滚花机构中凹辊曲面图案的3D建模及多轴加工.pdf

:./.滚花机构中凹辊曲面图案的 建模及多轴加工顾丽敏(浙江经贸职业技术学院 浙江 杭州)摘 要:该文主要对滚花机构中凹辊曲面结构进行了 建模设计与创新同时研究并优化了凹辊滚花图案的多轴加工工艺主要包括刀轨设计、刀具选用、切削参数设置最终形成了集 设计到多轴加工的高质量加工策略 实验数据分析结果表明此加工策略可有效提高滚花机构中凹凸辊曲面加工质量提高加工效率具有广阔的市场应用前景关键词:凹辊曲面多轴加工工艺设计中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引 言滚花是在金属制品外表面滚压花纹的机械加工工艺一般用于防滑 但随着技术的不断迭代更新人们对产品外观品质的审美与个性化要求日益提升因此对滚花机构中凹凸辊模具的图案设计与工艺加工也提出了更高的要求 滚花机构是由成对的凹辊与凸辊、左侧板、右侧板、上盖板和底板及相关辅助标准件组成的一整套装配机构 滚花成型工艺要求达到能在.厚度的铝箔纸上滚压成型所以对其核心零部件凹凸辊及其他零部件之间的装配精度要求较高 实现该技术要求的关键难点在于保证凹凸辊之间的间距为.同时需保证压纹图案的深浅一致 其次在滚花图案的工艺设计上要求凹辊图案与凸辊图案之间精准啮合 为保证试压铝箔纸的完整性凹凸辊轮廓设计时互相接触的每个部位都必须有倒圆角要求以免出现试压铝箔纸被切断的情况针对上述难点问题笔者设计完成了一套滚花机构中凹凸辊(以凹辊为例)的曲面图形设计及成套模具加工的工艺策略在一定程度上解决了滚花图形的多样性设计与加工精度的问题 凹辊图案以中国地图版块及字体为 设计花纹根据凹辊尺寸利用 软件按比例精确设计了中国地图及字体滚花花纹并使图案完全缠绕凹辊圆柱面完成 设计建模应用自动编程软件的 仿真加工技术对凹辊图形进行刀路设计与加工保证凹凸辊之间的间距为.试压的花纹深浅程度一致 凹辊图案建模在应用自动编程软件 对凹辊图案的加工刀具路径进行规划设计时首先需要根据凹辊圆柱面尺寸对凹辊图案进行 建模图案建模质量的高低一定程度上会影响后续的 多轴加工效果 加工零件形状为 的圆柱形外曲面如何在其展开面上合理分布凹辊图形至关重要 这里可采用光栅模式下的 绘图方法来解决即在凹辊圆周方向展开后的长方形区域内进行中国地图和字图案的合理布局 根据 圆柱曲面尺寸可知其曲面展开长方形尺寸为.在此区域内进行中国地图和字体的 图案建模 在中国地图版块的绘制建模中需要做到以下三点:要注意中国地图的完整性按比例绘图时务必要做到严谨细致地图上一点都不能少在地图外轮廓曲线的绘制时需要做到曲线光滑连机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)制造业信息化收稿日期:作者简介:顾丽敏()女江苏常熟人副教授研究方向:机械设计及制造接无重叠曲线和相交曲线并且保证不会出现曲线断开的情况以保证所绘制的草图能够完全缠绕外圆柱面按照实际加工要求曲线过渡处的圆角半径须大于刀具直径以保证刀具在粗加工时尽可能较大范围地切除多余材料提高加工效率 凹辊图案二维草绘图和三维模拟图如图、所示图 凹辊图案二维 图 凹辊图案三维设计图模拟图 加工工艺研究凹辊曲面图案的加工工艺主要包括了装夹方案的确定、刀量具的选择以及切削参数的确定 装夹方案是加工前至关重要的一步直接影响其加工精度针对凹辊类型的圆柱体工件在保证工件尺寸和位置精度要求的同时重点需要考虑工件的同轴度因此需采用一夹一顶的典型装夹方案借助三爪卡盘和尾座顶尖来保证后续的加工精度要求 工件加工时应遵循先粗后精的原则刀具路径规划时按照先底部后侧壁的加工顺序 实际加工时需要兼顾加工精度和效率因此要尽可能减少换刀次数两流道和凹辊底部粗加工时考虑加工效率采用半径为 的立铣刀精加工考虑加工质量采用半径为.的球头刀侧壁粗精加工均采用半径为.的球头刀 切削参数的设置则需要根据被加工对象的材料及尺寸来确定凹辊体材料为经调质处理的 号钢遵循高转速、大切深和小进给的参数设置原则同时需要考虑实际加工中的切削力、切削热和刀具损耗等问题因此具体制定切削用量时要综合考虑刀具强度和切削效率一般情况下球头刀线速度控制在 /进给量为.具体加工工艺参数及工步设置如表、所示表 凹辊加工工艺表项 目内 容项 目内 容项 目内 容零件图号零件名称凹辊工位工序号工序名称凹辊图案加工加工程序号材料钢夹具三爪卡盘顶尖加工时间/表 凹辊加工工步设置工 步加工工艺编制刀具及参数设置主轴转速/(/)切削速度/(/)进给速度/(/)切 深/使用 立铣刀粗加工两流道内部材料:立铣刀 使用 立铣刀粗加工中国地图凹槽底面:立头刀 使用 球头刀精加工凹槽底部:球头刀 .