毕业设计论文-复杂曲面的数控加工技术研究及应用

毕业设计论文-复杂曲面的数控加工技术研究及应用内容摘要：

方法。 垂直于刀轴驱动面和平行于刀轴驱动面均为其特殊形式．复 杂曲面加工过程中往往通过改变角度来避免刀具，工件，夹具，机床问的干涉 和优化数控程序。 五轴数控铣削加工的切削方式可以根据实际产品的加工来进 行合理的刀具轨迹设计规划。 2 五轴数控加工的刀具运动轨迹控制 在复杂曲面的多坐标数控加工过程中，刀具轨迹的优劣直接影响到其加工 精度和加工效率。 同一曲面加工所选刀具轨迹的不同，其精度和效率是有很大 区别的．刀具轨迹优劣评价的要素： l 刀具轨迹的长度：即对零件加工的刀具轨迹的总长度，包括刀具的有效 路径的长度和不进行切削的空行程长度。 显然，刀具轨迹越短，其加工效率越 高． 2 刀具轨 迹的连续性：不连续的轨迹会因经常性的抬刀使刀具往返时间增 加而降低加工效率，而且零件的加工质量也会因为系统误差而降低。 所以在曲 面精加工时尽可能实现一刀切削。 3 刀具轨迹方向的一致性：加工轨迹的不同选择使曲面得法矢量的变化幅 度和变化频率有很大的区别，从而影响了加工效率和质量。 轨迹方向的一致性 包括刀具运动切线方向的变化情况。 编程过程中，刀具轨迹的规划应该沿着曲 面曲率变化较小的方向，从而使其切线方向和法矢量方向的变化尽可能小．可 变轴曲面轮廓铣是五轴加工的主要方式，常用于零件曲面的精 加工。 通 过控制刀具轴线，投射方向和驱动方法，可以复杂曲面的加工刀具轨迹。 刀具 轨迹创建一般要包括两个步骤：第一是从驱动几何体上产生驱动点，第二是将 驱动点沿投射方向投射到零件几何体上。 驱动点的产生取决于驱动方法的设定，可变轴铣削的驱动方法主要有曲线 点驱动，边界驱动，螺旋驱动和曲面驱动等方法。 根据其驱动方法的不同，其 刀具轴控制的方法也不同。 3． 2． 4 数控加工刀具的选择 1 数控刀具特点 数控加工刀具应该适应数控机床高速，高效和自动 化程高的特点，一般采 用模块化结构，刀片多为可转位机夹刀片，已经形成了标准化，系列化的特点。 一般来说与普通机床所用刀具相比，数控加工刀具具有以下特点： l 互换性好，多采用可转位机夹刀片，便于更换． 2 切削性能稳定，刚性好，抗振及红硬性好。 3 镗削精加工刀具具有微调结构，便于调整刀具尺寸． 4 刀具结构能够可靠地断屑。 5 刀具标准化，系列化以便于加工程序编制 2 数控加工刀具的材料 数控加工刀具要适应高速，高效的自动化加工，其材料选取的原 则是应该 具有高的硬度和韧性。 通常情况下，刀具材料有一下几种： 1 硬质合金刀具。 硬质合金刀具的特点是硬度高，红硬性好，韧性一般， 有一定的抗冲击能力，是数控加工中应用最为广泛的一种刀具材料，按其晶粒 大小分为普通硬质合金，细颗粒硬质合金和微颗粒硬质合金；按其主要成分分 为钨基硬质合金和钛基硬质合金；按其表面是否涂层可分为无涂层硬质合金和 涂层硬质合金。 2 陶瓷刀具。 陶瓷刀具可分为氧化物陶瓷，氮化物陶瓷，立方碳化硼，金 刚石等，其特点是硬度高，韧性较差，难以用于冲击力大的断续切削。 3 数控加工切削刀具的种类 数控加工切削刀具的种类繁多，其中应用在数控铣削加工的刀具主要有平 底立铣刀，面铣刀，球头刀，牛鼻刀和锥形刀。 3． 3 复杂曲面的数控加工误差分析和补偿 利用五轴数控机床加工复杂曲面时，平底立铣刀为其常用的加工刀具。 刀 具运动常采用直线插补的方式。 在加工过程中，刀具轴线矢量相对于曲面作相 应的变化，因此加工过程中的误差为直线逼近误差和刀具轴线摆动引起的误 差 6n。 本文以平底立铣刀为例，分析复杂曲面的数控加工误差【 9】。 下图 3． 2所示： Y 图 3． 2 五轴联动加工曲面刀具切削位姿图 3． 3． 1 五轴数控加工凸曲面时的误差 1 线形逼近误差 6t 图 3． 3 所示为线性逼近误差示意图，编程时，通常用直线段 AB 来近似代替弧线 AB，直线逼近误差可以计算如下：在一查补直线段内，设弧线长为△ S， 对应的弧度为 o，曲线曲率为 k，则： 图 3． 3 五轴联动加工直线逼近误差 2 刀轴摆动误差 如图所示为数控 加工过程中平底立铣刀刀具姿态与凸曲面的位置之间的 关系。 刀具摆动误差是指编程过程中刀具轴线矢量的摆动所引起的误差 1 建立刀尖轨迹的直线方程。 设刀具半径为 r’由两点式直线方程可得： 2 建立刀具切削点轨迹方程 在五轴数控加工曲面过程中，刀具是相对于刀具驱动曲面的法向成一定的 角度的，即存在一定的刃倾角和斜偏角。 因此刀具轴线矢量在工件机床坐标系 中是不断变化的，即。 不断变化的。 