一项关于具有数控回转工作台的三坐标数控加工中心可切削性评估的研究
关键词：三坐标数控加工中心，可切削性，表面粗糙度，样本
加工中心中极大地影响产品的可切削性特征是制造。因此，研究人员需要为高质量产品建立一种可切削性评价方法。本文研究的是三轴加工中心与数控回转工作台可加工性的评估。加工中心利用新的X轴成分作为数控回转工作台，为可切削性和加工中心的评估提出了一个新的测试试样。实验对加工中心和机器的特性用机械加工的试样进行分析。这项研究结果可以被应用到机床开发类似的区域。
1.简介
为了加工高品质和高精确度的产品，了解的机床的特征非常重要。了解机床特征是确定它生产产品的产量和质量的关键因素。可以一步一步的确定机床的特征并且可以在每个步骤进行中对切削性进行评价。机床的加工精度取决于其组成部分的几何和装配精度。实际中，加工精度的降低，即，表面粗糙度或者粗糙的表面轮廓，是由各种外部条件引起的，包括产品的加工过程中的热变形和机械振动。此外，由于其他因素引起的加工误差，有必要建立一个能够评估一个机床的特征的标准试样和评估的一种可行性方法。本文对带有数控回转工作台的三轴加工中心（三轴MCT）切削性评估进行了研究。在这项研究中，一旋转轴被施加到三轴的MCT上，代替现有的X轴。这是必要的，通过加工实验来验证可切削性，机械加工不使用现有的线性轴，而使用旋转轴。三轴MCT如图 1所示。不像现有的三轴加工中心，三轴MCT具有数控转台以高速和高准确度代替X轴。当加工工件时，现有的机床在Y和Z轴的方向移动。此外，在数控转台上安装工件，使工件旋转和移动。这种情况下，Y，Z，和C轴经由同步控制程序运动。高速和高精度数控转台的安装能够加工圆弧或槽。对于这些类型的加工，现有3轴机床需要一个额外的第四轴，而现有的机器并不具有这种功能。此外，现有的三轴机不同的是，所提出的机床不需要在X轴的方向上直线进给，从而大大减少了机床的总长度。
图1 一个带有数控回转工作台的三轴机床原理图设计
因此，可以防止由于X轴平台不平整引起的回转精度降低，并且可以通过降低进进给时间，减少了生产线降低循环时间和整体投资。以前的研究中建议用可以评估一般机床可加工性的测试样品7-9。在这项研究中，对以前的研究建议的测试样品进行了改进，试图创造一个适合三轴MCT与旋转轴试样。实验对加工中心和机器的特点进行了分析。拟议的试样可用于类似的机器工具开发的应用程序。
2、选择评价项目
考虑到机床的设计是为了设计一个精确的产品,评估影响其加工精度的因素是重要的。评估一般机器准确性的方法也可以分为直接评估和间接评估的方法。直接评价方法基于切削。对这种评价而言，测量圆度、垂直度和工件的形状误差，同时考虑到稳定加工，限制允许的切削深度和切削速度。这种方法有几个问题,尤其是评估机体的困难性和极少数领域的应用。另一方面, 通过测量运动和机床零部件的精度的间接评价方法来评估加工精度。当直接分析机床的特征时，这种方法具有优越性。然而,这种方法的问题包括在机床精度和已确定的机床的性能之间不满足已建立的尺寸，分析技术和一个不清楚的关系7,10。 选择评价项的标准如下。首先,检查热变形引起的热效应是必要的11。此外,在一个静态精度测试下检查机床的通用测试项目,平面度,主轴的径向跳动,转动的轴向跳动,直线运动精度。在这里, 选中一个向上/向下转移模型，研究在基本倾角下轴的径向跳动和直线运动。考虑到加工精度测试方法,检验顶部区域的形状和加工圆柱形状,以便于研究不同的圆柱度和平整度。 2.1热变形的检查
热变形,这是指热引起的机床的形状和尺寸变化,对一个产品的准确性有显著影响。探讨热变形的影响,在最后加工件切割完成后，第一个加工件A和最后一个建工件B创建后存在验证步骤，如图2所示。
