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CNC系统快速加工过程中粗加工的优化
Muhammed Nafis Osman Zahid, Keith Case amp; Darren Watts
摘要：该论文阐述了CNC系统粗加工优化的一种方法。特别是通过减速过程中制造的部件。整体目标是利用CNC工控机的特性比如说快速移动速率，广泛的材料和精度适应性，同时获得附加加工特性比如灵活的塑形，减少过程中的优化工作。粗加工主要用于移除大块材料和使工件大体塑形。加工过程使用以可装卸的用于紧固和旋转工件的额外轴的3轴CNC加工机械。该方法在粗加工中使用在方向和方向不同情况下的路径来加工。大多数机械参数在允许生成机械程序自动化过程中被泛化了。加工过程中的路径是基于生产部件时间最短原则。
关键词：粗加工；CNC数控机床；快速加工
1简介
快速加工用于生产的某些领域已经好多年了，比如生产模具和工具，生物器械和定制产品。在快速加工器件过程中产生了多种多样的工具和方法。但是大多数都是基于叠层加工。叠层加工是添加堆积材料来实现材料层从而叠出器件。但是这种方法依旧受到材料属性、器件精度、成本和性能的限制。从另一方面说，采用数控CNC机械作为快速加工的机械，似乎是克服AM制造工艺缺陷的可行的方法。数控机床拥有最高精度、可重复加工的特性以及可以加工多种材料。该过程使AM加工中的楼梯效应最小化，加工成本也会最小化。大体上说，快速加工的主要特点是需要快速操作，高度的自动化，和灵活性。这反应了CNC机械的优点但是过程计划任务是手动的，是高度依赖于人工输入。过程计划时间和效果是传统CNC机械的主要考虑的地方。这在小批量生产中使成本降低得即为可观。一种方法就是使用带有可转换的可以紧固工件的第四轴的三轴数控铣床。该方法允许在某轴不同旋转情况下进行刨切，能够生产出复杂形状和特色的产品。夹紧方法使用可调节设备来夹紧旋转工件围绕某轴，允许分层材料从多个方向移除直到部件的所有表面不再需要紧固。处理各种方向需要适当的过程计划以达到可靠的加工效率。所以，可视分析用于分析不同部件的刨铣方向。在加工过程中，在部件几何形状下的表面必须是在某些方向可见的。基于部件的几何形状和复杂度，该方法能够指定能够指导工具移除材料直到形状变得可见情况下的定位角。该分析程序还能够改变其他过程参数，包括工件最小规格，每个方向的最大和最小刨铣级别。
在可见性程序中提出的每一个方向，粗略加工的操作都是一个接一个地执行。工具的使用和加工参数的不同使得操作是不同的。粗加工是用于去除大部分的材料而最终则是要达到精确的形状的部件。正如图1所示，在第一次粗加工时，直到到达最远的表面或工件完全切除，材料移除操作才会发生。因此，粗加工刀具必须要有足够的长度来加工工件。使用最大化切削等级的主要原因是防止薄层包裹着刀具从而导致错误。从3个方向加工是另一种可行技术来防止薄层的产生。接下来，这个过程将继续完成，直到到达圆形工件的中心半径。工件旋转到另一个角度，完成上述加工过程。在加工工件的最后，小直径的圆柱用于连接工件和加工完成的部分。这些圆柱是会在接下来的加工过程中被移除。
在加工的最后阶段，可视性程序提出的方向是有效的。为了使最小化方向的数量，可视性程序在同一方向会合并粗加工和结束操作。未来，发展是在序列和优化方向过程中使用最初的角度协助可视性程序。最初的角度是根据这个角的大部分表面对加工可见的角度来确定的。从最初的角度作为第一个方向，其余的为了满足不暴露的表面而产生。因此,提供对可见性程序的角度会最小化方向集和减少加工过程的总加工时间。
使用CNC机械进行RM操作，有两大问题需要强调。第一，旋转的工件保证流程的连续性，而不需要任何重新加固工件的任务。然而这些方向限制了在完成操作中必须进行的粗加工操作。最常用的方法是优化通过操作过程的切割参数来加工操作。然而，这在cnc-rm应用程序中并不适用，因为它往往会使计划变得复杂。因此，优化是通过粗化的方向进行的。执行粗加工可能使用能够达到高品质的移除操作的方向集而不是依赖表面的可见性来决定方向。时间是主要影响加工时间的因素。粗略的操作可以被认为是一个非常耗时的过程特别是在模具和模具制造过程中涉及到大量的材料去除。因此，保持适当的控制并保持操作的过程效率是非常重要的。第二个问题是，在开始的时候，切割工具的插入的过程。粗磨工具需要把材料切到尽可能深的深度避免薄物质形成。增加的深度可能会增加工具失败的风险，因为工具很容易因为切割力而偏转。增加接触长度将会影响工具性能为了达到工具的温度并导致侧面磨损。基于在这些问题，本文提出了一种方法和来优化在数控加工中RM操作粗加工的方法。
