切削力约束下的曲面加工刀具轨迹规划

摘要

复杂曲面表达的产品几何形状可控，性能优良，在航空航天、汽车、船舶及模具等工业领域获得了广泛应用。现今复杂曲面的造型技术已较成熟，但是其加工仍是一大难题。多轴联动数控机床为复杂曲面的加工提供了可靠途径，也极大地提高了其加工质量和加工效率。数控加工过程中，刀具轨迹与零件的加工精度和加工效率密切相关，也直接影响刀具寿命和机床的动态性能。合理的刀具轨迹规划是复杂曲面加工的重要保证，是复杂曲面数控加工的关键技术。
　　刀具轨迹规划分为两部分内容，一是刀具轨迹的参数，即走刀行距、步长的取值;二是刀具轨迹的拓扑形状，即走刀方式。曲面加工理想的刀具轨迹要满足:走刀行距、步长分布合理，加工后的残余高度均匀一致;切削平稳，切削力的波动小。本文以实现复杂曲面零件的高质量高效率加工为目标进行研究，具体研究内容如下:
　　在给定残余高度和加工误差的基础上，对UG数控加工刀位点数据进行走刀行距、步长优化。将数据点分组，通过最小二乘拟合法建立与曲面几何特征相关的具有最优走刀行距、步长的刀具位置网格。以网格节点作为加工的刀位点，任一刀位点往其所有邻居刀位点走刀均能获得均匀一致的残余高度。通过Matlab软件进行编程完成刀具位置网格的建立及迭代过程，计算网格节点的Z坐标和法矢量、曲率，确定网格节点的位置以及各节点与其邻居节点间的相关关系，将上述信息存储作为后续规划的基础。
　　针对走刀行距、步长优化后的刀位点，分析加工过程中产生的切削力波动的影响因素，以曲面几何特征为基础，综合考虑刀具轨迹拓扑形状与加工过程中的切削力波动，合理规划走刀方式，以加工过程中产生的切削力波动最小为约束制定走刀方式规划原则，根据实际加工情况在基本原则基础上附加约束条件，获得刀具轨迹。通过减小切削力波动以提高曲面加工质量。
　　规划后的刀具轨迹不仅能满足曲面的残余高度等几何要求，而且考虑了加工过程中动态特性和物理因素，保证了加工过程中产生的切削力波动小，对加工质量、刀具和加工设备均大有益处。对所获得的刀位数据信息进行了后置处理，编制用于三轴加工的G代码，最后以马鞍面刀位点数据为例，进行工件的提效和加工质量验证实验，验证了本文提出方法的正确性和有效性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 复杂曲面加工刀具轨迹规划技术的研究现状

1．2．1 刀具轨迹规划技术研究现状

1．2．2 走刀行距、步长计算研究现状

1．3 复杂曲面加工刀具轨迹规划方法存在的主要问题

1．4 本文主要研究内容

2 刀具轨迹规划基础

2．1 曲面数控加工过程

2．2 刀具轨迹规划相关基本概念

2．3 刀具轨迹规划方法

2．3．1 等参数线法

2．3．2 截平面法

2．3．3 等残余高度法

2．4 刀具轨迹规划关键技术

2．4．1 加工刀具选择

2．4．2 走刀行距计算方法

2．4．3 走刀步长计算方法

2．4．4 走刀方式的选择

2．5 本章小结

3 曲面加工走刀行距及步长优化

3．1 刀具位置网格的构建

3．1．1 刀具位置网格尺寸确定

3．1．2 刀具位置网格的建立及迭代过程

3．2 刀具位置网格节点的确定

3．2．1 刀具位置网格节点Z坐标的计算

3．2．2 刀具位置网格节点的邻居节点的确定

3．2．3 刀具位置网格节点法向量与曲率计算

3．3 走刀行距及步长优化前后对比

3．4 本章小结

4 切削力波动小为约束的曲面加工走刀方式规划

4．1 球头铣刀的切削状态分析

4．2 球头铣刀加工曲面切削力波动影响因素分析

4．2．1 实验探究

4．2．2 理论计算

4．3 切削力波动小为约束的走刀方式规化原则制定

4．4 切削力波动小为约束的走刀方式规划

4．5 本章小结

5 实验验证

5．1 加工与测力系统

5．1．1 加工设备

5．1．2 测力系统

5．1．3 加工刀具

5．1．4 采用材料及载体

5．2 走刀行距和步长优化后提效验证实验

5．2．1 实验方案

5．2．2 加工后表面粗糙度的测量与加工时间对比

5．3 走刀方式规划后加工质量提高验证实验

5．3．1 实验方法

5．3．2 切削力波动状况分析

5．3．3 加工后表面粗糙度的测量与分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