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CN116237810A - 切削加工系统及其加工方法 - Google Patents

切削加工系统及其加工方法 Download PDF

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CN116237810A
CN116237810A CN202310017333.4A CN202310017333A CN116237810A CN 116237810 A CN116237810 A CN 116237810A CN 202310017333 A CN202310017333 A CN 202310017333A CN 116237810 A CN116237810 A CN 116237810A
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China
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cutting
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machine
parameters
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林家璇
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Syntec Technology Suzhou Co Ltd
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Syntec Technology Suzhou Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种切削加工系统及其加工方法，应用于切削机台对工件加工的切削参数计算，它包括：输入单元，所述输入单元接收工件的加工轮廓以及工件与刀具两者在切削加工过程中的相对运动关系；计算单元，所述计算单元根据所述输入单元传来的所述加工轮廓与所述相对运动关系，计算出工件在切削加工过程中的至少一组切削参数。通过输入加工轮廓(工件成品的几何外型与尺寸)、切削条件(建立工件轴与刀具轴在切削过程中的相对运动关系)，搭配断屑切削算法，计算含有断屑切削效果的切削路径仿真，给出一组或多组可稳定断屑的断屑切削参数(频率、振幅)，提供用户在断屑切削参数选用时的参考依据。

Description

切削加工系统及其加工方法
技术领域
本发明属于切削加工技术领域，涉及一种切削加工系统及其加工方法，尤其是关于断屑切削参数计算的切削加工系统及切削加工方法。
背景技术
在机床的切削加工过程中，断屑技术主要应用于降低切削韧性金属材料(StringyMaterials)时产生的连续碎屑现象(Continuous Chips)。在金属切削加工中，若产生连续碎屑现象，容易产生下述状况：1、切屑崩碎飞溅(不正常断屑)；2、过长的切削屑缠绕在工件或刀具上；3、切削屑卡在机构间造成工具机自动循环被破坏。因此，断屑功能的达成，最少可以达到以下效果：1、延长刀具寿命；2、减少一切可能因为缠屑造成的连带损害(例如︰刮花表面、妨碍自动化加工等)。
目前，断屑加工主要可以分为以下几种方式：振动断屑、加工中回退(啄式加工)、暂停加工或分段加工。其中，加工中回退、分段加工与暂停加工三种主要是通过间歇性的加工动作来断屑。振动断屑则是借由对切削工具或加工对象迭加振动波型，来达成连续断屑的效果。
在实际运用上，加工中回退或暂停加工是根据使用者给定的固定进给长度或进给时间作为分段依据，在每个分割点加入抽离工件表面或暂停的动作以达到断屑效果。分段加工则是根据使用者给定进给长度区间(最大值与最小值)，让每次所产生的切屑长度可以控制在一个小范围内。振动断屑则是根据使用者给定迭加在切削路径上的振动频率与振幅，制造相邻道次间切削的重迭区域，产生断屑效果。
由此可知，切削加工制程中的断屑切削技术均需要仰赖使用者的操作经验去给定一组合适的断屑切削参数，例如：加工中回退或暂停加工的断屑方式，使用者需判断合适的进给长度或时间；振动断屑的断屑方式，使用者需判断合适的振幅与频率。使用者若给定不当的断屑切削参数，将无法达到预期的断屑效果。值得注意的是，以振动断屑而言，使用者即便依照过往加工经验给定一组合适断屑振幅与频率，也需要考虑当前的机台或刀具是否能够负荷，避免造成机台振动或刀具损伤，进而影响加工表面光洁度。