2 CNC-RP综述
CNC-RP是从基于层的工具路径的简单集合派生而来的用于附加的RP技术方法。基本概念包括使用三轴垂直加工中心从某一特定方向的表面对所有可见的工件的加工。可见的表面是那些可以从切割轴-z轴向下看的时候能被看见的表面。并不是所有的表面都能在特定的方向上看到。因此，为了能够加工机器的所有表面，各种方向都需要，但是不需要重新紧固。这种重新定位是通过使用两种相反的第四轴来实现的。使用简单2.5D层叠工具来移除的可见截面跟传统机械操作粗加工相似。在附加RP中的楼梯效应在消去法中也存在。但是这不是一个问题因为工件被切割到大约20微米(0.02毫米)或者更精细的精度。这个过程是消耗较小的，并且成功地消除了特性识别和基于功能的过程规划。因为没有必要对生产的每个特性的独立环节进行计划。因为只有2.5维的工具路径是被加工的，不需要任何特性信息，一个使用小直径平端铣刀的通用方法是可行的。然而，使用小直径也有一些缺点。避免刀具弯曲或破损需要相对较低的进给率。深度切割的限制是由机械加工表面的要求精度所限制的。所以拆卸率很低，加工时间很高。然而，目标是通过移除或非常显著的减少过程计划和设置工作，使得整体效率得到了改善。定位方法通过使用小直径圆筒来实现的。这些小直径圆图是添加到CAD模型和选择轴平行几何结构的以保持加工过程完整。在移除工序中需要后处理工作。图2显示了CNC-RP方法的基本设置。在两个索引头之间使用一个圆形的材料图标3展现了过程中的步骤和使用CNC-RP器械制造的山地车的悬挂部件。整个机械操作需
要5个方向以及4个支持机构。两个支持机构在最后机械加工中被移除，在后处理工序中移
除剩下的两个。使用传统加固生产同样复杂的部件会产生大量问题，特别是重新夹紧和为
每一个方向复位坐标系统。生产计划不能完全被消除。在模具上加支持机构已经被提及了，也需要一些被限制的建立计划。有必要确定整个零件表面所需的方向的数量。使用2D可见地图的算法可以将设置的量最小化。每个方向的工具路径可以使用传统CAM系统和能够决定到每轴可视表面最远层深度简单的算法产生。工具选择对于避免冲突是最关重要的。工具长度必须每轴最远可见表面深度长，来避免工具夹持部分和材料相撞。工具的直径由加工部件的最小特征来决定
3 粗加工方法
为了适应可见度规划所提出的方向，开发了用于粗加工的加工方向。使用了两种方法。第一个方法为粗化操作提出了额外的方向而不是仅仅依赖于可见性计划提供的方向。第二种方法是在可见性项目中基于提取和分割粗操作并将其分配给其他与可见性取向没有联系独立的方向。对机械加工进行模拟，评估这两种方法的实用性，并发现最优的粗加工取向的角度。切割参数和刀具尺寸是根据工件材料确定的。在这个模拟实验中，圆柱形铝块作为工件和 不同规格的硬质合金平面铣刀被用于粗加工和最终操作。由于流程使无功能的方法参数保持不变，唯一改变的参数是粗糙的方向值。
仿真使用了Siemen的NX7.5软件，通过编码来模拟基于角度输入的加工程序。这一编码为粗加工操作、完成操作和非切削动作生成详细的加工时间并且一旦提供了所需的输入，程序就会自动运行。由仿真产生的总用的机器加工时间作为评估的准则。图4总结了用于优化数控加工中粗加工操作的方法。
3.1 额外的粗加工定位方法
该方法涉及对于当前方向集来说的外加机械方向。提出两种方法。第一个是增加了一个允许从切割材料直到圆工件的中心的粗略的方向。这个方法的模拟角度从0到359。第二种方法处理0和180两种额外方向。在每次模拟中，这个角度逐渐增加，从0增加到179，从180增加到359°为了避免薄材料的形成，切割直到到达圆柱支撑柱的周长才进行。剩下的厚料将是稍后被其他粗加工的操作移走。有这种想法的原因是在可见方向去除更多材料和缩短粗操作工序是可能的。
3.2 分离粗加工方向方法
这种方法改变了可见性，而不是增加朝向的数量。程序输出通过去掉粗化的方向并将其与之结合另一个方向。很多角度的组合都被用于粗加工过程。这由3个和4个角度组合产生五组粗加工方向集：(0,120,240)(0,135,225)(0,120,225)(0,135,240)(0,90,190,270)。三个角度的组合是在去除薄片的过程中粗加工操作的最低要求。第一个方向集(0， 120，240)同样地将工件分在一个旋转轴上。第二个方向集(0,1,135，225)是基于柱形工件的覆盖范围而开发的。角度0覆盖了工件的一半，但是另外两个角度，135和225是用来迎组合工件的另一半的。接下来的两个方向集是从第一个开和第二个方向集剥离的。每个方向集的两个角度值都被交换从而形成(0，120，225)和(0，135，240)粗糙的方向。最后，采用四角粗定位定位法来保证该区域的额外覆盖范围所有的范围和所有的功能部件。每个角的距离是90度，但是在第三个角上，值增加到190而不是180。这个增量值的原因是在粗加工的第三个方向上，有可能存在形成薄的材料的可能性操作。基于这个方向，这个工具被引导从一个倾斜位置开始，有效地塑造部件。