使用 球头刀铣削地图侧壁轮廓:球头刀 .使用 球头刀精细两流道侧壁轮廓:球头刀 .利用 自动编程软件进行模拟加工时需要注意以下三点:凹辊轮廓的底壁铣削需要勾选自动壁而且须留.的加工余量切削参数设置时图样设置为平行线方式切削类型为往复式切削步进百分比设为 以避免出现刀路重复、刀路不完整等现象为了防止凹辊图案轮廓曲线导入时出现过切现象需要将尺寸公差参数适当降低刀具进出入方式设置为沿切线方向以提高加工面的光洁度避免出现毛刺 刀路路径规划.粗加工动态加工技术()在凹辊图形粗加工时遵循大切深、小步进的加工原则采用 软件中的动态加工技术可以以稳定的金属去除率铣削缩短加工时间同时延长刀具寿命减少机床磨损 动态刀路以刀具侧刃进行切削不仅是简单计算刀具移动路径而且还可根据一系列算法来分析刀具切入及坯料移除的过程 它可以根据加工中刀具的运动变化不断调整切削以稳定的材料去除率进行快速流畅的切削在具体刀路参数设置时采用曲面优化动态粗切刀路其重点参数设置有:通过调整第一刀补正减少第一路径进给的参数通过调整动态刀路中的第一路径参数以微量提刀方式铣削保证刀具在重新定位过程中不会擦伤工件表面在动态双向路径参数制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用设置时选择双向方式即可在常规进给速率中设置逆铣进给率在精确控制下刀方式中调整下刀进给速率和下刀主轴变速暂停时间使动态刀路更加灵活参数设置完成后利用软件的仿真加工功能可直观观察动态铣削加工效果效果如图、所示图 凹辊图案(地图)粗 图 凹辊图案(字体)粗加工效果图加工效果图.精加工旋转轴控制技术凹辊图案的铣削在粗加工完成之后需进行精加工设置精加工刀路和参数设置决定了最终的加工质量 为了达到最佳加工效果需要使用自动编程软件中提供的四轴刀路转曲线操作该操作可以解决 刀路转为 轴加工的难点问题 先采用 挖槽命令完成 平面内的加工如图 所示之后通过参数设置中增加旋转轴的方法将其转为 铣削如图 所示 在设置旋转轴时需要注意关键的两点:旋转轴直径尺寸必须跟凹辊圆柱形曲面直径尺寸()保持一致在铣削中国地图和字体时两个刀路中旋转轴的转向必须相反(逆时针和顺时针)以保证加工的完整性 精加工仿真加工效果如图 所示图 挖槽平面刀路 图 刀路效果图图 精加工仿真加工效果图 加工实验结果通过自动编程软件 进行凹辊的数控模拟仿真加工确认其实际刀轨符合实际加工要求时就可以利用 的后置处理程序来生成 文件或 数控代码 系统本身提供了百余种后置处理 程序 对于不同的数控设备其数控系统可能不尽相同选用的后置处理程序也就有所不同 对于具体的数控设备应选用对应的后置处理程序后置处理生成的 数控代码经适当修改后使其符合所用数控设备的要求就可以输出 代码到数控机床并进行实际的数控切削加工 在此凹辊加工案例中将系统后置处理生成的 代码输入至西门子四轴加工中心数控系统中进行加工效果的实际验证图 试制零件(左侧为凹辊右侧为凸辊)最终实际加工结果表明凹辊工件在采用动态铣削和刀路转化(挖槽转 轴加工)加工策略后刀路得到进一步优化加工质量和效率都有了较大的提高如表 所列 凹凸辊最终的加工效果如图 所示表 加工策略对比加工方式刀路文件大小理论加工时间/表面质量装备效果自由曲面方式.基本满足要求试压铝箔细节较为明显刀路转化方式.光洁度较高试压铝箔细节明显 结 语文章采用光栅模式下的 绘图功能策略巧妙地解决了凹辊图案合理布局的难点问题 在加工过程中充分利用自动编程软件的动态加工和四轴刀路转换功能采用小步进、大切深的方式进行切削大幅降低空切 科学利用刀具刃长刃齿有效减少加工分层充分而稳定地从坯料中“挖”出切屑在单位时间内去除最多的坯料 这样的切削策略可以使刀具均匀磨损避免因频繁更换刀具而耽误加工时间从而进一步提高加工效率参考文献:曹著明冯志新顾春光等.某凸辊复杂零件多轴加工研究.制造技术与机床():.董丹丹.直纹滚花的铣削.中国新技术新产品():.孙耀志.浅谈车床滚花加工方法.中国新技术新产品():.唐进元尹 凤.基于 的三大类型五轴机床后处理程序编制方法.制造技术与机床():.黄小娣.基于 典型凹模的成行以及仿真加工.轻工科技():.文根宝文莉史文.头盔外壳成形模凸、凹模的加工工艺方法.金属加工(冷加工)():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)制造业信息化