论文摘要
数控高速切削加工集高效、优质、低耗等特点,成为模具制造业中最为重要的先进制造技术。目前对高速切削模具工艺技术的研究主要集中在不同材料的高速切削模具工艺试验和高速切削的加工刀具路径规划及编程两个方面。在高速切削模具的刀具路径规划方面以刀具路径、刀具位姿、进刀方式以及进给量为主要研究内容,以减少刀具磨损、延长刀具使用寿命、提高表面加工精度和加工效率为目的进行刀具路径的优化。本文对超环面铣刀高速铣削模具曲面的路径规划和刀具位姿优化两方面进行了研究,在路径生成机理、优化算法和刀具位姿方面进行了一些探索,主要工作和成果概括如下：分析和研究了国内外有关数控加工刀具路径规划的研究现状,根据路径的拓扑结构和参数,从算法简单程度、计算量、效率及加工精度方面阐述了传统的等参数法、截面线法、等残留高度法及C空间法等优缺点。由于以上加工方法都是依靠待加工曲面的边界线生成相应的初始轨迹线,由初始轨迹线迭代生成相邻刀具轨迹,新轨迹线的生成对前一条轨迹线具有很大的依赖性,由此产生的误差在所难免,在迭代过程中误差被累积和叠加,严重影响待加工曲面的加工精度和加工效率。本文综合考虑刀具路径的拓扑结构和规划策略,主要研究了优化初始刀具路径和优化刀具位姿两个方面。在具体的优化算法中,本文充分考虑超环面铣刀及待加工曲面的局部几何特征,根据刀触点区域加工势场的特点,在保证最大平均加工带宽和切削效率的条件下确定初始刀具路径。即分析刀触点区域曲面的局部势场的特点,搜寻最大的平均加工带宽作为初始刀具路径,提出了一种基于加工势场法的刀具路径规划方法,其主要优点是大大减小了相邻路径间的依赖性,有效地避免误差叠加和放大的缺点,充分发挥了五轴数控加工的优势。通过仿真实验,证明此方法相对于传统的等参数线法在加工复杂曲面时能够有效地提高加工效率。基于加工势场方法生成的刀具路径总数为39条,相对于传统的等参数线法增加了4条,但是本文方法生成的刀具路径总长度为2212.535mm,相对于等参数线法的3678.57mm减少了39.85%。基于超环面铣刀特殊的铣削轮廓参数,本文对高速旋转下的刀具扫掠体和扫掠轮廓线进行描述,将刀具曲面与被加工曲面的几何关系由面-面关系转化为线-面关系进行深层次的分析和讨论。在对干涉现象和干涉类型探讨的基础上,推出了满足无干涉条件下的相切公式,进而根据曲率匹配原则,通过调整刀具后跟角和侧偏角的大小,确定刀具无干涉条件下最优的切削姿态,使刀具扫掠轮廓线最大限度的逼近待加工曲面,从而得到最大的加工带宽。通过几何、路径及刀具位姿的计算仿真,证明本文方法在保证曲面加工精度的基础上,改善了编程系统中刀具路径规划的质量,优化了刀具位姿,提高了加工效率。