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歷史雜誌

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桶形刀具對於複雜曲面加工效率與品質提升的實證分析

作者 彭達仁汪正祺廖子勛

刊登日期:2025/03/05

摘要

隨著智慧製造的不斷發展,對於五軸加工機與加工效率優化受到高度關注,且針對桶形刀具的應用需要更深入的研究。在本文中以HyperMill 軟體針對具有複雜曲面的工件規劃刀具路徑同時設計適合的桶形刀具,並以永進NFP500A五軸工具機台進行實機驗證。在進行實切複雜曲面以前,將透過HyperMill CAD設定切削參數包括轉速、進給、切削深度、切削寬度、加工工法等,探討出能夠實際在五軸工具機上切削的刀具,並生成最佳化節能的刀具路徑,藉由對比使用三軸工法的球刀及五軸工法的酒桶形銑刀實際切削的成果。本文中針對兩種不同刀具不同工法所得出的加工時間、加工面表面粗糙度等進行優劣的比較,並得出針對此複雜曲面所選擇的最佳化刀具外型。結果顯示,在理論表面粗糙度同樣限制在0.4167um時,半徑為3mm的球刀所能輸出的步距為0.1mm,而曲率半徑為150mm的圓錐形桶形刀所能輸出的步距則為0.7mm,桶形刀的可執行步距為球刀的七倍,且半徑為3mm的球刀在同樣具有複雜曲面工件的加工時間為9分38秒,而曲率半徑為150mm的圓錐形桶形刀的加工時間則為1分40秒,加工效率提升了261%。

Abstract

With the continuous development of smart manufacturing, five-axis processing machines and processing efficiency optimization have received great attention, and the application of barrel-shaped tools requires more in-depth research. In this article, HyperMill software is used to plan tool paths and suitable barrel-shaped tools for workpieces with complex curved surfaces, and the YCM NFP500A five-axis tool machine is used for actual machine verification. Before cutting complex curved surfaces, the cutting parameters including speed, feed, cutting depth, cutting width, processing method, etc. will be set through HyperMill CAD to explore the cutting tools that can actually be cut on a five-axis machine tool and generate the best Energy-saving tool path, by comparing the actual cutting results of a ball cutter using a three-axis method and a barrel-shaped milling cutter using a five-axis method. This article compares the advantages and disadvantages of the processing time and surface roughness of the machined surface obtained by two different cutting tools and different working methods, and obtains the optimal tool appearance selected for this complex curved surface. The results show that when the surface roughness is also limited to 0.4167um, a ball cutter with a radius of 3mm can output a step of 0.1mm, while a conical barrel cutter with a curvature radius of 150mm can output a step of 0.7 mm, the executable step distance of the barrel cutter is seven times that of the ball cutter, and the processing time of the ball cutter with a radius of 3mm on the workpiece with the same complex curved surface is 9 minutes and 38 seconds, while the conical barrel cutter with a curvature radius of 150mm takes The processing time is 1 minute and 40 seconds, and the processing efficiency is increased by 261%.

前言

工具機在製造業中占有關鍵地位,依據美國能源部於2012年發布的能源年鑑,工具機的用電量占製造業整體用電量的75%,顯示其耗能比例相當大,因此開發節能加工製造設備成為企業及政府共同關注的焦點。且隨著全球智慧製造的蓬勃發展,工具機產業已逐漸朝向高效能、高精度及智慧化的方向邁進。在現代製造領域中,五軸加工技術因其能在複雜曲面加工中提供卓越的靈活性和精度,而成為航空、汽車、模具等高端產業不可或缺的重要技術之一,近來,凸形[1]和凹形[2]刀具開始被應用於渦輪葉片的側銑加工。凹形刀具,也被稱為桶形刀具,被提出作為側銑加工的一種替代方案,具有更高的材料去除率、更好的可達性以及改進的剛性[3,4]。此外,具有自由曲面幾何形狀的部件並非航空部件所獨有,但它們在模具[5]和生物醫學行業[6]中也經常遇到。在這些工業領域中,在不犧牲生產率的情況下提高表面品質和完整性至關重要。當工件具有複雜曲面需要進行刀路編排時將會遇到許多問題包含干涉、需要更多的刀具等,加工複雜曲面至今仍是一個難以掌控的挑戰。目前,有兩種策略可以用於加工這些形狀[7]:使用圓柱形或圓錐形刀具進行滾銑加工,以及使用半球形或環狀刀具進行端銑加工。

國際標準化組織(ISO)針對五軸加工技術制定了一系列相關規範,如ISO 10791系列標準,這些規範旨在確保加工中心的精度、穩定性以及加工效率,並為先進製造業提供技術指導。同時,針對刀具技術的優化與應用,如桶形刀具(barrel cutter)的研究,也成為提升五軸加工效率和加工品質的核心課題。因為與球頭立銑刀相比,使用桶形刀具進行切削可以減少加工時間並提高表面光潔度[8]。在自由曲面 CNC 加工中,端銑刀具的選擇一直是工業和學術界關注的主題。Lasemi 等人[9]提出了一個關於刀具幾何選擇的簡要概述,涵蓋粗加工階段、半精加工階段、精加工階段以及清理加工階段。Harik 和 Gong[10]介紹了五軸側銑加工領域的先前研究,其中包括有關刀具幾何形狀的相關研究。在眾多刀具應用研究中,桶形刀具因其特殊的幾何設計能有效增加切削步距,減少加工時間,並提升表面品質而備受關注。本研究旨在針對桶形刀具在五軸加工中針對具有複雜曲面的工件進行加工應用探討,結合HyperMill CAD/CAM軟體進行刀具路徑規劃與模擬,並在永進NFP500A五軸工具機上進行實際加工測試,以驗證模擬結果的可行性與有效性。此外,本文透過與傳統三軸工法中球刀的加工成果進行對比分析,包括加工時間與表面粗糙度等性能指標,期望能為五軸加工刀具的選擇與應用提供更具體的參考依據。

桶形刀具理論

桶形刀的設計主要有三種常見形式包括酒桶形刀具、相切型刀具以及圓錐形刀具。其中酒桶形桶形刀具(Barrel Cutter)具有類似於酒桶表面的弧狀曲線,刀刃中部的弧度較大,適合用於加工大曲率表面的平滑區域,能顯著增加切削步距,減少加工時間並提升表面粗糙度的均勻性。相切型桶形刀具(Tangent Barrel Cutter)則採用刀刃與工件表面相切的設計,能更有效地實現對特定表面的接觸與切削,尤其在加工過渡區域時能提供更高的穩定性與精度。而圓錐形桶形刀具(Conical Barrel Cutter)則具有圓錐形刀體,刀刃呈圓錐狀分佈,適合用於加工與水平面角度較小的曲面結構,但由於圓錐形桶形刀具的椎角較大因此圓錐形刀刃的長度被限制住,步距的極限也因此縮短,但優勢是在加工水準相接到垂直的曲面可以產出較為優秀的接刀痕跡同時還能保持較高的切削穩定性。

桶形刀具切削旋轉時的曲面幾何關係模型可由方程式(1)表示。桶形刀的最大及最小主曲率分別由方程式(2)及(3)得知,ec1ec2分別表示 Pc 點處的最大和最小主曲率方向,如圖3所示,曲率半徑 rc1是 Pc和 N之間的距離,N是法向量 nc與刀具軸的交點[2]。

 

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