鼓形铣刀侧铣加工叶盘叶片曲面的光顺刀具路径生成方法

鼓形铣刀使用其大弧度切削刃进行切削加工,不仅可以采用大步距加工而仍保持相同表面加工质量,还可以通过改变刀具与工件曲面的切触点在刀具切削刃的位置使刀具和刀柄远离工件,避免碰撞,因此鼓形铣刀特别适合叶盘类零件的叶片曲面加工。现有的光顺刀轴矢量规划方法多使用最短路径算法在机床旋转轴位置的可行空间中求解光顺的刀轴矢量序列。然而,最短路径算法需要把连续问题转化为离散问题求解,在可行空间中的采样间隔越小,所得刀轴矢量序列的质量越高,但计算时间会很长。因此提出了缩短最短路径算法求解光顺刀轴矢量序列的计算时间的方法,并提出了鼓形铣刀侧铣加工叶盘叶片曲面的光顺刀具路径生成方法,该方法同时考虑机床旋转轴和刀具刀尖点运动轨迹的光顺性。试验结果表明,该方法生成的刀具路径能够使机床轴运动平稳。     

基于关键刀轴矢量插值的球头铣刀五轴加工光顺刀轴矢量生成方法

提出基于贪心策略的复杂曲面加工刀具路径关键刀轴矢量序列整体优化方法，以及基于关键刀轴矢量插值的球头铣刀五轴加工复杂曲面光顺刀具姿态生成方法。计算各关键刀位刀触点处的刀轴矢量可行域，基于贪心策略从刀轴矢量可行域中选择关键刀轴矢量序列并且插值关键刀轴矢量序列，检查加工路径刀轴矢量序列是否存在碰撞干涉，进而获得可行的关键刀轴矢量序列集合。根据光顺评价指标从可行的关键刀轴矢量序列集合中选择最优的关键刀轴矢量序列，然后获得整个加工路径光顺的刀轴矢量序列。试验结果表明，该方法生成的复杂曲面加工刀具姿态能够使机床旋转轴运动平稳。     

基于临界约束的四轴数控加工刀轴优化方法

针对自由曲面四轴加工中复杂刀具运动导致的干涉和刀具运动不连续等现象,提出一种基于临界约束的刀轴优化方法。基于刀具与工件约束曲面之间的相对位置关系,利用曲线上的点搜索算法确定切触点处的临界刀轴矢量,并计算当前切触点刀轴摆动的可行域;以切削行内所有切触点的刀轴可行域为基础,建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型,实现了自由曲面四轴加工无干涉刀轴矢量的光顺控制。整体叶盘四轴加工试验表明,利用此方法获得的刀轴矢量可以显著改善机床运动的连续性,并避免刀具干涉的产生,提高了加工质量。     

平底刀最优刀轴矢量规划算法

在进行自由曲面平底刀五轴数控加工刀轴矢量规划时,现有算法多以材料去除率最大作为优化目标,然而加工效率最高的刀轴矢量不一定是刀具最优姿态,还需要综合考虑加工质量、刀轴光顺等因素。从这几个方面建立单个刀轴矢量和相邻刀轴矢量光顺性的度量指标,并以归一化度量指标加权和最小作为优化目标建立刀轴矢量优化模型,经理论分析将多目标规划问题转化为力学平衡问题,弹簧模型中高斯球面上运动节点的平衡位置就是最优刀轴矢量。仿真结果表明SE权因子影响加工效率,DW、DM权因子影响机床运动平稳性,DF权因子影响切削条件,选择合适的权因子可以获得材料去除率大、加工效率高以及在工件坐标系、机床坐标系和进给坐标系下光顺的刀轴矢量。     

开式整体叶盘鼓形刀叶片精加工刀路规划研究

整体叶盘叶片精加工是决定整体叶盘质量的重要因素。针对开式整体叶盘叶片精加工切削刀路长和加工效率低的问题,首先分析了鼓形刀刀位轨迹规划的基本原理,然后给出了相邻切削行之间残留高度的计算方法,提出了鼓形刀叶片精加工基于切触点规划及刀轴优化的方法。该方法首先通过求交法确定切削面上的切触点,然后调整刀具姿态并进行干涉检查,确定每个刀位的无干涉刀轴姿态,即在可行域内优化得到最佳刀轴。将该方法集成到整体叶盘五轴数控加工编程软件UltraCAM中,经过数控编程、仿真分析及试切加工表明,使用鼓形刀进行叶片精加工,在相同残留高度的情况下,刀路数明显减少,刀路光顺,仿真过程中无刀具干涉,刀轴变化平稳,提高了加工效率,可应用于实际加工。     

