓獲取完整曲線資訊，並計算出該加工輪廓針對該曲線的的至少一切線方向，作為起振方向規劃，避免無效振動的產生，達到更好的斷屑切削效果。另一方面，本發明的優點在於計算完之後的資料不管是甚麼格式匯入已內建斷屑功能的CNC加工機台，該CNC加工機台可藉由該加工輪廓的至少一切線方向相關資訊可以讓斷屑效果更好。
其中，在計算斷屑切削參數部分，加工輪廓指的是目標工件外型，切削條件則是指定義切削過程中工件軸與刀具軸的相對運動關係，可以是單位時間下或是單位圈數下等任意搭配形式(如轉速、進給)。此處支援針對加工輪廓不同段落給定不同切削條件。給定切削條件後，斷屑切削演算法就會根據加工輪廓中的不同段落對應其切削條件，依據斷屑品質判定出一組或多組可穩定斷屑的最佳化斷屑參數，搭配需要配合的加工段落呈現供使用者抉擇。
在判斷屑頻率參數是否可以穩定斷屑部分，是透過斷屑振動波形的相位差與振幅，結合加工路徑規劃出含有振動的加工路徑，再藉由斷屑頻率去做相鄰道次的路徑分析，確認在預定的斷屑頻率中可否確實發生空切段達到切屑不連續，進而完成斷屑。
本案切削加工系統更包含一儲存單元300(如圖2所示)，該儲存單元300用以儲存一機台模型，該機台模型由一機台剛性及/或一控制伺服所建立，該運算單元200根據該加工輪廓、該相對運動關係、該機台模型計算出該工件於切削加工過程中的至少一組較前述優化的切削參數(斷屑切削參數)。
其中，該機台剛性包括該機台的靜剛性(機台在外力作用下的抗變形能力)或該機台的動剛性(機台在外力作用下的振動反應)；該控制伺服包括該機台的動程參數或該機台的伺服參數(電流、速度、位置控制迴路相關參數)。
實施應用上，該儲存單元300更可以包括該工件的材料性質及/或該刀具的刀具參數，合併該加工輪廓、該相對運動關係與該機台模型，該運算單元200計算出該工件於切削加工過程中的至少一組較前述更佳的切削參數(斷屑切削參數)。
實施應用上，在完成斷屑切削參數計算後，使用者可以再搭配該機台模型與該工件的材料性質及/或該刀具的刀具參數的導入去進行斷屑品質提升的動作，可以針對斷屑切削參數產生上考量更多實際加工的情境。該機台模型為建立模擬切削模型，透過定義機台構型，模擬機台在目標工藝下的動、靜態剛性。但一般機台在實際切削下除了動靜剛性所關注的切削力所造成的影響外，還需要考量工具機本身的動程參數以及伺服參數設置。因此再透過輸入機台的伺服參數，包含電流、速度、位置控制迴路的增益、當前阻尼比加上積分時間常數加上加減速規劃的動程參數，透過多體動力分析(MBD)與控制模型整合建立完整工具機模擬切削模型。而材料特性則是指加工材料在面對工具機切削此種高熱、高外力情境下，對於該工件本身可能造成的應力變化以及切削本身是否會被影響。
實施應用上，本案切削加工系統更包含一轉檔單元400(如圖3所示)，該轉檔單元400根據該運算單元200傳來的該至少一組切削參數轉換成一加工檔。這裡的轉檔單元400為CAM(Computer Aided Manufacturing，電腦輔助製造)，用於生成數控控制工具機的電腦數控代碼，包括使用者選擇工具的類型、加工過程以及加工路徑。
實施應用上，該輸入單元100可以用於包括接收一預設切削參數，透過該運算單元200判斷該預設切削參數與該至少一組切削參數的差異是否在一容許範圍內。
在斷屑品質的判定上，主要會考量兩大方向：斷屑的屑長以及加工後表面光潔度。舉例來說，當斷屑的屑長過長，將會造成屑與屑之間容易因為切削過程中的高溫被焊接在一起，造成纏屑。另外在光潔度部分，斷屑切削的表面會因為頻率高低差異以及振幅大小造成切削表面的刀痕呈現不一樣的狀態；相同振幅下頻率愈高，表面的刀痕越密集且振幅實際回授會因為高頻因素而有衰減現象，而使得刀痕較淺，可以順利的在精修後達到預期的表面粗糙度。
本案使用者可自行輸入該預設切削參數(斷屑切削參數)，用以進行是否能夠斷屑的判定以及最佳化，判斷該預設切削參數與該至少一組切削參數的差異是否在作動的容許範圍內。會根據斷屑的屑長以及頻率估測斷屑品質以及加工後表面光潔度，並給出優化後的建議斷屑切削參數，提供使用者作為調整進給速率變化之頻率或振幅的依據。例如，當模擬出的切屑超過一定長度，會提醒使用者更改斷屑參數；另外在光潔度部分，會根據模擬出來的刀痕，考量使用者預計使用的精修刀具及其精修預留量，告知使用者加工後的表面粗糙度與光潔度是否適合，是否需要透過調整斷屑參數做改變。
