典型复杂曲面五轴数控侧铣加工刀位优化理论与实践

摘要

复杂曲面广泛应用于汽车、航空等领域，但复杂曲面数控加工十分困难，其加工精度和表面质量对整机的性能、外观影响较大。目前，曲面数控加工主要采用球头刀进行点铣加工，这种方法不仅加工效率低，而且加工表面的一致性差，刀具磨损严重。为此，针对不可展直纹曲面还可采用侧铣先进加工工艺，相比点铣加工既能改善加工质量，又能显著提高加工效率。但由于复杂曲面不可展，侧铣加工却存在刀具干涉的弊端。因此，围绕减小复杂曲面侧铣加工误差展开刀位优化理论研究，将对进一步改善曲面的加工精度和表面质量，提高加工效率，实现复杂曲面自适应精密数控侧铣加工具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　 为此，本文以弧面凸轮廓面和不可展直纹面等典型复杂曲面五轴侧铣加工工艺为研究对象，综合运用数控技术、侧铣加工基本理论和数值分析方法，探索和建立典型复杂曲面侧铣加工的刀位优化算法及其误差计算方法。具体研究工作如下：
　　 1）建立了特殊五轴联动机床的通用后置处理算法模型。通过分析特殊五轴联动机床的结构特点，推导了特殊五轴联动机床的通用后置处理算法模型，并开发了相应后置处理器。虚拟加工仿真和切削实验表明该后置处理算法及开发的后置处理器正确有效，五轴联动机床的性能可得到充分发挥。
　　 2）提出以刀轴轨迹面与凸轮廓面等距面的极差最小为优化目标的弧面凸轮单侧面加工刀位计算优化算法。针对弧面凸轮廓面的多轴数控加工，在分析现有各种加工工艺方法，尤其是分析单侧面加工方法存在不足的基础上，围绕减小加工获得的实际廓面与理论设计廓面的极差，建立了单侧面加工刀位计算优化算法。并通过实例对各种单侧面刀轨规划算法进行加工误差综合对比分析，结果表明所建立的刀位优化算法有效，可显著减小编程误差。
　　 3）分别建立了圆柱刀和锥形球头刀侧铣加工不可展直纹面的刀位优化算法。针对圆柱刀,刀位优化算法首先利用两点偏置法保证刀具与直纹面上的两条准线相切，然后根据误差分布自适应调整两切点的u、v参数值，使误差尽可能小；针对锥形球头刀，首先利用两点偏置法确定圆柱刀初始刀位，然后通过刀轴旋转半锥角得到锥刀初始刀位，最后以刀具包络面与设计曲面间的极差最小为优化目标，优化初始刀位。通过数控加工仿真、切削实验和编程误差综合对比实例分析，结果表明所建立的刀位计算优化算法正确，不可展直纹曲面加工误差明显减小。
　　 综上，本文的研究为进一步提高复杂曲面五轴数控侧铣加工精度，完善侧铣加工工艺，充分发挥五轴机床性能奠定了扎实理论基础。