球面砂轮数控磨削复杂形状刀具的研究

摘要

复杂形状刀具特指刀体形状为圆锥面、椭球面等任意可能的回转面或其组合，且刃形复杂的回转面刀具，被广泛应用于航空航天、汽车、模具等领域。目前，国内高品质复杂形状刀具的制造仍依赖于进口CNC工具磨床及其配置的磨削加工软件。
　　 借鉴制造业中的可重构思想和程序设计中的模块化理念，提出基于模块的复杂形状刀具切削刃数学模型，以提高其通用性；推导了基于直母线体单元、基于圆弧母线体单元的等导程（或等螺旋角）螺旋切削刃、过球顶的平面曲线切削刃的数学模型及其边界条件，以构建切削刃数学模型中的基本模块；开发了基于AutoCAD 平台的复杂形状刀具设计模块。
　　 提出了采用球面砂轮CNC 磨削复杂形状刀具的加工工艺，利用球面的适应性，减少磨削加工所需机床联动轴数、实现前刀面在不同形状刀体结合部位的光滑过渡；构建了基于刀具设计法前角和切削刃曲线的游动坐标系，以主动控制被磨削刀具的法前角，简化刀位计算；确立了刀位计算的约束条件，推导出球面砂轮磨削前刀面时的刀位计算公式；探讨了刀位数据的后置处理方法。与目前广为应用的采用碟形砂轮的加工工艺相比，采用球面砂轮可使磨削圆锥球头立铣刀前刀面所需的机床联动轴数由五轴减少到四轴，并能实现复杂形状刀具前刀面在不同形状刀体结合部位的光滑过渡。
　　 针对球面砂轮磨削复杂形状刀具的加工工艺，提出了“立式”CNC工具磨床的原理模型，它在工件安装方式、机床结构布局上明显区别于现有的CNC工具磨床；分别以铣刀的“在位重磨”、以机床结构创新为目的，构建了若干机床结构布局模型。
　　 针对复杂形状刀具的前刀面等功能表面包络成形的特点，探讨了基于仿真加工的球面砂轮参数的确定方法；归纳了球面砂轮的参数对被磨削刀具前刀面、容屑槽及刀齿强度等的影响，为确定球面砂轮的参数提供了依据。
　　 自主开发了基于VC++和OpenGL的复杂形状刀具仿真加工软件，探索了仿真加工环境的构建方法；通过“离散-求交-过滤-重构”实现对材料去除过程的几何仿真；
　　 提出了基于偏转角θ一维优化的刀具毛坯自适应离散方法，以兼顾仿真加工精度和效率；研究了特征点的求解方法、确立了“过滤”特征点时应遵循的包容原则，以获取被磨削刀具各离散端截面的廓形；探讨了判别各有效特征点之间相关性的原则及相关算法，以实现被磨削刀具的实时重构。与基于AutoCAD 二次开发的仿真加工模块相比，实时性好，圆锥球头立铣刀前刀面的仿真加工时间可由375 秒缩减到11 秒。
　　 以圆锥球头立铣刀为例，利用基于AutoCAD 二次开发的仿真加工模块，验证了本文提出的加工工艺的可行性、游动坐标系的有效性，以及刀位计算公式、特征点求解算法、被磨削刀具实时重构算法等的正确性；通过CNC 磨削试验，再次证实利用球面砂轮可以实现复杂形状刀具前刀面在不同形状刀体结合部位的光滑过渡。