（机械制造及其自动化专业论文）基于五轴加工中心的高速面铣刀刀体加工技术.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 基于五轴加工中心的高速面铣刀刀体加工技术 摘要 本文进行的基于五轴加工中心的高速面铣刀刀体铣削加工技术研究，旨 在为进一步开展基于参数化和基于工艺特征的高速切削刀具的刀体加工工艺 系统开发提供基本理论依据，具有重要的现实意义。 本文在综合论述高速刀具技术发展现状与趋势的基础上，结合五轴加工 中心加工曲面的技术优势与高速面铣刀刀体结构特点，进行高速面铣刀刀体 加工技术研究。主要的研究内容为： 对曲面加工中的刀具干涉问题和检验方法进行研究，建立了高速面铣刀 刀体相关曲面的刀具干涉检验数学模型，为刀体加工过程中的干涉检查分析 提供理论依据。 针对高速面铣刀刀体上的不可展直纹面特点，提出了一种通过“偏转刀 心一偏置刀轴”的方式进行刀体曲面加工的方法，推导出了相应的刀位求解 计算公式，建立了不可展直纹面加工误差数学模型：针对高速面铣刀刀体上 的可展直纹面加工特点，建立了可展直纹面残余高度误差数学模型；分析了 锥度铣刀切削直纹曲面的加工特点，建立了相应的彤位误差计算模型。 针对高速面铣刀刀体上的自由曲面加工特点，提出了球头铣刀五轴数控 加工的刀位计算模型，建立了球头铣刀加工自由曲面的线性插补误差与步距 误差数学模型。 在上述研究的理论基础上，进行高速面铣刀刀体结构曲面的加工方法研 究，针对刀体结构曲面加工过程中存在的误差和干涉问题，提出了基于误差 控制的刀体容屑槽与刀片槽加工方法，并运用u g c a m 功能，进行了刀具 干涉检查。结果表明，所取得的研究结果对高速铣刀刀体制造技术水平的提 高具有较强的实际意义。 关键词高速铣刀；五轴加工中心；刀体加工；直纹曲面；自由曲面 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学化论文 m a c h i n i n gt e c h n o l o g yo fh i g h - s p e e df a c em i l l i n g c u t t e r sb o d yb a s e do nf i v e a x i s n c m a c h i n i n gc e n t e r a b s t r a c t t h i st h e s i sc o n d u c t e das t u d yo nt h ec u t t e rb o d ym i l l i n gt e c h n o l o g yo fh i g h s p e e df a c em i l l i n gt o o l si n f i v ea x i sm a c h i n gc e n t r e t h i st e c h n o l o g yp u ta f o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fh i g l ls p e e dc u t t i n gt o o l s c u t t e rb o d ym a c h i n g t e c h n i q u e f u r t h e rm o r es u c hat e c h n o l o g yc a np a r a m e t e r i z et h ec u t t e rb o d y m a c h i n gt e c h i q u ea n di so fp r a c t i c a lm e a n i n g t h i st h e s i sg e n e r a l l yi n t r o d u c e dau pt od a t ed e v e l o p i n gs t a t ea n dt r e n do f h i g l ls p e e dt o o l s i tm a d eaf u l ld e s c r i p t i o no ft h ea d v a n t a g eo ff i v e a x i s n u m e r i c a lc e n t r ei nm a c h i n i n gc u r v e df a c ea n ds t r u c t u r ef e a t u r eo fc u t t e rb o d yo f h i g hs p e e df a c em i l l i n gt 0 0 1 t h i st h e s i sm a d eaf u r t h e rs t u d yo nc u t t e rb o d y m a c h i n i n gs t r a t e g yo fh i g hs p e e df a c em i l l i n gt o o l s t h em a i np o i n t so ft h i s t h e s i sa r e 弱f o l l o w ： t h i st h e s i ss t u d i e di n t e r f e r e n c ep r o b l e mo c c u r r e di nc u