图2 热变形测量模型
然后,就可以发现是否发生热变形,最后确定是否可以抵消热变形
8、9。 2.2根据进料速度和向上/向下切割确定表面粗糙度特征
对球头铣刀加工,很难选择合适的与条件有关的加工的形状、尺寸和精度,这些影响切削力和刀具变形的因素基于切削方向8。因此,本文包括六个部分分析主轴的径向跳动的倾斜度和根据进给速率和向上/向下切割方向，检查加工误差和表面粗糙度问题。在图3中部分2和3研究向上倾斜30 度和45 度的表面粗糙度。部分5和6研究向下倾斜65 度的表面粗糙度。部分5和6研究向下倾斜65度的表面粗糙度。当刀具向上移动时，部分4检测向上的投影。第七节在小倾斜角1度评估轴的控制。当刀具沿30-49度角度斜面移动时,可以比较两个方面的不同之处。这就解释了为什么部分5和6讨论会导致相同的倾斜角度。所有部分利用主轴旋转速度，3000 rpm,6000 rpm,9000 rpm和进给3000毫米/分钟和5000毫米/分钟。 2.3刀具向上/向下轨迹表面粗糙度特征
对于斜面加工,切割部分是分布式的向上切割底面外的工具的时候和向下切割时底部的内表面的工具。
图2热变形测量模型
图3显示倾角测量模型
在这一点上, 图4所示部分建立了比较单向加工和锯齿形加工方法。 2.4加工圆柱时表面粗糙度的特点
图5所示的模型是用来研究根据圆截面进给速率和回转速率 的表面粗糙度。像线性斜部分,总共六个部分建立了设置主轴转速为3000 rpm,6000 rpm,9000 rpm和设置进给速度为3000毫米/分钟和5000毫米/分钟。考虑上述评价方法,切削加工性能试样了如图6所示。用商业软件Solidworks建立模型试样。
3．结果与讨论
使用商业软件CATIA工具进行路径的创建和仿真验证流程。
用Al6061大小为200毫米×140毫米×52毫米创建标本。表1包含了一般过程中在实际加工时没有指定的单独加工条件的信息。图7显示了一个加工试样。使用Optacom表面测量系统衡量表面粗糙度和使用奥林巴斯共焦激光扫描显微镜(LEXT-OLS3100) 测量形状。这种测量设备图8所示。
图
7、制造的测试试样
图
8、测量设备
3.1通过热变形检测
在图3中A面最后切割,最后完成了B面。因此, 利用这个步骤以抵消热变形。热变形补偿过程表明,热变形非常轻微。图9显示了测量结果。
3.2表面粗糙度的特征取决于向上/向下切削
图10在一段30 度的斜面显示了表面粗糙度的特点。表面粗糙度随着转速的增加而减小,但是,进给速度放缓。在3000毫米/分钟和5000毫米/分钟之间也有显著差异的结果。图11在一段45度的斜面显示了表面粗糙度的特点,显示趋势类似30度的斜面。随着转速增加表面粗糙度会改善,但进给速度放缓。
图9热变形测量
图10表面粗糙度的特征取决于进给速率和转速(30 度向上)
图
11、表面粗糙度的特征取决于进给速率和转速(45度向上) 图13显示了在一段向下倾斜65度的表面表面粗糙度的特点,这是背面面积向上倾斜30度的表面。这表明进给速率越低转速越高会提供表面粗糙度。在这种情况下,发现表面粗糙度要比比向下的方向的好。图14显示在一段65度向下倾斜表面表面粗糙度的特点,这是背面面积45度向上倾斜的表面。表面粗糙度是可以接受的,但是发现它比30度倾斜部分背面地区要粗糙。这最有可能发生,因为在向上切割时由于大斜角度工具的径向跳动会影响表面粗糙度。与前面的结果比较,发现进给率降低和转速增加会提高表面粗糙度。图15显示了1 度斜面表面粗糙度的特点,这是背面向上倾斜30度的表面。总的来说,发现测量表面的粗糙度会非常好。 图12 在显微照片所示顶部区域特点取决于进给速率和转速