整體技術上，本案透過輸入單元100匯入該加工輪廓(工件成品的幾何外型與尺寸)、切削條件(建立工件軸與刀具軸在切削過程中的相對運動關係)，該運算單元200計算含有斷屑切削效果的切削路徑模擬，給出一組或多組可穩定斷屑的斷屑切削參數(頻率、振幅)，提供使用者在斷屑切削參數選用時的參考依據。
另一方面，再透過該儲存單元300內建立機台模型、引入材料特性進行參數計算結果優化。將可考量當前斷屑切削參數是否會造成機台過振或伺服落後問題，以及遇到不同材料時切屑品質的控制問題，獲取更佳的切削參數。
本案技術也支援斷屑參數的驗證與最佳化。使用者可以在已確認切削條件與加工輪廓的情形下自行給定斷屑頻率與振幅，再透過本發明驗證斷屑加工情境與模擬斷屑效果；而在當該組參數被判定無法有良好斷屑模擬效果時，系統會提醒使用者該組參數不建議使用，並給出適合的最佳化斷屑切削參數。
透過本案技術，實施上可以迅速得到當前加工藝下適合的斷屑切削參數，並支援使用模擬得知當前斷屑參數效果。可以改善過往透過試誤法的方式，一次調整一種變因進行加工來逐步收斂，找出適合的斷屑切削參數，因此可以達到節省時間成本，提高加工效率的效果。
上述揭示的實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。
100:輸入單元
200:運算單元
300:儲存單元
400:轉檔單元
[圖1]為本案切削加工系統的方塊示意圖一。
[圖2]為本案切削加工系統的方塊示意圖二。
[圖3]為本案切削加工系統的方塊示意圖三。
100:輸入單元
200:運算單元
Claims (20)
- 一種切削加工系統，應用於一切削機台對一工件加工的切削參數計算，包括：一輸入單元，其接收該工件的一加工輪廓，及該工件與一刀具兩者在切削加工過程中的一相對運動關係；一運算單元，其根據由該輸入單元傳來的該加工輪廓與該相對運動關係，該運算單元根據該加工輪廓計算出對應該加工輪廓的至少一切線方向，且該運算單元根據該加工輪廓、該至少一切線方向與該相對運動關係，該運算單元計算出該工件於切削加工過程中的至少一組切削參數。
- 如請求項1所述之切削加工系統，其中，該切削加工系統更包含一儲存單元，該儲存單元用以儲存一機台模型，該機台模型由一機台剛性及/或一控制伺服所建立，該運算單元根據該加工輪廓、該相對運動關係、該機台模型計算出該工件於切削加工過程中的至少一組優化的切削參數。
- 如請求項2所述之切削加工系統，其中，該機台剛性包括該機台的靜剛性或該機台的動剛性。
- 如請求項2所述之切削加工系統，其中，該控制伺服包括該機台的動程參數或該機台的伺服參數。
- 如請求項2所述之切削加工系統，其中，該儲存單元更包括該工件的材料性質及/或該刀具的刀具參數，合併該加工輪廓、該相對運動關係與該機台模型，該運算單元計算出該工件於切削加工過程中的至少一組最佳的切削參數。
- 如請求項1所述之切削加工系統，其中，該切削加工系統更包含一轉檔單元，該轉檔單元根據該運算單元傳來的該至少一組切削參數轉換成一加工檔。
- 如請求項1所述之切削加工系統，其中，該切削加工系統根據該工件的轉速與該刀具的進給速率，或根據該工件的進給速率與該刀具的轉速，該切削加工系統計算兩者的該相對運動關係。
- 如請求項1所述之切削加工系統，其中，該切削參數至少包括一斷屑頻率、一斷屑振幅及一斷屑路徑。
- 如請求項8所述之切削加工系統，其中，該切削參數包括一斷屑屑長。
- 如請求項1所述之切削加工系統，其中，該輸入單元更包括接收一預設切削參數，該運算單元判斷該預設切削參數與該至少一組切削參數的差異是否在一容許範圍內。
