空间自由曲面三坐标平头立铣刀数控加工系统

一、前言 自由型曲面的CAM技术一直是机械CAD/CAM研究的一个重要课题。国内外有关空间自由曲面的CAM技术的研究多集中在球头刀加工的方法上。采用球头刀具加工自由曲面虽然具有编程计算及干涉处理简单的特点,然而球头刀又因其在切削加工中存在一些不足,非球面形状刀具(平头立铣刀、锥状刀、成形刀等)在曲面加工中的重要性正逐渐为人们所认识。特别是平头刀,其作用更加显得突出。我国三坐标以上的数控机床数量尚少,所以研究使用平头立铣刀数控加工空间自由曲面,就更有实际意义。     

平头立铣刀在曲面数控加工中的分析

对平头立铣刀在自由曲面加工中的加工效率、切削性能和球头刀进行了较深入的比较分析，着重研究了平头铣刀加工曲面时的有效半径和切削速度。通过实例对在同样切削用量条件下平头立铣刀的加工效率与切削性能上的优势进行了验证。     

运用点涉法原理确定平头立铣刀三轴联动数控加工轨迹

针对现有的空间自由曲面数控编程系统和ＣＡＤ／ＣＡＭ软件只能生成球面刀三轴联动数控加工轨进的局限性，以及实际切削加工中较少采用球面刀，多用小直径平头立铣刀等非球面刀来替代球面刀在三轴联动数控机床上完成空间自由曲面的切削加工这一现状，本文根据点涉法原理推导出在空间自由曲面上生成平头立铣刀三轴联动数控加工轨迹的算法。只要给出被加工曲面的参数表达式，就可以利用该算法在被加工曲面上确定平头立铣刀的三轴联动数控加工轨迹。     

超精密慢刀伺服车削零件的面型分析与刀具设计方法研究

研究首先分析总结了当前自由曲面复杂零件超精密慢刀伺服车削加工中的具体加工技术挑战,进而系统地研究了自由曲面零件面型特性,零件面型关键参数提取,零件面型参数与刀具参数之间的关联关系。进一步研究了超精密慢刀伺服车削金刚石刀具的几何参数确定方法;并针对自由曲面零件的可加工性,提出了超精密慢刀伺服车削加工中金刚石刀具选用准则。另外,通过超精密慢刀伺服车削加工实际案例和应用加工试验,证明零件面型分析及金刚石刀具几何参数的合理选用,对实现高效稳定的工业化超精密慢刀伺服车削加工至关重要。     

等残留高度算法应用于自由曲面五轴刀路规划研究

针对五轴零件加工过程中自由曲面生成的刀具路径代码冗余,加工效率较低和加工表面质量不高等问题,对自由曲面加工中的常用刀具路径算法进行了分类,提出了等残留高度相关算法模型。计算了等残留高度点及在自由曲面的投影点,并对角度值β进行了迭代计算,对自由曲面加工中的五轴刀轴倾角λq值进行了推导计算;以螺旋桨叶片复杂自由曲面模型为刀路加工载体,生成了五轴刀路轨迹,与Mastercam软件的高速动态铣削(旋转五轴)模块功能生成五轴一般刀路进行了对比分析。研究结果表明:等残留高度算法能缩短五轴自由曲面的刀路长度,提高加工效率及零件表面质量。     

超精密慢刀伺服金刚石车削加工的关键工艺问题研究

根据超精密慢刀伺服金刚石车削加工原理,以自由曲面为例,系统地分析了超精密慢刀伺服加工中工件面型对刀具参数和关键切削工艺参数的特殊要求,进一步归纳提出了复杂曲面慢刀伺服车削中的刀具选择和设计准则。该研究工作同时借助Nanotech 250 ULv2机床和UG对切削方向与刀触点布局方式,以及关键切削工艺参数进行了慢刀伺服加工路径仿真和超精密车削试验研究。结果表明合理的切削方向与刀触点布局及加工工艺参数选择,有助于实现自由曲面工件高效稳定可控的超精密慢刀伺服加工。     

曲面数控加工中刀具轨迹生成探讨

以三坐标数控加工自由曲面为研究对象,对复杂曲面刀具路径生成中的一些问题进行了探讨,对常用的三坐标曲面加工方法进行分析比较,给出了步长、步距的计算公式以及走刀方式、进/退刀方式的选择原则.     

球面刀在数控加工中的存在问题及改进方法

论述了球面刀在自由曲面的切削加工中存在的若干问题，着重分析了在三坐标数控机床上球面刀加工会导致自由曲面的几何形状误差以及改进方式，探讨了用平头立铣刀替代球面刀完成自由面切削加工的方法。     

自由曲面数控加工路径规划的研究

论述了自由曲面数控加工路径规划对加工效率的影响,讨论了目前刀具轨迹算法的优缺点。针对自由曲面走刀方向数控加工的研究,建立了简化的刀具轨迹时间模型,并对路径规划的系统进行了讨论。     

曲面高阶切触分析及其在曲面加工刀位规划中的应用

针对自由曲面五轴加工的刀位规划问题,提出回转刀具二次曲面与自由曲面切触时刀轴矢量的计算方法。通过分析曲面间高阶切触性质,建立了曲面切触阶与曲面几何不变量之间的对应关系;通过建立回转刀具加工自由曲面的运动学模型,推导出在离散刀位处刀具包络面与自由曲面二阶切触时的刀轴倾角函数关系,并解析求解该状态下的刀具姿态方程。加工实例表明,该模型能很好地描述刀具包络面与自由曲面间的切触关系,并保证加工过程中刀轴矢量变化的平稳顺滑性,从而获得较高的加工表面质量。     

