多轴加工系统闭链刚度场建模与刚度性能分析

在复杂曲面多轴加工中,刀具可以在一定范围内以不同姿态加工复杂曲面,刀具姿态的改变直接影响整体加工系统的综合刚度特性,从而影响到加工性能。建立与刀具位姿相关的综合刚度场模型,可用于分析整体加工系统的综合刚性分布规律。提出多轴加工系统刚度场半解析计算方法,其中针对机床运动轴及其传动部位、刀具、工件等关键部件的力学特性分别采用了雅可比矩阵法、点传递矩阵法、有限元法等方法建立相应的刚度矩阵,并根据多体小变形理论建立了多轴加工工艺系统闭链刚度场模型。根据该模型解耦得到三维空间的力椭球,从力椭球提取整体加工系统的刚度性能指标,绘制刚度性能等值线图,分析工作空间中多轴加工系统的刚度特性分布规律,可用于指导刀具运动规划。     

覆盖件模具曲面曲率特征对球头刀铣削力的影响

针对自由曲面模具的铣削加工,提出一种综合考虑曲面曲率、刀具前倾角和侧偏角的瞬时铣削力预报方法。基于曲面几何特征,研究了进给方向、行距方向曲率半径对刀具切削角度的影响,以及刀具前倾角和轴向切触角对未变形切屑厚度的影响;基于微分思想,将自由曲面加工中任意刀齿切削周期内的切触区进行离散,结合三维次摆线切削轨迹建立未变形切屑模型,得到适合于自由曲面三轴球头铣削的瞬态铣削力,该模型能够综合考虑曲面曲率特征变化、刀具工件切触角度变化;基于二次曲面模具模型进行铣削加工试验,试验测试结果表明,预报的铣削力和试验测量结果在幅值上和变化趋势上具有一致性,在平稳切削时最大铣削力预测误差值在12%以内,验证了该方法能有效地预报自由曲面模具的球头铣削的瞬态铣削力。     

多轴数控加工刀具姿态优化及其刚度性能指标分析

在变形叠加基本原理的基础上,对多轴数控机床刚度模型进行了研究,得到了多轴数控加工刀具姿态优化的物理约束条件。在被加工复杂曲面刀具轨迹上,根据多轴机床综合刚度模型计算机床刚度性能指标,并在刀具可达工作空间中优化多轴机床刚度性能指标,以确定对应的刀具姿态。对基于多轴机床刚度模型的刀具姿态优化作了详细的讨论,分析了任务空间的力椭球特性,提出了面向切削加工的多轴机床刚度性能指标,并将其用于指导刀具姿态规划。

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multi-axis NC machine tool;stiffness;tool posture;force ellipsoid     

凸曲面拼接模具球头铣刀的瞬时铣削力预测

在曲面模具拼接区域球头铣刀铣削过程中，刀具载荷变化大，瞬态铣削力有突变现象，影响模具拼接区域的加工精度和表面质量。为了预测拼接区域球头铣刀的瞬态铣削力，首先,建立考虑冲击振动的球头铣刀三维次摆线轨迹方程，得到瞬时未变形切屑厚度模型；然后,基于铣削微元的思想，建立凸曲面双硬度拼接模具球头铣刀的瞬态铣削力模型，该模型能够综合考虑拼接区冲击振动、硬度变化、刀具工件切触角度变化对瞬态铣削力的影响；最后,进行凸曲面拼接区域球头铣刀铣削加工实验。实验结果表明，预报的瞬态铣削力和实验测量结果在幅值上和变化趋势上具有一致性，在平稳切削时最大铣削力预测误差值基本在15%以内，验证了该模型能有效地预报凸曲面模具拼接区域球头铣刀的瞬态铣削力。     

准双曲面齿轮数字化建模与时变啮合特性分析

针对采用刀倾半展成法(HFT)加工的准双曲面齿轮副,根据机床各部件间运动学关系,采用齐次坐标变换的方法仿真刀具运动轨迹.基于曲面成形理论及共轭啮合原理,推导大小轮齿面及齿根过渡曲面方程,建立准双曲面齿轮副啮合数学模型.采用数值算法求解齿面啮合方程并进行轮齿接触分析(TCA),获得静态传动误差及啮合印痕.采集大小轮齿面离散点云坐标并进行三维建模,基于有限元软件ABAQUS分析准双曲面齿轮副不同工况下时变啮合特性.结果 表明,载荷变化对动态啮合力、传动误差、啮合刚度等参数的影响显著.随载荷增大,传动误差及啮合刚度曲线呈明显非对称特征,相关结果为准双曲面齿轮传动特性及动力学行为分析提供了依据.     