目前，这些断屑参数只能使用试错法，通过使用者一次又一次的不同参数设定与加工尝试，观察实际机台振动与切屑产生情形以得到预期的断屑切削参数。
发明内容
基于上述缺陷，本发明提供一种切削加工系统，应用于切削机台对工件加工的切削参数计算，它包括：
输入单元，所述输入单元接收工件的加工轮廓以及工件与刀具两者在切削加工过程中的相对运动关系；
计算单元，所述计算单元根据所述输入单元传来的所述加工轮廓与所述相对运动关系，计算出工件在切削加工过程中的至少一组切削参数。
优化地，所述切削加工系统还包含储存单元，所述储存单元用于储存机台模型，所述机台模型由机台刚性及/或控制伺服所建立，所述计算单元根据所述加工轮廓、所述相对运动关系以及所述机台模型计算出工件在切削加工过程中的至少一组优化的切削参数。
优化地，所述机台刚性包括机台的静刚性或机台的动刚性。
进一步地，所述控制伺服包括机台的动程参数或机台的伺服参数。
进一步地，所述储存单元还储存工件的材料性质及/或刀具的刀具参数，结合加工轮廓、相对运动关系与机台模型，所述计算单元计算出工件在切削加工过程中的至少一组最佳的切削参数。
优化地，所述计算单元还根据加工轮廓计算出对应加工轮廓的至少一切线方向，且所述计算单元根据该加工轮廓、该至少一切线方向与该相对运动关系，计算出该工件于切削加工过程中的该至少一组更优的切削参数。
优化地，所述切削加工系统还包含转档单元，所述转档单元根据所述计算单元传来的至少一组切削参数转换成加工档。
优化地，所述切削加工系统根据工件的转速与刀具的进给速率，或根据工件的进给速率与刀具的转速，计算两者的相对运动关系。
优化地，所述切削参数至少包括断屑频率、断屑振幅和断屑路径。
进一步地，所述切削参数包括断屑屑长。
优化地，所述输入单元还接收默认切削参数，所述计算单元判断所述默认切削参数与至少一组切削参数的差异是否在一容许范围内。
本发明的又一目的在于提供一种切削加工方法，用于切削机台对工件加工的切削参数计算，包括：
通过输入单元输入工件的加工轮廓，及工件与刀具两者在切削加工过程中的相对运动关系；及
根据所述输入单元传来的加工轮廓与相对运动关系，通过计算单元计算出工件在切削加工过程中的至少一组切削参数。
优化地，它通过储存单元储存机台模型，所述机台模型由机台刚性及/或控制伺服所建立，所述计算单元根据加工轮廓、相对运动关系和机台模型计算出工件在切削加工过程中的至少一组优化的切削参数。
进一步地，所述机台刚性包括机台的静刚性或机台的动刚性。
进一步地，所述控制伺服包括机台的动程参数或机台的伺服参数。
进一步地，所述储存单元储存工件的材料性质及/或该刀具的刀具参数，合并加工轮廓、相对运动关系与机台模型，计算单元计算出工件于切削加工过程中的至少一组最佳的切削参数。
优化地，所述计算单元还根据加工轮廓计算出对应该加工轮廓的至少一切线方向，且所述计算单元根据加工轮廓、至少一切线方向与相对运动关系，计算出工件在切削加工过程中的至少一组更优的切削参数。
优化地，它还包含转档单元，所述转档单元根据所述计算单元传来的至少一组切削参数转换成加工档。
优化地，它根据工件的转速与该刀具的进给速率，或根据工件的进给速率该刀具的转速，计算两者的该相对运动关系。
优化地，所述切削参数至少包括断屑频率、断屑振幅和断屑路径。
进一步地，所述切削参数包括断屑屑长。
优化地，通过所述输入单元输入默认切削参数，通过计算单元判断所述默认切削参数与至少一组切削参数的差异是否在一容许范围内。
本发明通过输入加工轮廓(工件成品的几何外型与尺寸)、切削条件(建立工件轴与刀具轴在切削过程中的相对运动关系)，搭配断屑切削算法，计算含有断屑切削效果的切削路径仿真，给出一组或多组可稳定断屑的断屑切削参数(频率、振幅)，提供用户在断屑切削参数选用时的参考依据。
此外，本发明再通过建立机台模型，引入材料特性优化断屑切削参数计算结果。其中，机台模型的建立是通过输入机台的伺服参数(电流、速度、位置控制回路相关参数)后加上所使用的机台构型下的动静态刚性，建立机台在加工时的切削模型；材料特性则是指当前被切削料材的材料特性，如力学与热学性质等。通过上述条件导入，将可考虑当前断屑切削参数是否会造成机台过振或伺服落后问题，以及遇到不同材料时切屑质量的控制问题。