r v e df a c em a c h i n g p r o c e s sa n di n s p e c t i o na p p r o a c hf o ri n t e r f e r e n c ep r o b l e m t h e nt h em a t h e m a t i c a l m o d e lw a sb u i l tf o ri n t e r f e r e n c e i n s p e c t i o no fc u t t i n gt o o l s t h eg a i n e d m a t h e m a t i c a lm o d e lp r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i st oa n a l y z ei n t e r f e r e n c ep r o b l e m a i m i n ga tu n e x p a n s i o nf e a t u r eo fr u l e ds u r f a c ei nc u t t e rb o d yo fh i g hs p e e d f a c em i l l i n gt o o l s ，t h i st h e s i su s e d d e f l e c t i n gc e n t r ep o i n to ft o o la n do f f s e t i n g c u t t e rs h a f t a p p r o a c ht om a c h i n es u r f a c eo fc u t t e rb o d y t h i st h e s i sd e d u c e da c a l c u l a t i o nf o r m u l af o rc u t t e rs p a c i n gs o l v i n g ，g a v eam a t h e m a t i c a le r r o rm o d e l o fu n e x p a n s i o nr u l e ds u r f a c em a c h i n g t h i st h e s i sa l s os t u d i e dt h em a c h i n g f e a t u r eo fe x p a n s i o nr u l e ds u r f a c e ，s e tu par e s i d u a l h e i g h te r r o rm o d e lf o r e x p a n s i o nr u l e ds u r f a c e ，a n a l y z e dm a c h i n gf e a t u r eo fr u l e ds u r f a c eu s i n gt a p e r e d m i l l i n gt o o l s ，a n dg o tam o d e lt oc o m p u t es h a p ea n dp o s i t i o ne r r o r si ne x p a n s i o n r u l e ds u r f a c em a c h i n gu s i n g t a p e r e dm i l l i n gt o o l s - i i - 哈尔滨理t 人学t 学颁i j 学位论文 a st of r e es u r f a c em a c h i n gf o rc u t t e rb o d yo fh i g hs p e e df a c em i l l i n gt o o l s ， t h i st h e s i sp u tf o r w a r dac a l c u l a t i o nm o d e lf o rc u t t e rs p a c i n gi nf i v e a x i s n u m e r i c a l m a c h i n g c e n t r ea n dam a t h e m a t i c a lm o d e lt o a n a l y z e l i n e a r i n t e r p o l a t i o ne r r o r sa n ds t e pe r r o r i nf r e es u r f a c em a c h i n g ( w i t hr o s ec u t t e r ) u n d e ra b o v eb a s i s ，t h i st h e s i ss t u d i e dm a c h i n ga p p r o a c hf o rc u t t e rb o d y s t r u c t u r eo fh i g hs p e e df a c em i l l i n gt o o l s a i m i n ga te r r o ra n di n t e r f e r e n c e p r o b l e mo c c u r r e di nt h em a c h i n gp r o c e s so