面向铣削力控制的凸曲面拼接模具硬态铣削工艺优化

机械加工对于模具结构的要求日益复杂,导致在模具自由型面上存在大量沟槽、凸凹等结构,容易出现磨损严重、拉毛拉裂等问题。对于模具不同位置所需要的应力特征不同,多采用镶块式模件拼接后整体铣削加工。而拼接处存在铣削力的突变导致刀具磨损过快和型面精度不高问题。本文通过阐述球头刀铣削凸曲面拼接模具表面形成机理,分析了铣削过程中不同位置的刀具-工件的接触关系;并且以球头铣刀加工不同硬度的淬硬钢Cr12MoV凸曲面拼接模具试验为对象,揭示切削深度、切削速度、每齿进给量及刀具铣削方向对拼接处铣削力突变的影响规律;以铣削力突变最小为目标进行正交试验研究,得到考察指标的主次影响规律和最优参数组合。     

机床误差对圆弧齿线圆柱齿轮齿面误差影响规律的理论研究

机床误差是导致圆弧齿线圆柱齿轮齿面误差的主要原因,研究机床误差与齿面误差之间的关系将为机床加工参数反求、齿面误差修正等提供理论依据。基于圆弧齿线圆柱齿轮成型原理建立了齿轮机床结构模型,建立了机床坐标系体系。通过齿坯和刀盘位置误差、刀具形状误差对机床整体误差进行描述,基于啮合原理推导了理想情况下和包含机床误差的齿面方程。研究了齿轮误差曲面计算方法,采用二阶近似曲面和齿面平均误差影响系数分析不同机床误差下误差曲面,研究机床误差对齿面误差的影响规律。通过实例分析了被加工齿轮几何参数不变时和变化时,机床误差对圆弧齿线圆柱齿轮凹齿面误差影响规律。     

三维曲面高速数控加工工艺分析

现代模具零件数控加工中，曲面所占比例越来越大，加工质量要求不断提高，对数控加工工艺提出了更高的要求。从机床、刀具、工艺参数等方面分析了影响模具零件三维曲面高速数控加工质量的相关因素，提出了提高数控加工质量的具体措施。     

直齿面齿轮高精度电解加工阴极型面设计方法研究

直齿面齿轮的齿面是一种复杂空间曲面,为了实现难切削材料的复杂曲面产品的批量加工,目前主要以电解加工技术为主;考虑到电解加工在复杂异面类产品的加工中存在阴极设计效率低,精度难以保证等问题,提出一种基于标准阴极特性的阴极型面智能设计方法。首先,基于复杂齿面网格规划原则对直齿面齿轮的齿面点进行合理规划,并采用截面放样法计算各采样齿面点坐标;其次,通过分析各齿面采样点所在型面的曲率半径,利用电解加工平衡间隙理论构建针对不同曲率情况下的相应阴极刀具型面设计方案;最后,利用Matlab中的GUI人机交互界面构建直齿面齿轮的智能化阴极刀具型面设计系统。通过加工实验可知,利用该系统设计出的阴极型面,其加工精度可达IT8。     

高温硬质合金直齿面齿轮高精度电解加工阴极型面智能设计方法研究北大核心

高温硬质合金直齿面齿轮的齿面是一种复杂空间曲面,为了实现难切削材料的复杂曲面产品的批量加工,目前主要以电解加工技术为主,考虑到电解加工在复杂异面类产品的加工中存在阴极设计效率低,精度难以保证等问题,提出一种基于标准阴极特性的阴极型面智能设计方法。首先,基于复杂齿面网格规划原则对直齿面齿轮的齿面点进行合理规划并采用截面放样法计算各采样齿面点坐标;其次,通过对各齿面采样点所在型面的曲率半径分析,利用电解加工平衡间隙理论构建针对不同曲率情况下的相应阴极刀具型面设计方案;最后,利用Matlab中的GUI人机交互界面构建高温硬质合金直齿面齿轮的智能化阴极刀具型面设计系统。通过加工实验可知,利用该系统设计出的阴极型面,其加工精度可达IT8.     

基于Cimatron E11的汽车转向球头销锻模加工刀具路径优化

对锻压模具型腔NURBS曲面数控加工刀具的路径进行优化。介绍了刀具路径的优化处理过程,运用Pro/E软件对汽车传动件锻压模具曲面进行造型,应用Cimatron E11软件进行数控加工编程。后置处理后生成更合理的加工程序,提高了复杂曲面零件加工的表面质量,为复杂曲面类零件的数控加工提供参考。     

Stiffness analysis and optimization in robotic drilling application

Low stiffness characteristics limit the application of industrial robots in the field of precision manufacturing. This paper focuses primarily on the stiffness properties of drilling robots by further studying the stiffness ellipsoid model. A Cartesian compliance model is proposed to describe the robot stiffness in Cartesian space. Based on the compliance model, a quantitative evaluation index of the robot’s processing performance is defined. By choosing a proper drilling posture, the performance index in the cutting tool direction is optimized. Higher accuracy of the countersink depth and hole axial direction can be guaranteed. From the perspective of the robot processing mechanism, the key role of the per-load pressing force is first indicated. By applying a per-load pressing force, the performance index on the machining plane is enhanced. Hole diameter accuracy is improved significantly. A stiffness improving factor used to evaluate the stiffness promotion degree is also proposed. Finally, experiments were conducted to verify the correctness of the proposed model. Drilling experiments were performed to investigate the effectiveness of the robot processing performance index improving methods The principle of pressing force used in engineering applications is given based on processing parameters.     