本发明也支持断屑参数的验证与优化。使用者可以在已确认切削条件与加工轮廓的情形下自行给定断屑频率与振幅，再通过本发明解析此断屑加工情境与模拟断屑效果；而在当该组参数被判定无法有良好断屑模拟效果时，本发明会提醒使用者该组参数不建议使用，并给出适合的优化断屑切削参数。
附图说明
图1为本发明切削加工系统的方块示意图一；
图2为本发明切削加工系统的方块示意图二；
图3为本发明切削加工系统的方块示意图三。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明，下面将结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所做的等效变化与修饰前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参照图1至图3，为本申请切削加工系统的方块示意图。本申请涉及一种切削加工系统，用于计算切削机台对工件加工的切削参数，适用于振动断屑(单轴或多轴)的切削机台，其包括：输入单元100和计算单元200；该输入单元100接收工件的加工轮廓，及该工件与刀具两者在切削加工过程中的相对运动关系；该计算单元200根据由该输入单元100传来的加工轮廓与相对运动关系，计算出工件在切削加工过程中的至少一组切削参数(断屑切削参数)，该切削参数至少包括断屑频率、断屑振幅和断屑路径，应用上，该切削参数也可包括断屑屑长(进一步说明，在切削加工的过程中并非所有的时间点都需要断屑)。该计算单元200会计算出：在切削加工过程中的断屑路径上所对应的断屑频率与断屑振幅。如此一来，可大幅减少过往使用者借由试错法来产生断屑切削参数的问题。
其中，加工轮廓为该工件最后加工完成的样子，可以是CAD档、图像文件或其他格式。该切削加工系统根据工件的转速与刀具的进给速率，计算该工件与该刀具两者的相对运动关系，或该切削加工系统根据工件的进给速率与刀具的转速，计算该工件与该刀具两者的相对运动关系。
实际应用时，该计算单元200还根据该加工轮廓计算出对应加工轮廓的至少一切线方向，且该计算单元200根据该加工轮廓、该至少一切线方向与该相对运动关系，确保切削参数的起振方向与切线方向保持一致关系，计算出该工件在切削加工过程中的至少一组更优的切削参数。举例来说，在加工过程中，当计算单元200根据加工轮廓计算出切线方向为X轴方向时，加工刀具也会沿着X轴方向进行加工。此时，加工刀具的切削参数的起振方向也为X轴方向，加工刀具会根据考虑切线方向后的更优切削参数进行加工。
在本发明另一实施例中，针对加工轮廓为曲线段(点运动方向连续变化的轨迹)时，传统上在数值控制器中处理曲线的方式：会将曲线段拆成无数小点去描绘，等同拆解曲线本身运动方向连续变化的特征，虽然更方便描述曲线段，但也会造成断屑切削振动方向无法准确沿着加工轮廓进行，可能会造成额外的无效振动，进而造成断屑效果不理想与机台寿命缩短。而本发明通过计算单元200，可借由加工轮廓获取完整曲线信息，并计算出加工轮廓针对该曲线的至少一切线方向，作为起振方向规划，避免无效振动的产生，达到更好的断屑切削效果。另一方面，本发明的优点在于计算完之后的数据不管是什么格式输入已内建断屑功能的CNC加工机台，该CNC加工机台可借由该加工轮廓的至少一切线方向相关信息可以让断屑效果更好。
其中，在计算断屑切削参数部分，加工轮廓指的是目标工件外型，切削条件则是指定义切削过程中工件轴与刀具轴的相对运动关系，可以是单位时间下或是单位圈数下等任意搭配形式(如转速、进给)。此处支持针对加工轮廓不同段落给定不同切削条件。给定切削条件后，断屑切削算法就会根据加工轮廓中的不同段落对应其切削条件，依据断屑质量判定出一组或多组可稳定断屑的优化断屑参数，搭配需要配合的加工段落呈现供使用者抉择。
在判断屑频率参数是否可以稳定断屑部分，是通过断屑振动波形的相位差与振幅，结合加工路径规划出含有振动的加工路径，再借由断屑频率去做相邻道次的路径分析，确认在预定的断屑频率中可否确实发生空切段达到切屑不连续，进而完成断屑。
本申请切削加工系统还包含储存单元300(如图2所示)，该储存单元300用于储存机台模型，该机台模型由机台刚性及/或控制伺服所建立，该计算单元200根据加工轮廓、相对运动关系、机台模型计算出工件在切削加工过程中的至少一组较前述优化的切削参数(断屑切削参数)。其中，该机台刚性包括机台的静刚性(机台在外力作用下的抗变形能力)或机台的动刚性(机台在外力作用下的振动反应)；该控制伺服包括机台的动程参数或机台的伺服参数(电流、速度、位置控制回路相关参数)。
