復雜曲面非球頭刀寬行銑削加工的幾何學原理與方法.pdf

1、五軸數(shù)控加工是實現(xiàn)復雜曲面零件高效切削的有效手段。球頭銑刀因具有適應性強、刀位規(guī)劃簡單等優(yōu)點而被廣泛采用，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)，使刀觸點附近的刀具包絡曲面充分逼近理論設計曲面，進而實現(xiàn)復雜曲面零件的寬行加工。但是設計曲面的復雜性和刀具曲面的多樣性對處理好干涉避免、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，因而限制了五軸機床潛力的

2、發(fā)揮。
　　本學位論文以復雜曲面五軸銑削加工為應用背景，研究直紋面?zhèn)茹娕c自由曲面端銑加工刀具路徑規(guī)劃的幾何學原理與方法。重點從回轉(zhuǎn)刀具空間運動掃掠體包絡面的建模、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.提出了刀具空間運動下掃掠體包絡面的兩種解析計算方法:(1)應用包絡條件和剛體運動的物體速度推

3、導出包絡面特征線的解析表達式，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標架、公式簡潔明了的優(yōu)點。(2)將回轉(zhuǎn)刀具的切削刃回轉(zhuǎn)面表示為單參數(shù)球族的包絡面，單參數(shù)球族經(jīng)過空間運動生成一雙參數(shù)球族，因此刀具空間運動掃掠體的包絡面就是這一雙參數(shù)球族的包絡，而刀軸面就是球心面。該方法建立起了包絡面與刀軸面之間的關(guān)聯(lián)，為點-刀具包絡面法向誤差的定義提供了思路。
　　二.基于雙參數(shù)球族法掃掠體包絡面建模，提出了一種無需構(gòu)造包絡曲面即可

4、計算空間一點到包絡面有向距離的新方法，將對包絡面的操作轉(zhuǎn)換為對刀軸面的操作，同時推導出點-包絡面有向距離關(guān)于刀軸面形狀控制參數(shù)的一階梯度表達式，刻畫了刀軸軌跡微小調(diào)整對包絡曲面形狀和加工誤差的影響。通過對設計曲面的離散化表示，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)為刀具掃掠包絡面向設計曲面離散點云的最佳一致逼近問題，應用距離函數(shù)的導數(shù)信息構(gòu)造出了高效的數(shù)值優(yōu)化算法，應用于非可展直紋面?zhèn)茹娂庸?。該方法不僅可以在遵循輪廓度誤差評定準

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)劃時容易產(chǎn)生干涉和不光順軌跡的問題。應用點-包絡面距離函數(shù)，解決了刀具包絡曲面與設計曲面的邊界對齊問題和刀具與相鄰葉片的碰撞檢測問題，并建立起以加工誤差和干涉避免同時作為約束的優(yōu)化模型，進而獲取側(cè)銑加工最優(yōu)刀具尺寸。同時，以曲面應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?；诘毒甙j曲面的局部重建原理，解析求解了刀觸點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算量，而且將刀具包絡曲面與設計曲面的二階切觸特征融入到優(yōu)化模型之中。在此基礎上，既可以

7、通過計算包絡曲面與設計曲面沿進給垂直方向的誘導法曲率導數(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。
　　本學位論文在對刀具回轉(zhuǎn)面族包絡取得規(guī)律性認識的基礎上，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，實現(xiàn)了復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)