整体叶盘球头鼓锥形铣刀五轴加工技术

鼓形铣刀作为一种高效率的复杂曲面加工刀具,属于非标刀具范畴,其几何参数需要根据加工条件专门定制,目前,定制鼓形铣刀几何参数的有效工具的缺乏是限制其推广应用的主要问题。针对整体叶盘五轴数控加工,提出一种球头鼓锥形铣刀定制方法。该方法通过综合考虑防止干涉的侧倾角、清根加工的球头半径、保证效率的切削行距等约束条件,建立了刀具外轮廓数学模型,编写了刀具参数自动生成的程序。三叶片试件加工仿真和实际切削的结果表明,球头鼓锥形铣刀可以在不降低刀具刚度的条件下,满足叶盘试件加工。与球头铣刀加工相比,其加工效率能够成倍提升,叶片表面质量也有显著提高。     

基于自由曲面有向Voronoi区域划分算法的机器人加工刀轴低摆振路径规划

针对自由曲面刀具路径规划中,刀轴摆动带来的振动影响加工质量的问题,提出有向Voronoi区域划分算法。基于该算法实现了刀轴运动优化的复杂自由曲面的区域划分,并光顺连接区域之间和区域内部的刀具路径,得到曲面整体实际可加工的刀具路径。应用该算法与UG不同路径规划的刀轴矢量变化进行了对比实验,结果显示刀轴矢量变化均值和累计值减少了30%,方差降低了近60,从而验证了该方法的刀轴矢量变化明显小于传统的对整个加工曲面的路径规划,可减小加工过程中的机械振动和冲击,保证加工刀轴姿态的稳定性,从而提高加工精度,减小对加工设备寿命的影响。利用工业机器人完成铣削实验,进一步验证了该方法的可行性和有效性。     

五轴联动刀轴矢量平滑插补算法

针对现有刀具姿态控制方法不能保证加工中刀轴矢量平滑变化,造成旋转轴速度、加速度的不连续以及加工精度低、表面不光滑等问题,在分析刀轴矢量变化与旋转轴速度、加速度平滑性间关系的基础上,提出一种能够保证加工中旋转轴速度、加速度连续的刀轴矢量平滑插补算法.该算法先依据给定首末刀轴矢量建立局部旋转坐标系;在已建立的局部旋转坐标系中采用倾斜角和射影角来表示刀具姿态曲线;依据刀具姿态曲线的二阶连续性对倾斜角和射影角表达式进行求解.算法仿真和实际验证结果表明,本算法能够保证加工中刀具姿态曲线经过程序给定刀轴矢量,在产生较小刀具姿态误差的同时,保证加工中旋转轴速度、加速度连续.     

基于可视锥理论的五轴加工刀具碰撞检验方法

针对复杂曲面数控加工中刀具与工件的碰撞问题,提出一种基于可视锥理论的刀具碰撞检验方法。根据点的可视性特点推导点的可视锥算法,对任意采样点进行可视锥模型构建,通过刀轴矢量与可视锥的布尔运算判断刀具与工件的碰撞,由此计算刀轴避免碰撞时应转过的最小夹角,并对旋转后的新刀轴矢量是否在机床刀轴可加工范围内进行检验。通过将该方法应用于整体叶轮加工中,可快速检验出发生碰撞的区域并对刀轴矢量进行修正,有效地解决了刀具在数控加工中的碰撞检测问题,为刀具路径规划提供了有效的检验方法。     

基于有向图的刀轴矢量优化研究

针对球头铣刀的五轴数控加工,提出了一种基于有向图的刀轴矢量优化方法。根据刀轴矢量数据量大的特点,提出了建立刀轴矢量有向图的最小优化模型和算法。该方法能获得全局刀轴矢量变化量最小的刀轴矢量序列,将可行域边界上的刀轴矢量加入到有向图的计算中,提高了算法的计算效率。仿真分析表明,该方法优化了刀轴矢量的连续性和光顺性,对于最佳刀具姿态在可行域边界上的加工具有一定的适用性。     