fc u t t e rb o d y ，t h i st h e s i sd e v e l o p e da c u t t e rb o d yc h i pf l u t ea n db l a d ep o c k e tt e c h n i q u e t h i st h e s i sc o n d u c t e da i n e r f e r e n c ei n s p e c t i o n u s i n gu g c a mf u n c t i o n r e s u l t ss h o w st h ea c h i e v e d r e s e a r c hr e s u l t sa r ev a l u a b l et oi m p r o v ec u t t e rb o d ym a c h i n gs t a n d a r do fh i g h s p e e df a c em i l l i n gt o o l s k e y w o r d sh i 曲s p e e dm i l l i n gc u t t e r ，5 - a x i sn cm a c h i n i n gc e n t e r ， m a c h i n i n go ft h ec u t t e rb o d y ，r u l e ds u r f a c e ，f r e e f o r ms u r f a c e i i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于五轴加工中心的高速 面铣刀刀体加工技术，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期问独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：否里扎同期：加一1 年月，夕同 哈尔滨理工大学硕上学位论文使用授权书 基于五轴加工中心的高速面铣刀刀体加工技术系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它译位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囤 。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：唐参杉 新签名：茚幻! 只期： 2 ，口6 年月笋日 开期：妒年多月归 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 本论文选题的目的和意义 高速刀具技术作为高速切削技术的一个重要分支，以其对高速切削的重要 推动作用而受到国内外学者的广泛的重视。同时，高速刀具技术也是当前科技 界与工业界竞相研究的热门课题之一。我国对于高速切削技术的研究与应用起 步相对较晚。为了适应发展高速切削技术的需要，我国许多企业和科研机构相 继引入了具有2 0 世纪9 0 年代先进水平的高速加工中心。但是由于缺少必要的 刀具技术的支持，导致现有设备关键作用和自身优势并没有得到充分发挥。企 业的生产效率和对市场的适应能力并没有因为设备的更新而提高，反而造成了 设备资源和工艺系统能力的极大浪费。因此，对高速刀具技术进行研究以进一 步拓宽高速工艺系统的加工能力，提高我国高速切削加工水平，研制与开发适 用于高速切削的刀具就成为解决高速切削瓶颈的重要手段之一。 高速铣刀刀体作为一种结构复杂的精密零部件其加工工艺十分复杂，具体 体现在：1 ) 高速铣刀对刀体材料特性要求严格，刀体材料的加工工艺性一般 都很差；2 ) 刀体结构对1 ：高速铣刀的使用安全性及工件加工质量有着重要影 响，特别是不等齿距刀体结构的加工制造对于工艺要求更为苛刻，要注意加工 误差的控制方法，合理分配误差布局以保证刀体良好的动平衡特性。此外，刀 槽加工要避免应力集中削弱刀体强度；3 ) 为保证刀片的定位、夹紧准确可 靠，刀体加工精度要求高，特别是要保证刀片槽的尺寸精度与形状位置精度。 由此可见，设计开发并加工制造出适合于高速铣削的、性能优良的铣刀刀 体，不但有助于解决前述所说的技术瓶颈问题，而且对于广泛的数控工艺指导 也具有十分重要的现实意义。因此，本课题紧密结合高速铣削的技术原理，充 分利用现有的先进设备资源和技术资料，围绕数控铣刀刀体的加工工艺的实现 与优化，采取技术理论与切削实验相结合的方法对高速铣刀刀具开发技术进行 研究。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学化论文 1 2 高速刀具技术的发展现状与趋势 与传统的刀具技术相比，高速刀具技术不仅在装夹方式上有新的突破，而 且在刀具材料、刀具结构、设计理念与加工制造工艺上都发生了巨大的变革。 1 2 1 刀具材料技术的研究现状 刀具材料是影响刀具寿命、加工效率、加工质量、加工成本的一个重要因 素| 1 i 。高速切削加工对刀具材料的主要要求是应具备良好的高温化学性能、机 械物理性能、化学稳定性、抗涂层破裂性、抗粘接性和抗热冲击性晗1 。 目前，高速刀具采用的材料主要有：会刚石、立方氮化硼、陶瓷、涂层、 t i c ( n ) 基硬质合金、超细晶粒硬质合金和粉木高速钢等。