所以切削点轨迹参数有两个参数坐标：点 的坐标和刀轴矢量。 在某一平面内，可用纵坐标 y 和刀具轴线矢量 和 y 轴线的 夹角 e。 由图知： 3 分析五轴联动数控加工凸曲面时，切削点轨迹的变化情况。 五轴联动数控加工曲面时，数控控制系统大多采用直线插补，所以刀具中 心点的轨迹为直线，由数学知识可得，函数曲线的一阶导数可以得到函数曲线 的单调性和极值情况，函数曲线的二阶导数可以得到函数曲线的凸凹性。 对上 式中函数对 x 求导得到下列关系： 可知，当刀具轴线矢量 e O， y o 时，切削点轨迹为凹曲线；当时，切削点轨迹为凸线；当时，切削点在此时为函数曲线的拐点。 4 求解刀具轴线摆动误差 6 n，为了保证加工精度，其最大误差 6 n 所求的值。 由上述可知，切削点轨迹曲线可能为凸曲线也可能是凹曲线，所以其值应 取绝对值。 5 摆动误差表达式的简化 在五轴数控编程过程中，需要定义刀具轴线矢量相对于驱动面的方向，因 此，上式中，不是编程中所确定的关心的参数。 五轴数控编程往往以加工曲 面作为刀 轴的驱动曲面，因此刀具轴线矢量相对于曲面的切向角度为所求的关 联参数。 如图 3． 4 示： 所以加工凸曲面的总编程误差为： 3． 3． 2 五轴联动数控加工凹曲面时的误差 五轴联动加工凹曲面时，其编程加工误差也分为直线逼近误差和刀具轴线 矢量摆动误差。 图 3． 5 五轴联动加工凹曲面刀具位姿图 1 直线逼近误差分析 如图 3． 5 示：同数控加工凸曲面一样，其直线逼近误差为： 2 刀具轴线摆动误差 刀具轴线摆动误 差的方向如图，此时，其摆动误差减小了直线逼近误差的 影响，起到了修正的作用。 由上分析可知：其误差为： 3． 3． 3 编程影响误差因素分析补偿 五轴联动数控加工编程的误差由直线逼近误差和刀具轴线摆动误差两部分组成，其中，直线逼近误差和加工刀具无关，只取绝于所加工的曲面曲率和 插补段的弧长，正比例于加工曲面的曲率，正比例于插补段的弧长的平方。 刀 具轴线摆动误差既相关于刀具的半径，又相关于所加工曲面的曲率和插补段的 弧长。 所以影响五轴联动数控加工加工复杂曲面的编程误差主要因素有：加工刀 具的半径，被加工曲面的形状，和插补步长等。 在被加工对象一定的情况下， 选择合适的加工刀具和刀具轨迹加工路线将有助于减少编程阶段引进的误差。 由上分析可知： 1 直线逼近插补误差可通过控制走刀步长来控制。 加工曲面过程中，加工曲面的形状是不可控的，通过对走刀步长 L 的控制， 对逼近允许误差 c，有 2 刀具轴线摆动误差的补偿方法： 加工凸曲面过程中，刀具轴线摆动误差引起了总误差的增加，因此，在满 足不过切的条件下，尽量增大刀具轴线和切削曲线切向夹 角。 即刀具尽量贴近 加工曲面。 另外可以做辅助加工面，移动切削点的位置，使刀具轴线摆动误差 对总误差起到修正的作用。 加工凹曲面过程中，刀具轴线摆动误差对总误差起了修正作用，此时，在 满足不过切的条件下，计算选择合适的刀具轴线和切削曲线切向夹角，可以显 著地减小编程的总误差． 3． 4 高速加工技术及应用 影响高速加工应用的关键要素 1 CAD 模型对高速加工的影响 高速加工的对象一般是复杂零件的特征，其中曲面加工是其中最重要的方 面。 因此，加工对象一般为三维的 cAD 模型，其形状直接决定了刀具的加工， 是影响加工轨迹的主要方面，其精度则影响了最终的加工精度。 加工的结果与 采用何种方法造型是无关的，但无需加工的特征则往往严重地影响了刀具轨迹。 因此对模型精度的高要求和模型的适当处理是必要的。 l 模型的精度要求 同上所述，加工的最终结果和采用何种建模方法无关，和采用何种建模工 具也无关，但造型公差必须优于加工公差，通常高于加工精度要求一个数量级。 在两个建模工具软件之间使用通用类型的模型转换时，对零件模型精度的检查 是必要的。 2 曲面裁剪处理 复杂曲面模型是由一系列裁剪的曲面构成的，当 cAD 模型由一种建模软件 到另一种软件转换时，由于各软件之间的几何运算方法不同，数据类型定义有 差别，精度设置不同等诸多因素。 在转换过程中往往会引起破面缺陷。 模型破面通常表现为各曲面之间有间隙或有重叠。 补面的主要任务是连接 各曲面的边界线对曲面进行修正． 3 无须加工的特征处理 对加工要素无关的特征也会影响刀具的轨迹，对其的处理方法有两种，一 是对该特征删除或填充；二是删除不必要的刀具加工轨 迹，即在生成刀具轨迹， 定义非加工区域。 总之：对于 CAD 模型，要注意以下各点 确保造型精度比加工精度高； 注意数据转换中造成的模型缺陷； 注重对无须加工的特征的有效处理； 处理和。