4.实现
利用上述方法，通过对实验结果的分析和使用四部分模型进行的一系列模拟研究，得到了实验结果。驱动轴，把手，椒盐瓶和儿童玩具。这些模型是随机选取的，由不同的特性部件组成。有多个特征的存在对于部件来说是很重要的，可以用于测试各个方向的有效性。表1展示了把手模型模拟的结果，基于这些结果，每个方向集可由机械时间和效率来比较。
在这项工作中，我们的目标是建立一种采用数控加工的快速制造工艺识别粗糙的方法。根据所提出的方向，基于表2中所示的特殊标准，对性能进行了分析。这些标准是最小总加工时间，最大粗加工时间，最小结束时间，最小非切削时间和最大粗加工百分比。花在粗加工和结束操作上的时间是相关的。因为粗加工操作是用于移除大量材料，增加粗加工的时间意味着最小化结束操作时间。由于从许多切割角度进行操作的过程，在粗化操作过程中移除的体积是可变的。因此，留下更少的材料将减少完成操作时间，并最终将总机加工时间最小化。因此，评估标准是根据切割操作之间的关系来制定的。
5.结果与讨论
总体上说，大多数评估标准是由四到两种定向集决定的。然而，最小的非切割时间提出了另外两个方向集，其中包括三个方向和可见性计划提出的方向。结果不同的方向集因不同的特性而不同。尽管如此，对于几乎所有模型来说，最有利的方法是通过一组四种来定向。额外的粗化方向方法，其中包括一个或一个两个方向，用于设法增加材料的移除体积。在一些模型经过分析，这种方法达到了评估标准。然而，它也存在一些缺点，即禁止使用这种方法来制定最佳的粗化方向。首先，它增加了加工操作的数量通过和可见性项目产生的操作比较。此外,当考虑到可视性项目的粗化角度时，可能是多余的。这将导致由于重复的切割区域而产生的低效率。另一个问题是，如果这两个额外的角共享，可能形成的薄物质与可见性项目的角度相同。这是一种很不利的情况，因为它可以在工具周围造成材料的卷曲，并导致机械加工零件缺陷。因为粗加工和加工的操作都被保留了下来，在操作和操作之间可以执行工具改变。
分割的粗化定向方法似乎是一种可行的优化方法粗加工操作。它允许不参考任何操作，独立地进行粗加工。同时，这种方法减少了在整个加工过程中只发生过一次的工具更改。即使是CNC机器配备自动工具更改系统，减少工具的变化依旧是好的做法。通过三种粗化方向的加工模拟显示了它的一致性性能，但是不会产生显著的结果。当处理一些复杂的部分时因为一些区域没有很好的覆盖并留下大量材料给结束工序，显著的弱点就暴露出来。
显然，尝试使用四种粗糙的方向似乎是优化粗加工过程的可行方案。该方法有效地清除了大量的物料，留下了一个合理的给完成操作处理的材料量。此外,这种方法在几乎所有的测试中都达到了最高的粗率操作率。这些发现的意义是，这种方法不仅减少了处理时间，而且减少了切割深度。在这种情况下，粗磨工具只会切割圆柱形工件的中心。这是一个防止工具走到最远的表面可能会增加失败的风险的实际解决方案。综合所有能力，使用4个粗操纵方向被认为是优化在减速CNC数控机床的粗加工的方法。
6.总结
数控加工为快速制造零件提供了可靠的解决方案。当前的方法，使用可索引的工具，成功地消除了多个集合工件的影响。可见性计划是为完成操作来识别方向的有效方法。然而，在完成后的方向上执行粗操作会限制粗糙的任务，并导致一些效率低下的问题。这个研究克服了这种限制，通过制定一种寻找最佳方法的替代方法粗加工操作的方向。实现四种粗化方向来减少加工时间和工具接触长度。这种方法被认为是优化过程的可行方案。在终端用户产品的快速生产中，目前的研究有几个值得注意的贡献。特别是在低产量的产品中，利用本研究提出的最佳切割方向，可以改善粗加工过程。将生产时间最小化将提高生产效率。此外，粗糙的策略还可以控制工具的接触长度，从而使刀具寿命的延长。最终，所有这些都将推动生产的成本降低并使CNC加工实现RM的一个可行的过程。未来的工作将强调在CAD系统中运行的编码和编程来创建一个自动化系统，实现快速制造的产品。
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