尽管出现了不少新的 刀具材料，但是理想的刀具材料总是相对而言的。目前，广泛采用的是在具有 较好的抗冲击韧度的刀具材料的基体上，加上高热硬性和耐磨性涂层的刀具技 术”“。 涂层技术从2 0 世纪7 0 年代初问世以来，已进入了开发厚膜、复合膜和 多元涂层的新阶段。新开发的t i c n 、t i a l n 多元，超薄，超多层涂层与 t i c 、t i n 、a 1 2 0 3 等涂层的复合，结合新型的抗塑性变形的基体，在改善涂层 的韧性、涂层与基体的结合强度，提高涂层耐磨性等方面取得了显著进展，全 面改善了硬质合金刀具材料的性能。多种纳米涂层的实用化，使涂层的性能有 了显著的提高，如1 9 9 9 年瓦尔特在欧洲机床展览会上推出了q u a r t e e 系列产 品，w q m 3 5 为其中的一种刀片材质，该材质使用了一个具有1 0 0 层的镀层技 术，镀层总厚度约6 - 8 i t m ，单层厚度约为2 0 - - 5 0 n m 。此外，瓦尔特公司发明的 老虎刀片t i g e r t e e 技术采用了特殊的镀层技术引。通过改善刀具前刀面表面 氧化铝镀层和基础镀层之间的连接结构加强了镀层的强度，使氧化铝膜层的厚 度得到了增强，刀片的抗高温性能大大提高。老虎刀片从主要适合加工铸铁， 扩展为不仅适合铸铁加工，也同样适合钢件的加工。b a l z e r s 公司开发的 f u t u n an a n o 和f ut u n a t o p 是两种t i a l n 纳米结构涂层，涂层硬度均 为3 3 0 0 h v ，开始氧化温度9 0 0 1 2 。该公司的c r a i n 涂层，以c r 元素代替n 元素，具有3 2 0 0 h v 硬度和1 1 0 0 的氧化温度的高性能，与t i a l n 比较，韧性 更好，更适合用于断续切削i 7 引。同立公司开发的t i s i n 为5 n m 的结晶复合材 料，涂层硬度可达3 6 0 0h v ，开始氧化温度l1 0 0 ，更适于硬切削。此外，该 公司还开发出了具有润滑性的c r s i n 涂层，有超强耐氧化能力的a i c r s i n 涂层 哈尔演理t 人学t 学顶l ：学化论文 和在高温下具有低摩擦系数的t i b o n 涂层。这些有别于t i a l n 的涂层，具有 不同于t i a i n 的特殊性能，为新涂层的开发打开了更加宽广的视野州。 此外，提高涂层表面光洁度也是涂层技术发展的一个动向，以提高涂层刀 具抗摩擦、抗粘结的能力。在c v d 涂层中，通过晶粒细化技术，使涂层表面 光滑，如株洲钻石公司用于铸铁精加工的y b d 0 5 2 黑金刚刀片，表层是细晶的 a 1 2 0 3 ，刀片外观光亮平滑。三菱公司的u e 系列加工钢材的c v d 涂层硬质合 金刀片，采用平滑氧化铝和平滑涂层技术，对微粒氧化铝进行平滑涂层处理， 即在上层涂覆特殊钛化物沉积层，表面组织极其平滑且化学稳定性好，可减少 刀具粘结磨损。同本不二越公司为g s 立铣刀开发的g s 涂层，采用平滑化技 术，涂层表面的粗糙度砌= 0 0 8 p m ，r z = 1 1 p m ，显著改善了涂层表面的特性。 近几年，超硬刀具材料研发是高速刀具发展的又一趋势。目前已经突破了 在硬质合会可转位刀片表面涂敷金刚石的技术，从而使硬质合金刀具不仅在加 工黑色会属领域而且在加工有色会属领域的切削效率得到全面提高。c b n 是 继人工合成会刚石之后出现的另一种超硬材料，它除了具有许多与金刚石类似 的优异物理、化学特性外，同时还具有一些优于金刚石的特性。例如，c b n 对于铁、钢的氧化环境具有化学稳定性，在氧化时可以形成一薄层氧化硼保护 膜，因此它在加工硬的钢铁、灰铸铁时耐热性极为优良川引。 可转位高速铣刀刀体材料作为高速刀具材料技术的一个分支近年来也取得 一些新突破。目前广泛使用的刀体材料多为高强度合盒钢，主要有： 4 2 g r m o 、4 0 g r 、1 2 g r n i 3 、3 5 g r m n s i 等引7 。近年来，随着高速刀具技术的发 展新型刀具材料不断涌现，高强度铝合金、会属基复合材料等已经在刀具市场 上占据了一席之地。如铝合金2 a 1 4 、7 0 7 5 t 6 5 1 颗粒增强钛基复合材料c e r m e t i c 2 1 0 等。新型刀体材料普遍具有良好的综合力学性能，具备好的低温冲击 韧性，低的缺口敏感性，也具备好的淬透性和较高的抗疲劳强度，捐j 有小的热 膨胀性和优良的导热性能等。可以想象，在不久的将来，随着材料技术的发 展，非金属高强度复合材料必将在刀体材料领域扮演重要角色n 蚴1 。 1 2 2 高速刀具结构研究的新进展 随着制造业的高速发展，汽车、航天航空、模具等工业对切削加工不断提 出更高要求，推动着刀具结构的持续创新。功能强大的c a d c a e c a m 技术 与五轴联动数控加工技术的发展为刀具结构多样化的实现提供了便利条件。 目前，可转位刀具仍然是刀具结构发展的主流。近年来，可转位刀具技术 哈尔滨理t 人学t 学顾1 j 学位论文 在刀杆、刀体结构的优化；切削负荷的合理分布；刀片槽形、刃形的开发等方 面，都取得明显的成果。如i s c a r 公司开发的螺旋刃铣刀片，它开辟了铣削 的螺旋时代，使老一代的刀具在金属加工业内成了过时的东西，并很快提高了 铣削的能力。