Anisotropic force ellipsoid based multi-axis motion optimization of machine tools

The existing research of the motion optimization of multi-axis machine tools is mainly based on geometric and kinematic constraints, which aim at obtaining minimum-time trajectories and finding obstacle-free paths. In motion optimization, the stiffness characteristics of the whole machining system, including machine tool and cutter, are not considered. The paper presents a new method to establish a general stiffness model of multi-axis machining system. An analytical stiffness model is established by Jacobi and point transformation matrix method. Based on the stiffness model, feed-direction stiffness index is calculated by the intersection of force ellipsoid and the cutting feed direction at the cutter tip. The stiffness index can help analyze the stiffness performance of the whole machining system in the available workspace. Based on the analysis of the stiffness performance, multi-axis motion optimization along tool paths is accomplished by mixed programming using Matlab and Visual C++. The effectiveness of the motion optimization method is verified by the experimental research about the machining performance of a 7-axis 5-linkage machine tool. The proposed research showed that machining stability and production efficiency can be improved by multi-axis motion optimization based on the anisotropic force ellipsoid of the whole machining system.     

高温合金薄壁盘复杂零件加工变形控制方法

薄壁盘由于材料刚性较差等原因难以确保零件加工精度，容易引起变形，对此，提出了高温合金薄壁盘复杂零件加工变形控制方法。分析零件加工过程中产生的变形因素，包括夹装方式、刀具性能参数、工件自身因素、机床定位精度不够以及温度控制不佳等；确立所有工序历史误差源集合，生成误差传递矩阵，构建变形误差源诊断模型；针对不同误差源，提出针对性控制方法，通过最小二乘多项式拟合算法计算让刀误差，并对其补偿；通过有限元分析法建立工件几何模型，设立刚度控制函数，弥补工件自身缺陷；针对机床定位精度和温度分别设计控制函数，实现零件加工变形的综合控制。实验结果表明，所提方法明显减少了零件加工变形现象，保证了切削力平稳，提高了零件质量。     

基于声表面波原理的切削力测量智能刀具研究

切削力的测量对于监测加工过程以及获得高精度的零部件具有重要作用,为实现自适应加工提供切削状态参数。研究了一种基于声表面波原理的切削力测量智能刀具。能在切削加工中实现主切削力的实时测量,并具有无线、无源的测量优势,能够适应复杂的加工环境。建立了切削力与声表面波谐振器石英基片应变的关系模型,分析了声表面波谐振器谐振频率,得到了切削力与声表面波谐振频率偏移量的关系。实验结果表明,基于声表面波原理的切削力测量智能刀具能够实现切削力的实时测量。     

基于刚度定向的工业机器人铣削姿态优化研究

针对工业机器人结构非对称引起的主刚度方向难以确定、因刚度低导致的铣削过程中容易发生模态耦合颤振的问题,提出了一种机器人加工系统主刚度定向方法,并利用机器人功能冗余特性优化姿态,以提高铣削过程的稳定性。计算工业机器人末端笛卡儿坐标系中的刚度椭球,确定切削平面内机器人的主刚度方向;通过建立加工系统的动力学模型,得到机器人铣削模态耦合颤振的稳定性判据;基于刚度定向方法,提出一种机器人铣削姿态优化算法。实验结果表明,在不改变其他参数的情况下,通过优化工业机器人姿态,可以保证机器人沿给定轨迹加工的稳定性。     

基于VERICUT的虚拟数控加工刀具轨迹优化

虚拟物理数控加工仿真主要研究加工过程中切削力、切削热、机床运动误差、加工系统颤振以及负载变化引起加工结果变化的预测问题,目前已成为虚拟制造最具魅力的地方。通过在VERICUT下的电吹风外壳模盖的虚拟数控加工刀具轨迹优化研究,为复杂曲面零件的加工生产提供了有效参考。     

车床加工薄壁零件内孔的方法和技巧

在使用车床加工薄壁零件时,由于薄壁零件刚性差,加工内孔时容易引起变形,影响零件的加工精度,是车削加工中的难题.结合多年工作经验,总结出通过掌握薄壁零件的安装和夹紧,从而减少加工中的变形;选择合理的切削用量、刀具的切削角度和几何参数以及选用适合的切削液,大大提高了薄壁零件加工的质量.