一种曲面零件端铣加工的刀具廓形优化方法技术

本发明专利技术属于数控加工技术领域，公开了一种曲面零件端铣加工的刀具廓形优化方法。通过对曲面进行网格采样，形成采样点阵列；指定采样点的走刀方向，构建曲面加工的走刀矢量场；利用直线和二次多项式曲线定义刀具廓形，更改二次多项式曲线以获得不同刀具形状；根据选定刀具，计算矢量场驱动的五轴刀位在不同采样位置的切削行宽；确定最小切削行宽所在位置，优化刀具廓形以增大切削行宽；重复采样点的行宽计算与刀具廓形寻优，直至刀具廓形达到最优。本发明专利技术通过优化刀具廓形增大加工行宽，一方面可以为曲面零件加工刀具的选取提供参考，另一方面可以降低高效五轴加工的编程难度，具有显著的工程意义。的工程意义。的工程意义。

【技术实现步骤摘要】
一种曲面零件端铣加工的刀具廓形优化方法


[0001]本专利技术涉及数控加工
，特别涉及一种曲面零件端铣加工的刀具廓形优化方法。

技术介绍

[0002]复杂曲面零件广泛应用于航空航天、国防等重要领域，为保证这些零件的加工精度，五轴端铣成为了重要甚至唯一的加工手段。当前，工艺人员普遍利用成熟的CAM软件生成五轴加工路径，在此过程中，刀具几何信息由工艺人员凭经验确定。刀具类型与加工结果直接相关，如球头刀切削行宽有限，会制约加工效率的提升；平底刀、圆环刀等非球头刀加工效率高，但其刀轴控制算法复杂，容易产生加工过切。
[0003]从现有工艺出发，设计与零件几何特性匹配的专用刀具有望在编程工艺不变的基础上，增大切削行宽、提高效率并降低生产成本。文献“自由曲面侧铣刀具轮廓与轨迹同步优化方法[J].航空学报,2020,41(11):423720”通过建立基于加工误差和刀轴光顺性的刀具轮廓与加工轨迹的同步优化模型，提升了侧铣加工的表面质量与效率。专利“复杂曲面侧铣加工的刀具优化和加工轨迹生成方法”(CN112486094B)可用于确定平坦曲面侧铣加工时的最优刀具形状。然而，端铣工况与侧铣工况差异较大，适用于侧铣的刀具廓形优化方法并不能直接用于端铣加工。博士论文“非圆球头整体铣刀刃形设计制造及其刀具路径生成算法，哈尔滨理工大学，2016”研究了椭圆、抛物线、“8”字型曲线三种形状在端铣刀具廓形设计中的应用，仿真结果表明相较于球头铣刀，新的刀具形状有益于提升切削行宽和速度。然而，该方法并未深入探究廓形曲线的形状演变对刀具设计结果的影响，并且其工况仅局限于三轴斜平面铣削。
[0004]由以上分析可以看出，刀具廓形优化为发挥多轴机床的加工潜能提供了一种低门槛、低成本的方法，但针对生产中常见的复杂曲面五轴端铣加工，研究人员尚未开发出与之适应的定制化刀具，因此亟待展开相关研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种曲面零件端铣加工的刀具廓形优化方法，该方法能够自动计算复杂曲面五轴端铣加工中刀具曲面的最优廓形，有利于降低路径编程难度，同时实现五轴加工效率的提升。
[0006]本专利技术的技术方案如下：一种曲面零件端铣加工的刀具廓形优化方法，包括：
[0007]步骤1：通过对曲面零件进行网格采样，形成采样点阵列；
[0008]步骤2：指定采样点阵列的走刀方向，构建曲面加工的走刀矢量场；
[0009]步骤3：通过直线和二次多项式曲线定义刀具廓形，更改二次多项式曲线参数获得不同刀具廓形形状；
[0010]步骤4：根据选定刀具，计算走刀矢量场驱动的五轴刀位在不同采样点的切削行宽；
[0011]步骤5：确定最小切削行宽所在采样点，优化刀具廓形以增大切削行宽；
[0012]步骤6：重复步骤4
‑
5，直至刀具廓形达到最优。
[0013]所述步骤1的过程如下：
[0014]设S(u,v)表示待加工曲面，u和v的取值范围都是[0，1]，对参数u和参数v均匀采样，采样个数分别为m和n，得到m
×
n的采样点阵列S(u
i
,v
j
)。
[0015]所述步骤2的过程如下：
[0016]由工艺人员按照加工需求指定采样点阵列S(u
i
,v
j
)的走刀方向f
i,j
，计算f
i,j
在u
‑
v参数域内的单位投影矢量d
i,j
，拟合{d
i,j
|i∈[1,m],j∈[1,n]}，得到曲面加工的走刀矢量场数学方程。
[0017]设连续走刀矢量场E(u,v)的表达式如下：
[0018][0019]其中，N
i,3
(u)，N
j,3
(v)是三次B样条基函数，n1和n2是沿u、v方向的控制点个数,γ
i,j
代表控制点，是E(u,v)中的未知数；根据不可压缩平面势流理论，在任意采样位置，E(u,v)与d
i,j
满足：
