復(fù)雜曲面非球頭刀寬行銑削加工的幾何學(xué)原理與方法.pdf

1、五軸數(shù)控加工是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面零件高效切削的有效手段。球頭銑刀因具有適應(yīng)性強(qiáng)、刀位規(guī)劃簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，但是其加工性能較差，加工精度和效率也比較低。與此相比，非球頭銑刀不僅能夠改善切削性能，而且可以通過調(diào)整刀具姿態(tài)，使刀觸點(diǎn)附近的刀具包絡(luò)曲面充分逼近理論設(shè)計(jì)曲面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面零件的寬行加工。但是設(shè)計(jì)曲面的復(fù)雜性和刀具曲面的多樣性對(duì)處理好干涉避免、誤差控制和路徑光順等問題，生成高質(zhì)量的刀具路徑帶來了很多困難，因而限制了五軸機(jī)床潛力的

2、發(fā)揮。
　　本學(xué)位論文以復(fù)雜曲面五軸銑削加工為應(yīng)用背景，研究直紋面?zhèn)茹娕c自由曲面端銑加工刀具路徑規(guī)劃的幾何學(xué)原理與方法。重點(diǎn)從回轉(zhuǎn)刀具空間運(yùn)動(dòng)掃掠體包絡(luò)面的建模、任意回轉(zhuǎn)刀具五軸側(cè)銑加工刀具路徑整體優(yōu)化、整體葉輪刀具尺寸與路徑光順性優(yōu)化和平底刀高階切觸加工自由曲面刀具路徑規(guī)劃這四個(gè)方面展開研究，主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　一.提出了刀具空間運(yùn)動(dòng)下掃掠體包絡(luò)面的兩種解析計(jì)算方法:(1)應(yīng)用包絡(luò)條件和剛體運(yùn)動(dòng)的物體速度推

3、導(dǎo)出包絡(luò)面特征線的解析表達(dá)式，該方法適用于任意回轉(zhuǎn)刀具，并且具有無須引入附加瞬時(shí)標(biāo)架、公式簡(jiǎn)潔明了的優(yōu)點(diǎn)。(2)將回轉(zhuǎn)刀具的切削刃回轉(zhuǎn)面表示為單參數(shù)球族的包絡(luò)面，單參數(shù)球族經(jīng)過空間運(yùn)動(dòng)生成一雙參數(shù)球族，因此刀具空間運(yùn)動(dòng)掃掠體的包絡(luò)面就是這一雙參數(shù)球族的包絡(luò)，而刀軸面就是球心面。該方法建立起了包絡(luò)面與刀軸面之間的關(guān)聯(lián)，為點(diǎn)-刀具包絡(luò)面法向誤差的定義提供了思路。
　　二.基于雙參數(shù)球族法掃掠體包絡(luò)面建模，提出了一種無需構(gòu)造包絡(luò)曲面即可

4、計(jì)算空間一點(diǎn)到包絡(luò)面有向距離的新方法，將對(duì)包絡(luò)面的操作轉(zhuǎn)換為對(duì)刀軸面的操作，同時(shí)推導(dǎo)出點(diǎn)-包絡(luò)面有向距離關(guān)于刀軸面形狀控制參數(shù)的一階梯度表達(dá)式，刻畫了刀軸軌跡微小調(diào)整對(duì)包絡(luò)曲面形狀和加工誤差的影響。通過對(duì)設(shè)計(jì)曲面的離散化表示，將任意回轉(zhuǎn)刀具側(cè)銑加工刀具路徑整體優(yōu)化問題歸結(jié)為刀具掃掠包絡(luò)面向設(shè)計(jì)曲面離散點(diǎn)云的最佳一致逼近問題，應(yīng)用距離函數(shù)的導(dǎo)數(shù)信息構(gòu)造出了高效的數(shù)值優(yōu)化算法，應(yīng)用于非可展直紋面?zhèn)茹娂庸?。該方法不僅可以在遵循輪廓度誤差評(píng)定準(zhǔn)

5、則的前提下極大地減小加工誤差，而且可以有效地處理無過切約束。
　　三.提出了側(cè)銑加工刀具尺寸優(yōu)化和刀具路徑光順策略，解決了葉輪類零件側(cè)銑刀具路徑規(guī)劃時(shí)容易產(chǎn)生干涉和不光順軌跡的問題。應(yīng)用點(diǎn)-包絡(luò)面距離函數(shù)，解決了刀具包絡(luò)曲面與設(shè)計(jì)曲面的邊界對(duì)齊問題和刀具與相鄰葉片的碰撞檢測(cè)問題，并建立起以加工誤差和干涉避免同時(shí)作為約束的優(yōu)化模型，進(jìn)而獲取側(cè)銑加工最優(yōu)刀具尺寸。同時(shí)，以曲面應(yīng)變能量表征刀軸軌跡面的光順性，將其引入到側(cè)銑加工刀具路徑整

6、體優(yōu)化模型中，從而在滿足加工精度的前提下得到較平滑的刀具路徑。該方法適用于任意回轉(zhuǎn)刀具的側(cè)銑半精加工和精加工，生成的刀具路徑已成功應(yīng)用于整體葉輪葉片的側(cè)銑加工。
　　四.提出了平底刀高階切觸加工自由曲面的刀具路徑規(guī)劃方法。基于刀具包絡(luò)曲面的局部重建原理，解析求解了刀觸點(diǎn)處的所有二階切觸刀位，在此約束下建立刀具可行空間，不僅極大地降低了干涉檢查的計(jì)算量，而且將刀具包絡(luò)曲面與設(shè)計(jì)曲面的二階切觸特征融入到優(yōu)化模型之中。在此基礎(chǔ)上，既可以

7、通過計(jì)算包絡(luò)曲面與設(shè)計(jì)曲面沿進(jìn)給垂直方向的誘導(dǎo)法曲率導(dǎo)數(shù)，得到最優(yōu)切觸刀具路徑;也可以通過求解以相鄰刀具方向夾角的和為目標(biāo)的最短路徑算法，得到最優(yōu)光順刀具路徑。該方法可以在避免刀具干涉的前提下，有效地光順刀具路徑，并顯著提高切削帶寬。
　　本學(xué)位論文在對(duì)刀具回轉(zhuǎn)面族包絡(luò)取得規(guī)律性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，將干涉避免、切削誤差和路徑光順等納入到刀具路徑優(yōu)化的統(tǒng)一模型中，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲面非球頭刀的寬行銑削加工，研究結(jié)果發(fā)展和豐富了五軸加工刀具路徑規(guī)