[發明專利]一種非球頭刀銑削加工自由曲面的方法

有效

• 申請號: 201410529547.0
• 申請日: 2014-10-09
• 公開（公告）號: CN104238456A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 李迎光;劉旭;馬斯博;李強;馬飛
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B19/4099
• 分類號: G05B19/4099
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 瞿網蘭

技術領域

本發明涉及一種CAD/CAM技術，尤其是一種自由曲面的CAD/CAM技術，具體地說是一種非球頭刀銑削加工自由曲面的方法

背景技術

隨著產品整體化、輕量化設計以及對氣動性能要求的不斷提升，越來越多的復雜自由曲面出現在航空航天、汽車及船舶等產品的零件中，由于這些復雜曲面幾何性質復雜，曲率變化大，傳統上采用球頭刀銑削的加工方式，但在實際生產中球頭刀的切削寬度較小，加工效率較低，例如在大型模具的復雜自由曲面加工中，其精加工時間往往需要100小時以上。相比之下五軸聯動非球頭刀的切削通過改變刀具姿態可以實現較大的切寬，加工效率明顯提高，因而成為復雜自由曲面加工的高效加工方式。但非球頭刀的切削寬度受刀具姿態以及進給方向的影響，而五軸加工刀具姿態的確定依賴人的經驗且缺乏靈活性，在實際加工中往往切削寬度達不到預期效果，仍然需要進行切削寬度優化。

切削寬度優化是優化曲面加工效率的重要方式之一，較大的切削寬度可以減少曲面加工軌跡的長度，在不考慮機床運動學限制的情況下可以有效縮短加工時間，提高加工效率。一些學者通過以曲面最長邊界作為初始刀軌進行偏置生產刀軌，或者以曲面主曲率最大的對應方向作為進給方向從而實現切削寬度的優化，還有目前較為成熟的美國北卡羅來納州立大學Yuan-shin?Lee教授提出的基于Machining?Potential?Field的方法，即首先在曲面上構造一系列曲線，選出平均切寬最大的曲線作為初始軌跡線，偏置初始軌跡線生成曲面的加工軌跡，當偏置得到的軌跡線的切削效率系數小于設定值時則停止軌跡偏置，在未生成刀軌區域重新構造初始軌跡線進行軌跡計算。該方法能夠一定程度上減少相鄰刀軌間的重疊區域，實現切寬的優化，但該方法的本質是一種被動式的分區加工方法，仍然受人經驗的影響，是一種貪婪式算法，因此僅能得到局部優化的加工結果。

本發明公開了一種非球頭刀銑削加工自由曲面方法。針對自由曲面五軸聯動銑削加工中采用擺定前傾角和零度旋轉角的加工方式，構造刀具有效切削曲面，以張量的方式度量曲面上任意切觸點處的切削寬度，構建非球頭刀切削寬度二階張量場，提取張量場中的三分退化點，并以此為起點搜索曲面內部邊界點，實現對曲面加工區域的劃分，每個區域稱為一個曲面加工特征。在每一個曲面加工特征中構建數條曲線，使曲線上每點的切向與該點處切寬最大的進給方向重合，選出平均切寬最大的曲線為該區域內的初始加工軌跡線，采用偏置初始加工軌跡線的方式計算各曲面加工特征的刀軌從而得到整個曲面的加工軌跡。該方法能夠保證所生成的平底刀加工軌跡盡可能遵循對應最大切寬的進給方向在曲面范圍內的區域化分布規律，從而減少刀軌長度，實現加工效率的提高。

發明內容

本發明的目的是針對當前復雜自由曲面五軸聯動銑削加工中，采用擺定前傾角和零度旋轉角的加工方式下，非球頭刀銑削無法進行切寬全局優化的問題，發明一種非球頭刀銑削加工自由曲面的方法。

本發明的技術方案是：

一種非球頭刀銑削加工自由曲面的方法，其特征是它包括以下步驟：

步驟1：依據最大弦高比值，對加工曲面進行網格劃分，得到加工曲面包含的網格列表及每個網格包含的網格點；

步驟2：構造刀具有效切削曲面表達方式；

步驟3：基于加工曲面幾何特性及刀具有效切削曲面表達方式，計算每個網格點處的非球頭刀切寬張量系數矩陣，構建切寬張量場；

步驟4：搜索切寬張量場中包含的退化點，提取三分退化點；

步驟5：以三分退化點為起點搜索曲面內部邊界點，構造曲面內部邊界，得到曲面加工特征。

步驟6：在每一個曲面加工特征中構建數條曲線，保證曲線上每點的切向與該點處切寬最大的進給方向重合，選出平均切寬最大的曲線為該區域內的初始加工軌跡線；

步驟7：采用偏置初始加工軌跡線的方式計算各曲面加工特征的刀軌從而得到整個曲面的加工軌跡。