复杂曲面通道多轴加工的刀具选择方法

针对复杂曲面通道零件多轴加工的刀具优化选择问题,提出一种基于点可行空间分析的刀具选择方法。分析了复杂曲面通道多轴加工刀具运动的几何约束,利用临界约束条件对通道加工的临界刀轴进行求解。通过分析单点可达区域与球头刀可行摆刀域之间的关系,提出一种无碰撞干涉条件下的最大刀具直径选择方法;在此基础上,通过对可行摆刀域内刀轴矢量的优化,获得了刀具直径最大条件下的最短刀具长度。以整体叶轮的五轴加工为例,对该方法进行了分析与验证,给出了叶片曲面上最大刀具直径与最短刀具长度的变化情况,并对不同刀具直径的加工效果进行了对比分析。结果表明,本文方法能获得复杂曲面通道类零件多轴加工的最大刀具直径、最小刀具长度,可显著提高该类零件的加工效率及加工稳定性。     

铣刀切削刃曲率对刀具磨损的影响研究

切削加工时,刀具磨损对工件加工质量影响较大。刀具切削刃曲率改变,最大有效切削弧长和最大铣削面积随之变化,散热条件和产生的热量也发生变化,进而影响到刀具的磨损程度。采用螺旋角为0°的直刃鼓形铣刀,研究铣刀切削刃曲率对刀具磨损的影响,研究时只改变刀具参数中的母线半径(即切削刃曲率)。选择5组母线半径/切削刃曲率,计算对应5组数据的最大有效切削弧长和最大铣削面积;采用Deform-3D软件对鼓形铣刀5组母线半径/切削刃曲率的刀具前刀面磨损进行仿真和铣削试验,观测刀具磨损情况。研究结果表明,刀具前刀面磨损随着切削刃曲率半径的增大而增大。     

叶轮流道非正交四轴加工的刀轴控制方法

针对自由曲面叶轮流道非正交四轴加工,提出了一种在刀轴约束面上旋转插值的刀轴控制方法。通过分析刀轴约束条件,在工件坐标系下建立满足约束条件的单位圆锥面。采用清根切触点处初始刀轴的计算方法求解清根轨迹上每一个切触点处无干涉的刀轴矢量。按照清根切触点序列依次计算流道两侧对应清根刀轴在单位圆锥面上确定的扇形曲面区域,并在该区域等角度旋转插值清根刀轴,从而获得流道加工的刀轴矢量,最后建立机床运动学约束条件并对其进行光顺处理。结果表明,该方法能够准确有效地计算叶轮流道非正交四轴加工光滑且无干涉的刀轴矢量。     

复杂曲面环形刀五轴端铣加工的刀具轨迹规划方法

为了降低复杂曲面类零部件加工的刀具路径,减小刀具路径条数,提高加工效率,提出了一种新的复杂曲面环形刀五轴端铣加工刀具轨迹优化方法。在局部可铣性基础上对刀轴矢量角进行自适应优化,采用新型加工带宽计算方法——等残留高度算法,给出了等残留高度算法的刀具轨迹生成具体步骤。仿真结果表明:与传统等残留高速算法相比,刀具轨迹优化算法的刀具路径更短、条数更少,能够有效提高复杂曲面加工效率。     

基于机床运动学约束球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法

针对目前航空发动机叶片进排气边加工精度和表面质量较差的问题,提出了一种基于机床运动学约束球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法。建立刀位优化变量与刀位数据之间的关系方程,同时建立刀位数据与机床回转轴角度之间的运动变换方程,从而推导出刀位优化变量与机床回转轴角度之间的关系方程。通过求解上述方程得到球头刀多轴加工复杂曲面的刀轴矢量计算公式。在此基础上,给出球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法和刀轨生成方法。同时,以某航空发动机叶片为例,分析了本文算法和Sturz算法对机床回转轴角度的影响。分别利用本文算法和Sturz算法生成该叶片进气边加工的刀轨,并在五轴数控机床上进行加工试验。试验结果表明,该算法能够避免加工过程中机床回转轴的大幅波动,使机床轴运动更加平稳和光滑,从而提高曲面的加工质量和加工效率,具有一定的实际应用价值。     

