非球头刀宽行五轴数控加工自由曲面三阶切触法刀具包络曲面局部重建原理.pdfVIP

中国科学: 技术科学 2010 年 第40 卷 第11 期: 1268 ~ 1275 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 非球头刀宽行五轴数控加工自由曲面的 三阶切触法( Ⅰ): 刀具包络曲面的局部重建原理 ①* ② ② 朱利民 , 丁汉 , 熊有伦 ①上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室, 上海 200240; ②华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室, 武汉 430074 * E-mail: zhulm@ 收稿日期: 2009-9-23; 接受日期: 2009-12-24 国家重点基础研究发展计划(“973”计划) (批准号: 2005CB724103)和国家自然科学基金(批准号:资助项目 摘要 研究了两线接触曲面间的几何学特性, 由刀具包络曲面分别沿刀触点轨迹线和特 关键词 征线与设计曲面和刀具曲面线接触这一基本条件, 提出了回转刀具扫掠包络面的局部重建 五轴数控加工 原理. 建立了由单个刀位重建刀具包络面局部三阶近似曲面的数学模型, 刻画了刀具曲面、 回转刀具 刀具包络面 刀具包络面与设计曲面在刀触点领域内的三阶微分关系, 为提出自由曲面三阶切触加工新 诱导曲率 方法奠定了几何学基础. 三阶切触 五轴数控加工至今仍广泛采用球头刀. 球头刀 关键的问题, 它直接关系到刀位计算的精度. 由于操 加工适应性强、刀位规划简单, 可以加工任意复杂曲 作上的难度及复杂性, 多数文献都采用了近似的简 面, 但是加工性能较差, 加工精度和效率比较低. 非 化处理, 将刀位规划转化为单个刀位下, 刀具曲面与 球头刀加工不仅能改善切削性能, 而且可以在刀具 工件曲面间的优化逼近问题, 给出的各种刀位优化 运动过程中通过调整其位置和姿态, 使得在刀触点 模型并不能真实地反映实际加工过程. 如, Deng 等 轨迹线附近的带状区域内刀具包络曲面充分逼近理 人[3]将刀具的曲率半径表示为刀具倾角的函数, 通过 论设计曲面, 从而显著提高给定精度下的加工带宽, 曲率匹配来确定平底刀加工自由曲面的刀具姿态. 在加工平坦、敞口类曲面时能充分发挥五轴联动机床 Kruth 等[4]将切触点处的设计曲面和环形刀具曲面分 的潜力, 因而成为近些年来研究的热点, 研究工作主 别用二次方程和球面来近似, 由球面和二次近似曲 要集中在平底刀和圆环刀的端铣加工, 以及圆柱刀 面的交线来确定最小刀具倾角. Rao 和 Bedi 等人[5,6] 和圆锥刀的侧铣加工. 提出了主曲率法, 刀具的倾斜方向与曲面的最大主 五轴数控加工的成形原理为单参数面族包络原 曲率方向一致, 进给方向为最小主曲率方向, 通过调 理, 真实的加工误差为刀具包络面相对于工件曲面 整倾斜角使刀具的有效切削半径等于曲面最小曲率 的法向误差. 由于只有在所有刀位都确定之后才能 半径. Watkentin 等人[7]提出了多点接触的刀位优化方