图13表面粗糙度的特性取决于进给速率和转速(65 度向下,30 度斜面背部区域) 图16显示了45度向上倾斜的背部区域中1度斜面表面粗糙度的特点。虽然表面粗糙度一般都很好, 发现向下倾斜30度的背部区域更糟。上面的分析结果表明, 向上切割的时，倾斜角度应超过30度。这导致刀具更大的径向跳动。由于累积的切削时间，尽管有相同的1度倾斜角度，在准确性方面会对后期切割的45度表面造成负面影响。
3.3表面粗糙度的特性取决于工具在向上/向下切割时的路径
图17显示了表面粗糙度的特性取决于在向上和向下切削时加工路径。用单向方法,向上和向下切削的表面粗糙度水平分别是0.833µm和0.833µm。用锯齿形方法, 向上和向下切削的表面粗糙度水平分别是1.807µm和1.245µm，表明对于表面粗糙度向上切削的结果比向下切削的效果要好。同时,对刀具轨迹而言,发现使用单向方法要比锯齿形的方法好, 观察可能是上下切削时工具挠度的影响。这个结果和观测的总体趋势
7同是相同的，使用锯齿形的方法时表面加工精度降低,
切削斜面和交替的结果，向上切削时的切削不足和向下切削时的过切现象。
（Feed 进给速率）
图14表面粗糙度的特性取决于进给速率和转速(65度向下,45度斜面的背部区域)
（surface roughne 表面粗糙度）
图15表面粗糙度的特性取决于进给速率和转速(1度斜面,35度斜面的背部区域)
3.4外圆加工表面粗糙度的特征
图18显示了外圆加工表面粗糙度的特点。对一些部分而言没有明显的特征。然而, 肉眼可见更高的转速会改善表面,与进给速率没有差别。因此，进料速率几乎不影响圆筒形状的表面粗糙度同时转速度会对表面粗糙度产生很高的影响。因为在圆柱加工期间不能确定合适的进给速率，这种现象最有可能发生。
图16表面粗糙度的特性取决于进给速率和转速(1度斜面,45度斜面的背部区域)
图16表面粗糙度的特性取决于刀具轨迹
图18显微照片所示圆柱段的表面粗糙度的特点
4、结论
本文评价的三轴加工中心用数控转台的机械加工性。结果给出了基于适用于本研究中提出的评价方法开发的测试试样机器特性的概述如下的评估。
1.通过几个步骤，热变形检测表明热变形被适当地抵消。 2.关于在倾斜表面上表面粗糙度特性，更好的结果是在较低的倾斜角度部分观察向上和向下的机械加工。另外，当1°倾斜表面被加工，在一般的表面粗糙度发现在一个良好的状态。总体而言，表面粗糙度最好特性是具有较低的进给速度和较高的转速。在顶部区域，从进给速率的效果证实了供料速率没有被适当地控制。
3.关于根据刀具路径的表面粗糙度的特征，单向方法比之字形方法在表面粗糙度方面显示出更好的效果。这被发现是由发生在向上和向下切削时刀具偏转而引起的。另外，加工精度成为该加工结果与基于之字形方式倾斜面的话，由于向上切削时不足的切削和向下切削时过度切削交替。
4.由于不可能确保适当的进料速率，在圆筒形加工时，发现表面粗糙度极少受进给速率影响，同时显著受转速影响。
5.用于评估的一般机床切削的一种改进试样被发现适用于具有旋转轴的三轴MCT。实验对使用加工中心机床的特征进行了分析。结果表明，所提出的试验片可以在相似类型的机床开发研究应用。 感谢
这项工作是由韩国(NRF)国家研究基金会支持的，并由韩国政府资助(MSIP) (No.2013035186)。
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