基于銑削力建模的復雜曲面加工誤差補償研究.pdf

1、復雜曲面由于具有優(yōu)良的功能特性和表面的美觀，被廣泛應用于航空航天、汽車零部件、模具的表面設計中。該類表面均要求具有高的尺寸精度和表面質(zhì)量，一般在多軸CNC機床上進行加工，其半精銑和精銑的過程一般采用球頭銑刀進行。表面質(zhì)量通常用表面精度、表面粗糙度、表面殘余應力的性質(zhì)及其大小和表面加工硬化程度等指標來表征。目前針對復雜曲面精度的研究較少，尤其是涉及到復雜曲面幾何特征的由刀具系統(tǒng)的受力變形產(chǎn)生的誤差的研究較少。本文通過對復雜曲面幾何特征和多

2、軸銑削加工過程運動學的綜合分析，深入分析表面精度與曲面曲率、刀具位姿及其它銑削參數(shù)(切削速度、軸向切深、徑向切深和每齒進給量等)的關系，提出提高表面精度的曲面加工誤差補償方法及高精度走刀路徑的選擇方式，為復雜曲面多軸加工的精度控制提供科學的依據(jù)和可行的方法。
　　 在分類討論了復雜曲面法曲率半徑的求解方法的基礎上，考慮曲率半徑和刀具前傾角，對復雜曲面多軸球頭銑削過程的銑削力進行了理論建模與仿真。針對多軸球頭銑削特點，采用Lee和

3、Altintas的瞬時剛性力模型，建立了刀具-工件接觸區(qū)域內(nèi)任意一點的微元銑削力公式；采用解析幾何的方法建立了基于曲率半徑和前傾角的切入、切出角以及軸向極限位置角的模型，進一步建立了刀具-工件接觸區(qū)域模型；針對立式5軸加工中心DMU-70V，建立了各相關坐標系之間的轉化關系模型，提出了三維整體銑削力模型并采用Matlab實現(xiàn)了仿真，通過仿真結果分析了曲率半徑和刀具前傾角對三向銑削力的影響規(guī)律，為后續(xù)的精度預測與控制提供了可靠的理論依據(jù)。

4、
　　 刀具系統(tǒng)的變形和偏心對銑削力和加工誤差有著重要的影響。為求解刀具系統(tǒng)的受力變形，銑削力被簡化成為作用在刀具-工件接觸區(qū)域一點上的集中作用力，X、Y方向上的集中力作用點處的撓度即為刀具受力變形量，區(qū)別于傳統(tǒng)的兩段式懸臂梁刀具受力變形模型，針對球頭銑刀的三段式(刀桿、刀具刀刃部分-非球頭和球頭部分)結構，利用材料力學，建立了球頭銑刀三段式懸臂梁刀具受力變形模型；通過比較新的三段式模型、傳統(tǒng)兩段式模型和使用ANSYS12.0

5、Workbench有限元分析軟件仿真得到的刀具變形結果，證明新的刀具受力模型與有限元結果較為相近；進行了刀具偏心對銑削力影響的擴展研究，發(fā)現(xiàn)刀具偏心不只影響每齒進給量，而且還對刀具有效切削半徑和刀具旋轉角度有一定的影響；基于三段式懸臂梁球頭銑刀變形模型和刀具偏心擴展研究，提出復雜曲面銑削力的擴展模型。
　　 根據(jù)機床坐標系下X、Y方向上集中力作用點處的刀具系統(tǒng)變形量，建立了復雜曲面加工路徑上任意一點處工件局部坐標系下法向量方向曲

6、面誤差模型；對每一CL數(shù)據(jù)點，基于復雜曲面多軸加工特點，計算曲面誤差，并通過迭代運算，對曲面誤差進行補償，使其滿足加工要求。選用典型的正弦曲面進行刀具變形誤差建模，并對其刀軌文件進行了離線誤差補償，證實了經(jīng)過誤差補償后的走刀路徑比未補償?shù)穆窂脚c理想路徑相近。
　　 對多軸銑削，除了可以通過基于分析不同走刀路徑上的曲面曲率選擇最佳的走刀路徑方向來減小刀具變形，提高加工精度外，還可以通過對刀具傾角的分析進行選擇最佳的刀具位姿來提高加

7、工精度。本文分三種(平面、凸面和凹面)曲面分別討論了步長和行距與曲率半徑之間的關系，以高精度為目標，研究了三種典型走刀路徑生成方式(參數(shù)線法、截平面法和等殘留高度法)的走刀路徑方向的選擇問題；通過分析刀具前傾角與進給(X)、垂直進給(Y)方向刀具系統(tǒng)變形量和曲面法向誤差之間的關系，發(fā)現(xiàn)進給(X)方向和垂直進給(Y)方向刀具系統(tǒng)變形量均隨著刀具前傾角的增大而先增大后減小，曲面法向誤差隨著刀具前傾角的增大而增大，因此在滿足其它要求的情況下，