复杂曲面的加工方法

薛亚峰2010.5《高等切削理论》课程报告报告题目：复杂曲面的数控加工报告人：薛亚峰学号：20904069导师：曹利新报告时间：2010年4月19日GP72002.数控加工复杂曲面的数控加工主要包括三个方面:1.曲面造型2.数控编程3.数控机床加工2.1曲面造型自由曲线是指不能用直线、圆弧和二次曲线描述的任意形状的曲线。自由曲面是指不能用基本立体要素（如棱柱、棱锥、球、有界平面等）描述的呈自然形状的曲面。2.1.1曲线曲面基本理论2.1.2曲面造型方法复杂曲面造型常用的方法主要有Coons曲面、Bezier曲面和B样条曲面三类。由于NURBS曲面方便灵活，具有强大的形状描述能力，被国际标准化IS0组织在STEP(工业产口数据交换)标准中定义为描述产品形状的主要数学方法。NURBS曲线曲面造型技术在许多商业化的CAD/CAM软件中得到了成功的应用，如UG、PROE等。复杂曲面造型新方法1.三角曲面2.散乱数据插值曲面3.变形造型技术4.能量优化法曲面5.基于小波技术的曲线、曲面造型等技术6.用偏微分方程构造曲面等方法2.2数控编程数控编程方法可以分为两类：1.手工编程2.自动编程三坐标曲面加工（走刀路线）数控加工工艺五坐标曲面加工（刀轴控制）刀位数据及刀位计算（三、五）数刀具轨迹生成方法控刀具路径规划走刀步长的确定编程刀具干涉碰撞检验和处理几何仿真\力学仿真数控加工仿真CL仿真\NC仿真2.2.1数控加工工艺加工工艺的合理确定对实现优质、高效、经济的数控加工具有极为重要的作用，其内容包括：选择合适的机床刀具走刀路线主轴速度切削深度进给速率等三坐标曲面加工可以采用球头刀、平底立铣刀、环形铣刀、鼓形刀和锥形刀。其特征是加工过程中刀具轴线方向始终不变，平行于Z坐标。三坐标曲面加工通过逐行加工走刀（行切）来完成，通过刀具沿切削行的运动，近似包络出被加工曲面。三坐标曲面加工原理三坐标曲面加工走刀路线图a、b分别为沿参数曲面的u向和v向参数线走刀，c为环切走刀。图a中的刀具轨迹均匀（与截面线型刀具轨迹基本相当），因而具有较高的加工效率与代码值质量。图c方案变成相对复杂，主要应用于边界受限制的曲面。五坐标曲面加工五坐标机床在三个平动轴基础上增加两个转动轴，是实现复杂曲面高效高质量加工的重要手段。具有以下特点：1.可避免刀具干涉，加工适应性广2.对于直纹类曲面，可采用侧铣方式一刀成型，加工质量好、效率高。3.对于一般的立体面特备是较为平坦的大型表面，可用大直径端铣刀贴近表面进行加工，走刀次数少。残余高度小，可以大大提高加工效率与表面质量。4.五轴加工时可以使刀具相对于工件表面总是处于最有效的切削状态1.垂直于表面方式即刀轴始终平行于个切削点处的表面法矢，适用于大型平坦无干涉凸曲面端铣加工。2.平行于表面方式即刀具轴线或母线始终处于各切削点的切平面内，对应方式一般为侧铣。这种方式的重要应用时直纹面的加工。3.倾斜于表面方式由刀轴矢量在局部坐标系中与坐标平面所成的两个角度α和γ定义。其中，n为切削点处的单位法矢，a切削点处沿进给方向的切矢，v=nxa,(a,v,n)为切削点处的局部坐标系。α为前倾角；γ为倾斜角常见的刀轴控制方式：2.2.2刀具路径规划刀具路径规划是复杂曲面数控加工中最重要的内容。它是通过曲面的几何模型，根据所选的机床、刀具、走刀方式、加工余量等工艺方法进行刀位计算并生成加工运动轨迹。