五轴加工奇异问题机理分析及其避免策略

五轴加工后置处理在奇异区域内反解旋转角时,产生的旋转轴运动突变,不仅会引起较大的加工非线性误差,而且会损害工件与机床部件。针对以上问题,以五轴AB双转台卧式数控机床为研究对象,根据机床结构与运动链,运用齐次坐标变换原理,推导出其后置处理算法,将刀轴矢量的可行值域简化为球体,并通过将AB轴的运动类似为球体上的AB阶跃,分析了奇异问题的产生机理,提出了加工奇异区域的检测方法。对刀轴矢量投影局部放大后,通过刀位点和刀轴矢量插值分解B阶跃后重新生成刀具路径的方法,得到了奇异问题的避免策略。仿真加工验证表明,该方法可以在原有刀位轨迹不变的基础上较好地消除奇异问题,提高加工质量,同时也可推广到同类结构相似的机床上用于消除奇异问题。     

用CNC磨削的球面铣刀

<正> 在飞机的蜗轮叶片和模具加工中,球面铣刀得到广泛地应用。该种铣刀的球面切削刃与圆柱切削刃通常是分别磨削的。因此在相交处会留有棱角,此处刀刃最容易磨损,甚至出现裂纹(见图1及右上角放大图),因而大大降低了刀具的耐用度。频繁地换刀增加了机床的停机费用及刀具成本和重磨费用。     

椭球头铣刀设计及其刀具路径生成算法

随着航空航天、汽车模具等领域内型面复杂程度的日益增大,目前对不同形状、不同性能刀具的需求也不断增加。设计了一种刀具端部切削刃所在回转面为椭球面的整体铣刀,以下称为椭球头铣刀。建立了椭球头铣刀参数化模型,为刀具的参数化设计提供理论基础。提出了椭球头铣刀的三种切削刃曲线模型:等螺旋角切削刃、正交螺旋形切削刃和新型切削刃,精准的刀具切削刃曲线模型为椭球头铣刀的精准制造提供了理论依据。提出了椭球头铣刀三轴端铣加工曲面的刀具路径生成算法,并通过试验验证了刀具路径生成算法的正确性和可行性,分析了刀具的切削性能并验证了椭球头铣刀的优势,为椭球头铣刀的推广应用提供了理论基础。对椭球头铣刀的参数化设计和应用研究,也为其他新型刀具的设计和应用提供了方法和理论依据。     

在车床上铣削圆弧曲面

1.问题的提出 图1所示为某喷浆机的传动臂,其曲面A的加工有一定难度,通常在铣床上使用配套夹具来铣削。夹具装在分度头上,装夹工件时,以两孔定位,铣削时,摇动分度头,使工件绕O点转动,即可铣出圆弧面。铣削时有两种装刀方法,一种使用加长立铣刀,另一种是使用三面刃铣刀,这两种方法皆因铣刀伸得太长,机床、刀具系统的刚性较差,加之加工时断续切削等,造成刀具主轴振动较大。特别是后者,对机床损伤大、刀具使用寿命缩短,且成本高、加工效率低。而将三面刃铣刀装在车床卡盘上,刀柄可做得粗壮些,使机床、刀具系统具有足够的刚性,可充分发挥三面刃铣刀的高效率。     

基于刀轴矢量规划算法的异型曲线锯切工艺算法研究

异型石材曲线锯切加工能够获得较高的切削线速度和切削效率,但其锯切参数的选定以及锯片尺寸导致过切的问题,需要新的运动控制算法来实现复杂曲线、曲面的锯切加工。本文从曲线锯切加工的坐标转换开始分析,以刀轴矢量规划算法为基础,在理论上研究不同刀具位姿下的运动控制算法,对加工图元为曲线下的各种情况进行详尽研究,提出了一种基于刀轴矢量规划算法的异型曲线锯切工艺算法。在满足刀具最优姿态的条件下,建立刀轴矢量加工效率同锯切方式、石材种类和刀轴光顺等影响因素之间的联系。经由曲线锯切加工工艺体系仿真功效对该算法的正确性进行了验证,现实加工评释该算法可以在异型石材曲线加工精度方面满足需求,提高了曲线加工效率,下降了曲线加工成本。