在实际应用时，储存单元300还可以储存工件的材料性质及/或该刀具的刀具参数，合并加工轮廓、相对运动关系与机台模型，该计算单元200计算出工件在切削加工过程中的至少一组较前述更佳的切削参数(断屑切削参数)。
在实际应用时，在完成断屑切削参数计算后，使用者可以再搭配该机台模型与工件的材料性质及/或刀具的刀具参数的导入去进行断屑质量提升的动作，可以针对断屑切削参数产生上考虑更多实际加工的情境。该机台模型为建立仿真切削模型，通过定义机台构型，仿真机台在目标工艺下的动、静态刚性。但一般机台在实际切削下除了动静刚性所关注的切削力所造成的影响外，还需要考虑工具机本身的动程参数以及伺服参数设置。因此再通过输入机台的伺服参数，包含电流、速度、位置控制回路的增益、当前阻尼比加上积分时间常数加上加减速规划的动程参数，通过多体动力分析(MBD)与控制模型整合建立完整工具机仿真切削模型。而材料特性则是指加工材料在面对工具机切削此种高热、高外力情境下，对于工件本身可能造成的应力变化以及切削本身是否会被影响。
在实际应用时，本申请切削加工系统还包含转档单元400(如图3所示)，该转档单元400根据计算单元200传来的至少一组切削参数转换成加工档。这里的转档单元400为CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)，用于生成数控控制工具机的计算机数控代码，包括使用者选择工具的类型、加工过程以及加工路径。
在实际应用时，输入单元100可以用于接收预设切削参数，通过计算单元200判断默认切削参数与至少一组切削参数的差异是否在一容许范围内。
在断屑质量的判定上，主要会考虑两大方向：断屑的屑长以及加工后表面光洁度。举例来说，当断屑的屑长过长，将会造成屑与屑之间容易因为切削过程中的高温被焊接在一起，造成缠屑。另外在光洁度部分，断屑切削的表面会因为频率高低差异以及振幅大小造成切削表面的刀痕呈现不一样的状态；相同振幅下频率愈高，表面的刀痕越密集且振幅实际回授会因为高频因素而有衰减现象，而使得刀痕较浅，可以顺利地在精修后达到预期的表面粗糙度。
本申请使用者可自行输入预设切削参数(断屑切削参数)，以进行是否能够断屑的判定以及优化，判断该预设切削参数与该至少一组切削参数的差异是否在作动的容许范围内。会根据断屑的屑长、频率估测断屑质量以及加工后表面光洁度，并给出优化后的建议断屑切削参数，提供用户作为调整进给速率变化之频率或振幅的依据。例如，当模拟出的切屑超过一定长度，会提醒使用者更改断屑参数；另外在光洁度部分，会根据模拟出来的刀痕，考虑使用者预计使用的精修刀具及其精修预留量，告知使用者加工后的表面粗糙度与光洁度是否适合，是否需要通过调整断屑参数做改变。
整体技术上，本申请通过输入单元100输入加工轮廓(工件成品的几何外型与尺寸)、切削条件(建立工件轴与刀具轴在切削过程中的相对运动关系)，计算单元200计算含有断屑切削效果的切削路径仿真，给出一组或多组可稳定断屑的断屑切削参数(频率、振幅)，提供用户在断屑切削参数选用时的参考依据。
另一方面，再通过储存单元300内建立机台模型、引入材料特性进行参数计算结果优化。将可考虑当前断屑切削参数是否会造成机台过振或伺服落后问题，以及遇到不同材料时切屑质量的控制问题，获取更佳的切削参数。
本申请技术也支持断屑参数的验证与优化。使用者可以在已确认切削条件与加工轮廓的情形下自行给定断屑频率与振幅，再通过本发明验证断屑加工情境与模拟断屑效果；而在当该组参数被判定无法有良好断屑仿真效果时，系统会提醒用户该组参数不建议使用，并给出适合的优化断屑切削参数。
通过本申请的技术方案，实施时可以迅速得到当前加工艺下适合的断屑切削参数，并支持使用模拟得知当前断屑参数效果。可以改善过往通过试错法的方式，一次调整一种变因进行加工来逐步收敛，找出适合的断屑切削参数，因此可以达到节省时间成本，提高加工效率的效果。
以上所述仅为本发明较佳的实施方式，并非用以限定本发明的保护范围；同时以上的描述，对于相关技术领域中具有通常知识者应可明了并据以实施，因此其他未脱离本发明所揭露概念下所完成之等效改变或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种切削加工系统，应用于切削机台对工件加工的切削参数计算，其特征在于，它包括：