该公司开发的蝴蝶铣刀和螺旋蝴蝶铣刀开创了立装铣削的先河， 建立了新的工业标准。图1 1 a 是伊斯卡开发的旋风铣刀片与蝴蝶铣刀片”i “l 。 刀具结构发展的另一趋势是单把刀的多功能技术。为了发挥以车削加工中 心和镗铣类加工中一i i , 为代表的数控加工技术的优势，对复杂零件在一次安装中 进行多工序的集中加工，并淡化传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺 的界限，刀具结构实现多功能化无疑是当f j 提高数控机床效率加快产品开发的 重要途径k 川 。例如：以色列i s c a r 公司开发的一种多功能的车刀片，如图 1 1 b ，外形缘切槽刀，用这样一把刀可以完成外圆、端面、切槽、切断、倒角 五种加：i ：，把它安装在不同刀杆上可以完成八种加工。瑞典s a n d v i k 公司开 发的一把带有过中心端刃的立铣刀，借助数控机床螺旋插补、圆周插补或曲线 插补等编程方法，可以加工各种内外成形轮廓表面、台阶、凹面，甚至代替 惹麓爹豢鬻滋 a ) i s c a r 儿种典型复尔刀片b ) i s c a r ：亓角霸于刀片 图l 一1 高速铣刀片 f i g i - 1i n s e r t sf o rh i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e r 孔加工刀具镗孔，被称为“力能刀具” 2 冠圳。 因应客户需求的多样化与个性化，缩短生产周期和快速组织生产，刀具结 构模块化是刀具发展的又一趋势【2 l 。刀具结构模块化可以使我们通过合并工 序，减少辅助时间与重合切削时间，用多功能组合刀具取代功能单一的标准刀 具的方法，来提高生产效率。例如a b s 刀具系统上可以安装多种多样的组合 刀具，可以一次钻铰、粗镗、精镗加工孔，包括阶梯孔，带倒角、带内槽孔包 括盲孔等。i s c a r 公司的变形金刚系列刀具可以通过更换刀头、刀柄的方式实 现多达3 0 0 0 多种组合，以满足不同工序和工况的加工( 如图1 2 ) 。但是，由 于刀具生产商出于技术保密的需要，彼此之问各自独立，这种模块化只能在 哈尔滨理t 人学t 学硕1 ：学位论文 幽1 - 2 变形金刚立铣刀 f i g 1 2t r a n s f o r m e r so fe n dm i l l i n gc u t t e r 各自生产的刀具体系中得以实现和发展，因而制约了刀具结构模块通用化的实 现“? = ：t “。 高速刀具结构上的安全性是高速刀具结构设计技术的一项重要指标。为了 适应安全性要求，高速刀体结构设计都力求简化结构，减小质量，减少构件数 目等。都致力于注意避免和减小应力集中，为避免刀体上的槽( 包括刀座槽、 容屑楷、键槽) 会引起应力集中，降低刀体的强度，高速刀具结构上都尽量避 免通槽和槽底带尖角。同时，铣刀刀体的结构设计也力求保证刀具的动平衡特 图l 一3 高速刀具防甩1 5 i 结构 f i g 1 - 3a v o i de s c a p i n gs t r u c t u r eo fh i g h - s p e e dc u t t i n gc u t t e r 性。刀片和刀座的夹紧、调整结构都尽可能消除游隙，并且要求重复定位性 好。为避免刀体高速旋转时刀片夹紧失效，刀片被甩出酿成事故，刀体结构上 往往具有防甩飞结构( 如图1 3 ) 氟圳。 1 2 3 高速刀具接口技术的发展概况 高速刀柄是高速刀具与高速主轴之间的重要连接部件，刀柄的性能好坏直 接影响着高速切削的可靠性及机床主轴的动平衡性，它是决定机床转速能否充 分发挥的重要因素之一。因此，高速加工接口技术的研究与开发倍受国内外机 械工程专家和学者的关注。 哈尔滨理下人学t 学硕 ：学位论义 传统的b t ( 7 ：2 4 锥度) 工具系统在机械加工中发挥着重要的作用，但是 随着主轴转速的提高，主轴锥孔由于离心力的作用会发生膨胀，主轴的大端孔 径膨胀导致刀具轴向和径向定位精度下降，影响主轴的动平衡。美国的w s u 1 、w s u 2 刀柄消除了连接时连接面之间的间隙，改善了7 ：2 4 标准连接的静态 性能。同本的b i g p l u s 刀柄实现了锥面同时接触定位；德国的h s k 刀柄和 美国的k m 刀柄改用了小锥度，并采用空心短锥柄结构，实现了锥体和端面同 时接触定位；德国的h s k e 、h s k f 采用了摩擦力传递扭矩，瑞典s a n d v i k 公 司的c a p t o 刀柄采用了三棱圆传递扭矩，取消了键连接；在刀柄上安装自动 平衡装置，满足了高速加工对刀具提出的在线动平衡的要求；日本株式会社同 研工作所的“梦幻刀柄”在刀柄上安装了减振装置，提高了刀具的寿命3 倍以 上。德国的h s k 刀柄和美国的k m 刀柄和f 1 本的b i g p l u s 刀柄是当前高速 刀具与主轴连接的主要结构形式“一l 。 1 3 高速刀具的设计技术的发展现状 刀具结构的特点是空问复合角度计算难，形状复杂绘图难，形状相似尺寸 繁“坤洲“。高速切削对高速刀具提出了特殊的要求，刀具的设计需要融入刀具 几何角度优化技术、结构安全性分析技术、加工工艺性分析技术以及动平衡处 理技术等。