其中涉及到的核心问题包括：1.刀位数据及刀位计算2.刀位轨迹生成方法3.步长计算4.干涉碰撞的检测和处理等刀位数据及刀位计算刀位点即CL点（CutterLocation），是刀具在空间的位置点。刀具轨迹即刀位点的轨迹。实际应用当中采用刀具轴线的顶点或端点作为标准的刀位点。对于三坐标曲面加工刀位计算：121()/||mxyxyrrRnRRnn由于五坐标加工曲面，刀具位置和刀具轴线的方向都是变化的，因此，五坐标加工的刀具轨迹是由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具轴线方向矢量组成。切削点位矢为r、则刀位点p的位矢和刀轴单位矢量为1222m=sin+cos(sinsin)ianvmi121-(-cos)pmrrRnRRni（）pr1.参数线法是以被加工曲面的参数线作为刀具接触点路径来生成刀具轨迹。曲面的参数方程为：刀具轨迹生成方法(,)rruv2.CC路径截面线法在走刀过程中，将刀具与被加工曲面的CC点（接触点）约束在另一组曲面内，即用一组约束曲面与被加工曲面的截交线作为刀具接触点路径来生成刀具轨迹。常用的约束面有平面、柱面等简单的曲面。3.CL路径截面线法直接用一组约束曲面与被加工曲面的刀具偏置面的截交线作为刀具轨迹。两种计算方法：1.直接构造法，又叫偏置法如图（a）2.通过迭代计算在约束面上求取刀具与被加工面相切的一系列刀位点，由此构成刀具轨迹。如图（c）4.导动面法通过引入导动面来对走刀过程进行约束，使刀具始终保持与曲面与导动面相切。由于导动面计算复杂，一般用于组合曲面的交线清根处理。走刀步长确定曲面加工的刀具轨迹理论上是由刀具与曲面的啮合关系所确定的复杂曲线，由于CNC插补能力的限制，该轨迹只能用一系列小直线段进行插补。走刀步长（逼近线段）曲面加工刀具轨迹步长算法1.等步长法：包括等参数步长和等距离步长，为满足加工精度，通常参数步长取值偏于保守，所以计算点位信息多。2.步长筛选法先以等步长法对刀具轨迹密集离散，然后根据各点的实际误差删除不必要的点。3.补偿估计法根据当前刀具接触点的局部几何形状与走刀方向来估计满足精度要求的步长，再由此确定下一刀位点的位置。干涉检测和处理用一定尺寸的刀具加工曲面时，由于曲面各点曲率的不同会产生过切和欠切的情况。由于五坐标刀轴的可控性，其干涉检查和处理比三坐标复杂的多。干涉情况1.刀头干涉主要发生在曲面上的内凹区域和曲面与平面的连接处2.刀轴干涉主要发生在异型曲面、加工通道、型腔类零件干涉检测方法1.直接距离计算法通过直接计算刀具表面与曲面的距离来判断，并进行相应的调整，直到刀具表面与曲面的距离满足要求。该方法需要迭代计算，计算量大。2.多面体法首先将曲面离散成一系列满足精度要求的三角片，将曲面转化为多面体离散平面，通过计算刀具与多面体的距离来判断是否干涉，进行相应的调整，直到刀具表面与曲面的距离满足要求。计算可靠，应用广泛。干涉处理方法1.轴向移动使刀具沿刀轴方向移动到一个新的位置2.轴线摆动保持接触点不动，通过摆动刀具轴线到一个新的方向3.轴线平移使刀具在垂直于刀轴平面内沿曲面法矢方向平移到一个新的方向2.2.3数控加工仿真目前NC切削过程仿真分为：几何仿真：基于后置处理前的CL数据(刀位数据)所进行的仿真力学仿真：基于后置处理所产生的NC程序而进行的仿真绿色部分为叶片曲面的等距离2.3数控机床加工谢谢