[發明專利]超精密車削刀具選擇方法

有效

• 申請號: 200710058345.2
• 申請日: 2007-07-20
• 公開（公告）號: CN101187951A
• 公開（公告）日: 2008-05-28
• 發明（設計）人: 房豐洲;張效棟
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G05B19/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 江鎮華

技術領域

本發明屬于超精密及微加工技術領域，涉及一種超精密加工刀具的選擇方法。

背景技術

近些年來發展起來的超精密及微加工技術有極強的輻射作用，廣泛應用在各個領域的超精密及微小關鍵器件的制造中，如生物醫療、航空航天、國防、光學、通訊、微電子等領域。它的每一項應用技術的開發都會在一定程度上帶來應用領域新的飛躍，從而促進產品的更新換代。鑒于這些原因，國外對我國采取嚴格的技術封鎖，核心技術完全保密。

在機械加工中，加工的干涉問題將導致被加工件形狀的破壞，甚至造成金剛石刀具的破損和降低機床本身的加工精度。因此，從車床安全操作和提高加工精度的角度考慮，正確設計加工路徑避免發生干涉作用是非常重要的。除此之外，對于復雜自由曲面加工來說，根據加工形貌選擇正確的加工刀具也是非常必要的，因為，如果最初的刀具參數根本滿足不了復雜曲面的形貌需求，無論如何進行加工路徑的優化設計，干涉現象的發生也是在所難免的。從這個意義上來說，在一次超精密加工過程中，進行正確的刀具選擇應該是首要完成的任務。

發明內容

本發明的目的在于從刀具的選用方面提出一種降低或避免超精密車削干涉作用的方法，該方法綜合考慮了加工曲面的形貌特征，能保證刀具最大限度地能符合曲面特征，適用于自由曲面超精密加工的刀具選擇。

為此本發明采用如下的技術方案：一種超精密車削刀具選擇方法，包括下列步驟：(1)采用旋轉截面分析法或根據加工表面的幾何形狀，選擇一條或一條以上加工表面的截面曲線；

(2)分別確定所選擇各條截面曲線的曲線方程；

(3)對各個曲線方程，分別求解并利用截面曲線法向量，求解加工各個曲線的最小刀刃圓弧弧度值；

(4)查找各個曲線的凹陷區域，并使用圓擬合的方法對凹陷區域的半徑進行求解，得到各個曲線的最大刀刃圓弧半徑值；

(5)對執行(2)至(4)步驟所得到的各個截面曲線的最小刀刃圓弧弧度值和最大刀刃圓弧半徑值分別進行比較，根據其中最大的最小刀刃圓弧弧度值，確定所要選擇刀具的刀刃圓弧弧度，根據其中最小的最大刀刃圓弧半徑值，確定所要選擇刀具的刀刃圓弧半徑；

(6)根據步驟(5)確定的刀刃圓弧弧度和刀刃圓弧半徑，選擇刀具。

上述的超精密車削刀具選擇方法，步驟(3)可以按下列方法執行：對每條曲線，參數化方程求導規則，求解曲線方程的導數；遍歷曲線上各個加工點，求解各個加工點的法向量及其與加工主軸的夾角，對所求得的各個夾角進行比較，得到夾角最大值，該值即是該加工曲線的最小刀刃圓弧弧度值。

步驟(4)可以按下列方法執行：對每條曲線，采用曲線法線和加工主軸的夾角值的余弦值進行凹陷區域查找，遍歷整條曲線，對所確定的各個凹陷區域的數據進行圓擬合，確定各個凹陷區域的半徑；比較所確定的各個凹陷區域的半徑，找到其最大值，該值即是該曲線的最大刀刃圓弧半徑值。

可以根據下列步驟確定凹陷區域：

(1)規定曲線法線和z軸正向夾角值的余弦的符號；

(2)求解整條曲線的余弦值，并對所有余弦值順序進行查找判斷；

(3)當余弦值符號發生跳變，記下該點；

(4)從該點向曲線兩側查找，分別在兩側查找距離該點最近的兩個跳變點；

(5)所找到的兩個跳變點范圍內所有曲線上的點屬于同一個凹陷區域。

本發明具有如下顯著的優點：

(1)利用對加工表面形貌分析確定刀具切削面參數的限定值，實現刀具選擇，從而降低或避免由刀具選擇不當帶來的加工干涉的問題。

(2)本發明查找三維曲面的曲率和凹陷區域特征的復雜問題簡單化，使其轉變為求解若干截面曲線曲率和凹陷區域特征的問題。

附圖說明

圖1金剛石刀具切削面模型；

圖2旋轉截面分析法示意圖；

圖3刀尖圓弧弧度選擇方法示意圖；

圖4凹陷區域確定示意圖；

圖5截面曲線最小刀刃圓弧弧度分布曲線；

圖6截面曲線凹陷區域擬合圓和半徑。

具體實施方式

單點金剛石刀具切削面如圖1所示，切削面上的參數為刀尖圓弧半徑r₀，刀尖圓弧弧度x₀。金剛石超精密車削的加工表面形貌本身包含了對這兩個參數限定的特征。刀尖圓弧弧度受限于加工面的曲率特征；刀尖圓弧半徑則受到加工面凹陷區域特征的限制，如果凹陷區域半徑相對于圓弧半徑太小，則存在加工干涉的可能。