以往的刀具设计丌发乒段，即依靠设汁经验、查询设计技术手册手 工计算，以及使用通用二维工程软件如a u t o c a d 等进行刀具结构设计很难实 现。目前，三维参数化与有限元分析技术引领了刀具设计新时代，使得复杂刀 具设计成为可能。国内外广泛使用的具有参数化功能的三维设计软件主要有： i d e a s 、u g 、p r o e n g i n e e r 、等几种，有些软件经过二次开发，其实用性 将进一步加强。这些软件集三维建模、平面绘图、工程分析、数控加工、零件 组装等功能于一体，形成较为完整的刀具设计体系。三维参数化使得刀具设计 过程更加简便，简化了计算过程，免去了复杂图形的绘制，大大提高了刀具设 计水平。参数化设计强大功能体现在其参数关联性，即各个设计步骤是关联 的，对应于模型特征中的每一个参数都是可以修改的，三维模型与它的二维工 程图也是双向关联的，各零件之间的装配关系、位置关系甚至运动关系也是参 数化的h 。近年来，研究基于专家系统原理的智能化专用刀具设计系统正在成 为学术界与科技界研究的热门。如西北工业大学相继进行了“基于u g 的刀具 c a d 系统开发及三维参数化零件库研究”、“基于实例推理的数控刀具智能化 设计的研究及应用”、“智能化专业刀具c a d 系统研究与开发”等工作，其主 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 体思路是采用面向对象方法，基于u g 平台和v c 环境开发智能化专用刀具 c a d 系统。利用专家系统原理和基于实例推理原理，提出基于二者的集成推 理技术，实现刀具设计的智能化。同时将系统与u g 平台集成，实现刀具三维 参数化建模，并与基于规则的知识表示相结合构建系统知识库。目前这种智能 化刀具设计系统正出于研究阶段，尚未进入实用化，但它必将与网络辅助设计 技术相结合，从而彻底改变现有刀具辅助设计的方式与模式。 在刀具设计中有限元分析技术被广泛使用。例如，应用大型有限元数值分 析软件对刀具强度进行数值模拟分析，可较精确地掌握刀具上各点的受力情 况，了解刀具内部应力、应变、温度的分布规律，获得应力、应变及温度分布 图并方便地找出危险点。该方法可为改进刀具受力情况、优化刀具结构设计以 及对刀具进行失效分析提供理论依据，为刀具强度分析和寿命计算提供了新方 法一引。 1 4 高速铣刀刀体加工技术的发展状况 高速刀具作为一种结构复杂的精密零部件，特点在于被加工表面为空间复 合角度面，结构复杂，精度要求高，对其进行加工并转化为产品必然离不开精 密的数控加工中心来实现，而对于数控程序的编制也离不开计算机辅助来完 成。目自谚，多轴复合加工机床以五轴加工中心最为代表性。采用五轴联动对三 维曲面零件进行加工，可以使刀具处于最佳几何形态进行切削，不仅可以实现 三轴联动数控铣削加工无法完成的一些复杂曲面的加工功能，而且加工出的产 品精度高、光洁度好，同时效率也大幅度提高一棚。 刀片槽的设计结构多为绕同轴分布的二轴旋转角度面，要实现对刀片槽的 加工除了三个基本轴参与工作外，两个旋转轴也要进行配合动作。两个旋转轴 在整个加工过程中主要起到辅助和准备功能，在适当位置时基本处于锁定状 态，并不一定参与联动，因而实际加工过程多为五轴四联动或五轴三联动，这 是刀体加工的主要特点之一。容屑槽的结构设计，一般在保证刀具使用安全性 的基础上都应具备较好的加工工艺性，对其加工也多为五轴三联动加工。 近年来，计算机辅助编程技术对刀具技术的发展起到了巨大的推动作用。 随着刀具结构的不断创新和复杂化，传统的手工编程已经很难满足要求，必须 借助于功能强大的c a m 软件工具，直接或间接地从刀具设计信息当中抽取数 据并进行转化、处理，最后生产符合特定机床数控系统要求的数控代码来进行 加工。目前，广泛使用的c a m 软件主要有：u g 、c i m a t o r n 、p o w c r m i l l 等。 哈尔演理t 人学下学硕i ：学位论文 它们都提供了多种加工复杂零件的工艺过程，用户可以根据零件结构、加工表 面形状和加工精度来选择合适的加工类型。在每种加工类型中包含了多个加工 模板，应用各加工模板可快速建立加工操作模型。用户还可在图形方式下交互 编辑刀具路径，观察刀具的运动过程，生成刀具位置源文件。同时应用其可视 化功能，可以在屏幕上显示刀具轨迹，模拟刀具的真实切削过程，并能够通过 过切检查和残留材料检查，检测相关参数设置的正确性。它们都不同程度的融 入了智能的再加工技术，毛坯残留知识、基于n u r b s 的刀路轨迹等方法，使 切削加工达到了近乎智能化的水平。 1 5 本课题主要研究内容 本课题来源于哈尔滨市重点科技攻关计划项目“基于安全性的数控高速铣 刀开发及其系统研制( 2 0 0 6 a a 2 c g 0 2 5 ) 。 本文将以面铣刀刀体加工为对象，以五轴数控加工中心为手段，结合数控 加工工艺基础理论与知识，来研究探索高速面铣刀刀体的加工工艺方法。并为 最终开发适用于高速面铣刀加工的工艺系统做准备工作。 其主要内容如下： 1 基于直纹曲面的立铣刀侧铣加工原理和自由曲面的球头铣刀加工原理， 研究探讨曲面血轴数控加工的刀具干涉问题和检验方法，为刀体加工的：f 涉分 析提供判断依据与解决办法。 2 基于直纹曲面的结构特点，研究直纹曲面五轴数控加工方法及其误差分 析方法，探讨加工误差的不同影响因素，为刀体的直纹面加工提供误差分析与 误差控制的理论依据。 