[0020][0021]其中，E
u
(u
i
,v
j
)和E
v
(u
i
,v
j
)表示E(u,v)在(u
i
,v
j
)处沿u、v方向的一阶偏导数，和表示d
i,j
沿u、v的分量，通过在所有采样位置建立上述方程组，整理可得关于γ
i,j
的超正定线性方程组，利用最小二乘法求解γ
i,j
。
[0022]所述步骤3的过程如下：
[0023]建立平面坐标系O
‑
XY，O为原点，X是横轴，Y是纵轴；设定刀具半径为R，沿X轴作长度为r1的直线线段OD1，二次多项式曲线记为C(s)，s是曲线参数，C(s)满足如下条件：
[0024][0025]其中，C
′
(0)表示s＝0时的二次多项式曲线一阶切矢量，和φ分别是C(s)的形状控制参数；
[0026]确定C(s)上横坐标为R的点，记为D2，过D2作沿Y轴的线段D2D3，D2D3长度为L；在C(s)与D2D3之间插入半径为r3的光滑过渡圆弧，过渡圆弧与C(s)的衔接位置为s
end
，s
end
满足：
[0027]R
‑
C
x
(s
end
)+r3(C
′
y
(s
end
)/||C
′
(s
end
)||
‑
1)＝0
[0028]其中，C
x
(s
end
)表示C(s
end
)的横坐标，C
y
(s
end
)表示C(s
end
)的纵坐标；
[0029]对于任意确定的C(s)，当C
y
(s
end
)≥τ，τ为设定的阈值，则直线线段OD1与C(s)在[0,s
end
]上的部分共同组成刀具的切削轮廓；否则，调整计算新的刀具廓形形状。
[0030]所述步骤4的过程如下：
[0031]初次执行步骤4时所用刀具为圆环刀，后续执行步骤4时所用刀具为步骤5中优化后的刀具廓形绕Y轴回转所得刀具；
[0032]根据步骤2中的走刀矢量场，在S(u
i
,v
j
)建立刀具姿态的局部坐标系FBN：
[0033][0034]其中，S
u
(u
i
,v
j
)和S
v
(u
i
,v
j
)表示曲面在(u
i...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种曲面零件端铣加工的刀具廓形优化方法，其特征在于，包括：步骤1：通过对曲面零件进行网格采样，形成采样点阵列；步骤2：指定采样点阵列的走刀方向，构建曲面加工的走刀矢量场；步骤3：通过直线和二次多项式曲线定义刀具廓形，更改二次多项式曲线参数获得不同刀具廓形形状；步骤4：根据选定刀具，计算走刀矢量场驱动的五轴刀位在不同采样点的切削行宽；步骤5：确定最小切削行宽所在采样点，优化刀具廓形以增大切削行宽；步骤6：重复步骤4
‑
5，直至刀具廓形达到最优。2.根据权利要求1所述的曲面零件端铣加工的刀具廓形优化方法，其特征在于，所述步骤1的过程如下：设S(u，v)表示待加工曲面，u和v的取值范围都是[0，1]，对参数u和参数v均匀采样，采样个数分别为m和n，得到m
×
n的采样点阵列S(u
i
，v
j
)。3.根据权利要求2所述的曲面零件端铣加工的刀具廓形优化方法，其特征在于，所述步骤2的过程如下：指定采样点阵列S(u
i
，v
j
)的走刀方向f
i，j
，计算f
i，j
在u
‑
v参数域内的单位投影矢量d
i，j
，拟合{d
i，j
|i∈[1，m]，j∈[1，n]}，得到曲面加工的走刀矢量场数学方程。4.根据权利要求3所述的曲面零件端铣加工的刀具廓形优化方法，其特征在于，所述步骤3的过程如下：建立平面坐标系O
‑
XY，O为原点，X是横轴，Y是纵轴；设定刀具半径为R，沿X轴作长度为r1的直线线段OD1，二次多项式曲线记为C(s)，s是曲线参数，C(s)满足如下条件：其中，C
′
(0)表示s＝0时的二次多项式曲线一阶切矢量，和φ分别是C(s)的形状控制参数；确定C(s)上横坐标为R的点，记为D2，过D2作沿Y轴的线段D2D3，D2D3长度为L；在C(s)与D2D3之间插入半径为r3的光滑过渡圆弧，过渡圆弧与C(s)的衔接位置为s
end
，s
end
满足：R
‑
C
x
(s
end
)+r3(C
′
y
(s
end
)/||C
′
(s
end
)||
‑
1)＝0其中，C
x
(s
end
)表示C(s
end
)的横坐标，C
y
(s
end
)表示C(s
end
)的纵坐标；对于任意...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙硕学，孙玉文，徐金亭，牛金波，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：