基于曲面分片的自由曲面模具加工技术研究

摘要

产品的外形美观多样化，使得具有复杂曲面的各种产品越来越多，因此对曲面加工的要求也越来越高，这就对自由曲面加工技术提出了更高的要求。数控铣削加工参数的选择和刀具轨迹的合理规划决定着模具自由曲面加工的效率和产品表面的质量。为了有效提高模具加工的效率和质量，本文对模具自由曲面的高效高品质加工的有关理论和实际加工应用进行了研究。
　　分析总结了现有几种曲面造型方法的优缺点，确定了以NURBS曲面描述模具自由曲面并分析了曲面固有的几何参数特性。通过Matlab构造自由曲面并计算了曲面离散型值点的曲率，根据曲面上点的性质将曲面初步划分为凸椭圆面、凹椭圆面、凸抛物面、凹抛物面以及双曲面。采用K-means聚类算法将曲面进行细分，得到几何特性相似的曲面片，并确定了曲面边界，完成了曲面的分区域规划。
　　完成了球头铣刀铣削模具自由曲面的刀具轨迹规划。根据等残留高度法对球头铣刀轨迹规划的走刀步长、加工行距、刀触点和刀位点等进行了计算和分析。选择不同的初始轨迹得到的刀触点不同，为了提高加工效率，使所有刀具路径的平均行距最大，在采用等残留高度法进行轨迹规划时，选择了所有刀触点间歇进给方向法曲率半径均值最大的刀具路径对应的初始轨迹，并通过该初始轨迹进行轨迹规划。通过实例验证了该初始轨迹对应的刀路总长度最小，相应的走刀时间也最短。
　　设计多因素正交试验研究了多轴球头铣削加工参数对淬硬模具钢表面完整性的影响。选择不同的加工参数如主轴转速、每齿进给量、径向切深、前倾角和侧偏角作为影响因素，以表面粗糙度Ra，表面显微硬度HV，表面残余应力作为评价指标，根据试验结果分析了各加工参数对表面完整性的影响规律，得出各参数对表面完整性影响的显著程度，为加工表面完整性预测提供了理论基础，也为实际模具切削参数合理选择提供依据。
　　完成了对自由曲面的分区域刀具轨迹规划仿真以及汽车前地板纵梁前段凸模的UG数控加工编程仿真和试验研究，对比分析了分区域加工与单一刀路下铣削加工的效率和表面质量，研究表明在精加工阶段，分区域加工可在保证加工质量的同时明显提高模具的加工效率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 多轴数控铣削加工刀具轨迹规划研究现状

1．3 模具自由曲面分区域加工研究现状

1．4 模具自由曲面加工表面完整性研究现状

1．5 存在问题及研究的主要内容

第2章 基于曲面几何特性的曲面分片规划研究

2．1 自由曲面几何特性分析

2．1．1 自由曲面表示方法

2．1．2 非均匀有理B样条(NURBS)曲面

2．1．3 NURBS曲面几何参数和特性分析

2．1．4 NURBS自由曲面实例

2．2 曲面分片规划

2．2．1 粗分加工区域

2．2．2 细分加工区域

2．2．3 曲面边界的提取

2．3 本章小结

第3章 自由曲面刀具轨迹规划

3．1 刀具选择

3．1．1 APT通用刀具几何模型

3．1．2 整体式球头立铣刀几何模型

3．2 等残留高度刀具轨迹规划

3．2．1 等残留高度基本思想

3．2．2 走刀步长的确定

3．2．3 行距的确定

3．2．4 相邻等残留刀具轨迹点的计算

3．2．5 刀触点及刀位点换算

3．2．6 刀具轨迹优化与生成

3．3 本章小结

第4章 多轴球头铣削加工参数对模具钢表面完整性的影响

4．1 模具加工表面完整性评价指标

4．2 多轴球头铣削加工正交试验设置

4．2．1 试验条件

4．2．2 试验参数设置

4．2．3 试验结果测量

4．3 加工参数对表面粗糙度的影响

4．4 加工参数对表面残余应力的影响

4．5 加工参数对表面显微硬度的影响

4．6 本章小结

第5章 自由曲面模具刀具轨迹仿真及数控加工试验研究

5．1 自由曲面刀具轨迹仿真

5．2 UG数控加工编程及后处理程序生成

5．2．1 模具自由曲面选择及建模

5．2．2 UG数控加工编程

5．2．3 后处理生成数控程序

5．3 Vericut数控加工仿真

5．4 多轴数控铣削试验及分析

5．4．1 数控铣削加工试验

5．4．2 加工结果分析

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