自由曲面数控加工用刀具

从刀具有效半径和切削速度的角度,分析比较了球头立铣刀在三坐标和平头立铣刀在五坐标自由曲面加工中的加工效率与切削性能,提出了球头立铣刀和平头立铣刀的优化刀具尺寸,并对叶片曲面的刀具轨迹进行了仿真模拟。     

抛物回转面的精密模具制造模型研究

抛物回转面因具备特殊的光学性质而被广泛使用，针对批量生产该表面的精密模具的数控加工问题．给出了用平头铣刀三轴联动加工方案，并给出了工具参数，加工行距以及加工数控进给量的整套计算模型，用实例验证了方案的可行性和模型的可靠性，为此类精密镜面批量生产的模具制造提供了全面参考。     

A Precision Tool Model for Concave Cone-End Milling Cutters

The paper presents a comprehensive manufacturing model that can be used to produce a concave cone-end milling (CCEM) cutter on a two-axis NC machine. A CCEM cutter possesses many distinct features that are superior in many cases to the traditional flat-end milling cutter for producing parts with multiple sculptured surfaces. Based upon the given design parameters and criteria, the equation of the helical flute groove and the curve of the cutting edge at the end of the helical flute are derived and presented. By using an inverse problem-solving technique, the sectional profile of the grinding wheel, the tool compensation for machining, and the feedrate of both NC axes are consequently obtained. The design results are compared with the measured data obtained from the NC produced CCEM cutter. The satisfactory comparative verification indicates that the tool design and manufacturing model presented in this paper is theoretically sound and it can be automated easily. The proposed method is widely applicable for the mass production of various high-efficiency milling cutters.     

在数控加工中心上铣削型腔时表面质量的探讨

通过对平头立铣刀在数控加工中心上铣削凹槽时,理论表面质量与实际加工后已加工表面质量的分析,阐明在实际应用过程中应注意的问题和解决方案。     

虚拟制造中基于刀具磨损的复杂曲面加工误差补偿

基于数控铣削加工仿真系统,研究了在虚拟制造环境下对球头铣刀磨损引起的曲面加工误差的预测与补偿。建立了与加工参数相关的球头铣刀磨损模型,用于预测球头铣刀切削刃的磨损量,提出了球头铣刀铣削加工误差的补偿方法,并通过实验验证了该方法的有效性。     

空间凸轮廓面侧铣加工及最小二乘优化刀位方法

通过对空间凸轮非等价加工方式下理论刀轴轨迹曲面微分几何特性的研究，表明加工空间凸轮工作廓面必然存在法矢异向误差。为寻求加工误差最小的最佳刀轴矢量，提出了数控侧铣加工空间凸轮廓面的方法。根据实际刀轴轨迹面是直纹面的性质，以NURBS直纹面重构理论刀轴轨迹面，采用最小二乘优化方法确定侧铣加工刀位，给出了理论加工误差模型，并通过实例的数值计算和加工实验结果证明了该方法的有效性。     

自由曲面的五坐标端铣加工研究

针对自由曲面的五坐标端铣加工，建立了平底刀有效切削轮廓的数学模型，分析了刀具姿态对有效切削轮廓及加工效率的影响。沿行距方向，通过对被加工曲面法截线的偏置曲线与有效切削轮廓求交，得到一种走刀行距的计算方法。探讨了影响走刀行距的因素，在不发生干涉的前提下，小的后跟角和侧偏角有利于加工行距的提高。结合平底刀加工不发生过切的充要条件和被加工曲面沿行距方向的法曲率，给出了后跟角的自动计算方法。算例表明，所提出的走刀行距及刀具倾角的计算方法合理可行，能够有效提高计算精度和加工效率。     

复杂曲面的数控加工误差分析

针对复杂曲面的多轴数控加工,应用数学知识建模,从理论上分析了平底铣刀刀具加工复杂曲面时的误差,得出了影响数控加工精度的主要因素并提出了误差补偿方法,为控制多轴数控加工的误差提供了理论依据与补偿算法,对高精度复杂曲面的数控加工具有借鉴意义。     

法向圆弧锥齿轮数控加工研究

研究了法向圆弧锥齿轮的数控加工原理与技术,设计了成形铣刀,给出了刀具与工件的接触条件以及刀具与工件之间的相对运动。斜航式法向圆弧锥齿轮数控加工实验表明,该锥齿轮数控加工原理正确,工艺简单,且加工精度较高。     

Face-milling spiral bevel gear tooth surfaces by application of 5-axis CNC machine tool

In order to solve some common problems of CNC-machined spiral bevel gears such as small cutting strip width and poor surface quality, while milled by the ball-end, a machining method of face milling using a disk cutter with a concave end is presented. The research theories are based on the foundation of spiral bevel gears’ geometry structure. Firstly, a bigger diameter disk cutter with a concave end is selected. Then, change the setting order of cutter orientation angles. The functions of cutter tilt and yaw angle are separated, and tooth surfaces machined with big cutting strip width and no bottom land gouge can be expected. Since the cutter yaw angle, determined firstly by cutting contact point, positions in the tooth surface machine, the bottom land gouge interference can be avoided effectively. Then, the tilt angles of the gear pair, both side tooth surfaces, are determined by the theory of sculptured surfaces machined by the flat-end cutter, respectively. As a result, the improved cutting strip width and machining efficiency can be realized. Finally, feasibility of this method is verified through machining experiment and measurement of a spiral bevel gear pair.