输入单元，所述输入单元接收工件的加工轮廓以及工件与刀具两者在切削加工过程中的相对运动关系；
计算单元，所述计算单元根据所述输入单元传来的所述加工轮廓与所述相对运动关系，计算出工件在切削加工过程中的至少一组切削参数。
2.根据权利要求1所述的切削加工系统，其特征在于：所述切削加工系统还包含储存单元，所述储存单元用于储存机台模型，所述机台模型由机台刚性及/或控制伺服所建立，所述计算单元根据所述加工轮廓、所述相对运动关系以及所述机台模型计算出工件在切削加工过程中的至少一组优化的切削参数。
3.根据权利要求1所述的切削加工系统，其特征在于：所述机台刚性包括机台的静刚性或机台的动刚性。
4.根据权利要求2所述的切削加工系统，其特征在于：所述控制伺服包括机台的动程参数或机台的伺服参数。
5.根据权利要求2所述的切削加工系统，其特征在于：所述储存单元还储存工件的材料性质及/或刀具的刀具参数，结合加工轮廓、相对运动关系与机台模型，所述计算单元计算出工件在切削加工过程中的至少一组最佳的切削参数。
6.根据权利要求1所述的切削加工系统，其特征在于：所述计算单元还根据加工轮廓计算出对应加工轮廓的至少一切线方向，且所述计算单元根据该加工轮廓、该至少一切线方向与该相对运动关系，计算出该工件于切削加工过程中的该至少一组更优的切削参数。
7.根据权利要求1所述的切削加工系统，其特征在于：所述切削加工系统还包含转档单元，所述转档单元根据所述计算单元传来的至少一组切削参数转换成加工档。
8.根据权利要求1所述的切削加工系统，其特征在于：所述切削加工系统根据工件的转速与刀具的进给速率，或根据工件的进给速率与刀具的转速，计算两者的相对运动关系。
9.根据权利要求1所述的切削加工系统，其特征在于：所述切削参数至少包括断屑频率、断屑振幅和断屑路径。
10.根据权利要求9所述的切削加工系统，其特征在于：所述切削参数包括断屑屑长。
11.根据权利要求1所述的切削加工系统，其特征在于：所述输入单元还接收默认切削参数，所述计算单元判断所述默认切削参数与至少一组切削参数的差异是否在一容许范围内。
12.一种切削加工方法，用于切削机台对工件加工的切削参数计算，其特征在于，包括：
通过输入单元输入工件的加工轮廓，及工件与刀具两者在切削加工过程中的相对运动关系；及
根据所述输入单元传来的加工轮廓与相对运动关系，通过计算单元计算出工件在切削加工过程中的至少一组切削参数。
13.根据权利要求12所述的切削加工方法，其特征在于：它通过储存单元储存机台模型，所述机台模型由机台刚性及/或控制伺服所建立，所述计算单元根据加工轮廓、相对运动关系和机台模型计算出工件在切削加工过程中的至少一组优化的切削参数。
14.根据权利要求13所述的切削加工方法，其特征在于：所述机台刚性包括机台的静刚性或机台的动刚性。
15.根据权利要求13所述的切削加工方法，其特征在于：所述控制伺服包括机台的动程参数或机台的伺服参数。
16.根据权利要求13所述的切削加工方法，其特征在于：所述储存单元储存工件的材料性质及/或该刀具的刀具参数，合并加工轮廓、相对运动关系与机台模型，计算单元计算出工件于切削加工过程中的至少一组最佳的切削参数。
17.根据权利要求12所述的切削加工方法，其特征在于：所述计算单元还根据加工轮廓计算出对应该加工轮廓的至少一切线方向，且所述计算单元根据加工轮廓、至少一切线方向与相对运动关系，计算出工件在切削加工过程中的至少一组更优的切削参数。
18.根据权利要求12所述的切削加工方法，其特征在于：它还包含转档单元，所述转档单元根据所述计算单元传来的至少一组切削参数转换成加工档。
19.根据权利要求12所述的切削加工方法，其特征在于：它根据工件的转速与该刀具的进给速率，或根据工件的进给速率该刀具的转速，计算两者的该相对运动关系。
20.根据权利要求12所述的切削加工方法，其特征在于：所述切削参数至少包括断屑频率、断屑振幅和断屑路径。
21.根据权利要求20所述的切削加工方法，其特征在于：所述切削参数包括断屑屑长。
22.根据权利要求12所述的切削加工方法，其特征在于：通过所述输入单元输入默认切削参数，通过计算单元判断所述默认切削参数与至少一组切削参数的差异是否在一容许范围内。
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