3 针对高速面铣刀刀体上的自由曲面结构特点，对自由曲面五轴数控加工 的加工误差进行研究，分析加工误差的不同影响因素，为刀体的自由曲面加工 提供误差分析与误差控制的理论依据。 4 以容屑槽与刀片槽为研究对象，以控制刀体加工误差，满足刀体安全性 为目标，对刀体加工工艺进行研究探讨，并通过实例加以验证。 哈尔滨理- e 人学t 学硕i j 学位论文 第2 章自由曲面五轴数控铣削的干涉检验 与误差分析 2 1 自由曲面的数学描述 曲面可以看作是一条线( 直线或曲线) 在空间作有规律或无规律的连续运 动所形成的轨迹，因此曲面可以认为是运动线所有位置的集合。 一般曲面可表示为( 如图2 1 ) ：z = d x , y ) 或，( 础乒) = o ，其参数表达示为： 曲面的矢量参数方程： 图2 - 1 自由曲面图解 f i g 2 1f r e e - f o r ms u r f a c x 。sg r a p h i c 曲面上任意一点沿参数方向的切矢分别为： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) d d 吩 纵 以 如m 地如 = = = x y z 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 该点法矢为： _ o r = ，= f 似，)_ 2 ，= f i “，j o u _ o r ：似，v )_ 2 似，w 嘶2 网o u o v i o u o v f 直纹面由于其具有特殊的几何性质， 是曲面的一个特例，它是一参数直线集， 动所形成。 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 因而在工程上被广泛应用。直纹曲面 可以看作是由直母线在空间做连续运 v 图2 - 2 不可展直纹面的特点 f i g 2 2t h ew a i to fu n d e v e l o p a b l er u l e ds u r f a c e 直纹曲面参数方程： r ( u ，) = q 似) + v t ( u )( 2 6 ) 式中：q ( u ) 为直纹面上任意一导线参数方程；t ( u ) 为任一直母线单位向量。 令： r ( 甜) = 形( “) 一q ( “) ( 2 - 7 ) 式中：w ( u ) 为令一导线参数方程。 于是，式( 2 6 ) 转化为： r ( u ， ，) = ( 1 - v ) q ( u ) + v w ( u )( 2 - 8 ) 当直纹面任意母线上的每一点的单位法矢方向相同时为可展直纹面，反 哈尔滨理t 人学下学硕i j 学化论文 之，若方向不一致则为不可展直纹面( 如图2 2 ) 。 2 2 曲面的五轴数控加工干涉分析 2 2 1 立铣刀加工直纹曲面的干涉分析 立铣刀侧铣加工直纹曲面干涉情况主要有两种：局部干涉和全局干涉。局 部干涉又称局部啃切，是指刀齿切入被加工表面产生的过切现象，它与“欠 切”是影响工件表面加工精度的一个重要影响因素。全局干涉是指刀杆与被加 工表面附近的工件部分或夹具产生的碰撞，是切削过程中的不安全因素。 几种常用的立铣刀加工直纹面的干涉检查方法： 1 距离计算法该方法采用将被加工曲面离散成小三角形平面片的集合， 计算刀具中心与三角平面片节点之间的距离的方法来解决复杂曲面五轴数控加 工中的局部干涉问题。对于立铣刀加工直纹曲面来说，即意味着是通过计算各 刀位附近的三角平面片节点到刀具轴线的距离方法来检测干涉，当存在距离小 于刀具半径时即意味着存在干涉( 如图2 3 ) 。 图2 - 3 距离计算法示意图 f i g 2 3t h es k e t c hm a pf o rn u m e r a t i o no fi n t e r v a l 设d 2 ：( x 2 。y 2 , z 2 ) 为小三角面片上的一个节点，刀具轴线的标准方程： 盟：必：三丑 lm刀 ( 2 - 9 ) 则仍到刀具轴线距离为： d ：i t ( x , - x ：) + 了m 亍( y i i - y z 鼍) + _ n ( z l - 一z 2 ) 1 ( 2 - 1 0 ) ，2 + 肌2 + ，z 2 当d r 时出现干涉。 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 采用距离计算法检验立铣刀侧铣加工直纹面的干涉问题需要离散出大量的 三角形节点，离散出的节点数目越多检验效果越理想，得到的计算数据越准 确，但这样却增加了计算机的运算量，影响了程序输出的效率。因而运用距离 计算法进行干涉检验往往需要配合投影法来进行，以缩小需要计算的范围，减 少不必要的计算过程，提高运算效率。 2 包络面法包络面法是立铣刀侧铣加工直纹面的原理解释，该法是将刀 具沿走刀路径形成的包络面与被加工表面进行几何关系比较，当两种曲面存在 交集时即意味着存在干涉。刀具运动包络面形成可按两种方法进行判断：1 ) 刀具扫描体与零件毛坯的实体求交运算，零件毛坯经刀具扫描体裁减后，实体 表面与理想零件表面的距离就反映了刀具的干涉量或欠切量；2 ) 以密集的曲 面法矢与刀具扫描体求交，通过法矢的截断距离来判断刀具干涉与否，当截断 距离为负值时，表示刀具与曲面发生了干涉，干涉量就为截断距离的绝对值。 