- 一種切削加工方法，應用於一切削機台對一工件加工的切削參數計算，包括：藉由一輸入單元匯入該工件的一加工輪廓，及該工件與一刀具兩者在切削加工過程中的一相對運動關係；及根據由該輸入單元傳來的該加工輪廓與該相對運動關係，一運算單元根據該加工輪廓計算出對應該加工輪廓的至少一切線方向，且該運算單元根據該加工輪廓、該至少一切線方向與該相對運動關係，透過該運算單元計算出該工件於切削加工過程中的至少一組切削參數。
- 如請求項11所述之切削加工方法，其中，該切削加工方法更藉由一儲存單元儲存一機台模型，該機台模型由一機台剛性及/或一控制伺服所建立，該運算單元根據該加工輪廓、該相對運動關係、該機台模型計算出該工件於切削加工過程中的至少一組優化的切削參數。
- 如請求項12所述之切削加工方法，其中，該機台剛性包括該機台的靜剛性或該機台的動剛性。
- 如請求項12所述之切削加工方法，其中，該控制伺服包括該機台的動程參數或該機台的伺服參數。
- 如請求項12所述之切削加工方法，其中，該儲存單元進一步儲存該工件的材料性質及/或該刀具的刀具參數，合併該加工輪廓、該相對運動關係與該機台模型，該運算單元計算出該工件於切削加工過程中的至少一組最佳的切削參數。
- 如請求項11所述之切削加工方法，其中，該切削加工方法更包含一轉檔單元，該轉檔單元根據該運算單元傳來的該至少一組切削參數轉換成一加工檔。
- 如請求項11所述之切削加工方法，其中，該切削加工方法根據該工件的轉速與該刀具的進給速率，或根據該工件的進給速率與該刀具的轉速，計算兩者的該相對運動關係。
- 如請求項11所述之切削加工方法，其中，該切削參數至少包括一斷屑頻率、一斷屑振幅及一斷屑路徑。
- 如請求項18所述之切削加工方法，其中，該切削參數包括一斷屑屑長。
- 如請求項11所述之切削加工方法，其中，藉由該輸入單元匯入一預設切削參數，透過該運算單元判斷該預設切削參數與該至少一組切削參數的差異是否在一容許範圍內。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| TW112100504A TWI843386B (zh) | 2023-01-06 | 2023-01-06 | 切削加工系統及其加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI843386B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW247879B (zh) * | 1991-07-01 | 1995-05-21 | Get Valenite Corp | |
| TW202040297A (zh) * | 2019-04-26 | 2020-11-01 | 日商芝浦機械股份有限公司 | 工件的加工方法及工件的加工機 |
| US20210080919A1 (en) * | 2018-03-12 | 2021-03-18 | Amada Co., Ltd. | Cutting processing machine and cutting processing method |
-
2023
- 2023-01-06 TW TW112100504A patent/TWI843386B/zh active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW247879B (zh) * | 1991-07-01 | 1995-05-21 | Get Valenite Corp | |
| US20210080919A1 (en) * | 2018-03-12 | 2021-03-18 | Amada Co., Ltd. | Cutting processing machine and cutting processing method |
| TW202040297A (zh) * | 2019-04-26 | 2020-11-01 | 日商芝浦機械股份有限公司 | 工件的加工方法及工件的加工機 |
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