包络面法需要确定刀具扫描体的几何特征与相关数据，以及要确定曲面上 各点法矢的方向，计算量很大。不过，包络面法是从整体角度考虑干涉问题， 有别于计算法的局部干涉检验。因而包络面法可以用于干涉仿真检验，和全局 干涉检查处理。 3 偏置面法偏置面法是将被加工表面s ( v ) 沿各点法矢方向偏置一个 刀具半径尺，偏置出一个等距面尸( ，) ，当等距面与刀具运动轨迹而出现交 集时即认为加工出现干涉。此外，当偏置面出现交差、重叠、问隙等情况时刀 具将在该处产 图2 - 4 通过删除偏置交叉消除干涉 f i g 2 - 4e l i m i n a t i o no fi n t e r f e r e n c eb yd e l e t i n gt h eo f f s e tc r o s s i n g 生干涉现象。通过对该处偏置表面进行裁剪、修补，可以用修正后的偏置表面 来控制刀具的走刀运动，即可消除加工干涉现象( 如图2 4 ) 。 偏置面法是从整体角度分析与处理干涉问题的一种方法，具有简便、直 观、易于操作的特点。不过，通过删除偏执交叉等方式获得的刀具路径易形成 哈尔滨理下人学t 学硕l ? 学位论文 尖锐拐点，在高速切削环境中仍然容易引起进刀的惯性和减速处理不当造成的 过切现象。因此，通过偏执面法得到的刀具路径需要重新编辑，通常的方法是 减小刀具半径，以适应曲面最大曲率处的切削和能够形成导轨的过度圆弧。此 外，需要说明一点，偏置面法只对可展直纹面有意义，对不可展直纹面加工并 不适用。 4 投影法该方法为在某一刀位点处沿刀轴矢量方向将曲面进行投影，其 投影必为一个区域，将该区域与刀具自身投影区域进行比较，当两区域存在交 集时即存在干涉( 如图2 5 ) 。 图2 5 投影法示意图 f i g 2 - 5t h es k e t c hm a po fd i r e c tp r o j e c t i o nm e m o d 投影法是检验局部干涉最为简便、直接，效率最高的一种方法。但这种方 法技术比较粗糙，计算精度比较低。投影法往往需要与其它检验方法相配合使 用，其作用在于优化计算法、包络面法、偏置法等方法计算效率的和用于初级 检验干涉的手段。 2 2 2 球头铣刀加工自由曲面的干涉分析 球头刀加工曲面干涉检查方法： 1 距离计算法该方法采用将被加工曲面离散成小三角形平面片的集合， 计算刀具中心与三角平面片节点之间的距离的方法来解决复杂曲面五轴数控加 工中的局部干涉问题，当存在距离小于刀具半径时即意味着存在干涉。 设刀具与工件曲面接触点附近某点a ( x o , y o , z o ) ，则点彳到刀具中心p ( 昂奶而) 的距离： ( 2 - 1 1 ) 当d r 是即存在局部干涉。 2 偏置面求解法该方法首先根据加工曲面s ( u ，订，以及它的法向矢量咒和 刀具球头半径r ，偏置出原曲面的等距面p ( u ，y ) ，偏置公式为： 户( “，d = j ( “，1 ，) + 元r( 2 1 2 ) 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 求走刀曲面( 刀心曲面) 与偏置面的公共解，如果存在公共解则意味着存 在干涉。此外，当偏置面出现交差、重叠、间隙等情况时刀具将在该处产生干 涉现象。通过对该处偏置表面进行裁剪、修补，可以用修正后的偏置表面来控 制刀具的走刀运动，即可消除加工干涉现象。 2 3 立铣刀侧铣加工直纹曲面的误差分析 2 3 1 立铣刀加工直纹曲面的几何学原理 圆柱形立铣刀的侧铣加工是铣刀刀体加工的主要手段，研究立铣刀加工直 纹曲面的几何学原理对刀具铣削加工技术具有重要意义。 在多轴数控加工中心中由于机床各轴的联动，从运动学上来讲，铣刀在空 间仍然是单自由度的运动，于是各刀位的刀齿运动曲面就形成了单参数的椭圆 曲面族，该面族的包络面被认为是所得的加工表面l = 。 刀齿运动规律参数方程： x = rc a ) s t o t + v f t l y ：，s i n r o t ( 逆铣为j 下，顺铣为负) ( 2 - 1 3 ) 式中：c o 为刀具旋转角速度( r a d s ) ；，为刀具半径( m m ) ；v 为进给速度 ( m m s ) 。 图撕曲面侧铣加工示意图 f i g 2 - 6t h es k e t c hm a p f o rl e x u r a ls u r f a c es i d em i l l i n g 包络面是光华曲面，而实际所得的真实加工曲面是单参数曲面族与被加工 对象相交所得的截面，它是一个波纹面，残余峰值的大小与刀具的进给速度、 刀齿密度和刀具半径的大小有关，见图2 7 。锥度铣刀的残余峰值还与刀具的 呛尔滨理t 人学丁学硕l j 学位论文 图2 - 7 圆柱铣刀的侧铣加jr ：纹理 图2 - 8 圆锥铣刀侧铣加j i ：纹理 f i g 2 7t h et e x t u r eo fc y l i n d r i c a lc u t t e r f i g 2 - 8t h et e x t u r eo fc o n i c a lm i l l i n gc u t t e r s i d em i l l i n gs i d e