单参数变曲率鼓形刀具及其位姿确定方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种单参数变曲率鼓形刀具及其位姿确定方法和应用，刀具的变曲率母线包括圆的渐开线、椭圆线、双曲线、抛物线、对数曲线等曲线，可以根据被加工曲面的性质适当地选择变曲率母线的方程，对于渐开线作为刀具母线的情况，由于决定曲线形状的唯一参数是基圆半径，所以称其为单参数变曲率母线，可以根据被加工曲面的曲率确定刀具上曲率相同的切触点，并通过曲线的方程唯一的确定切触点在刀具上的位置，并可以以加工行宽最大为目标函数对刀具的位姿进行优化。加工精度高、加工效率高，能实现对叶片的边缘部位的高效加工。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种加工刀具，尤其涉及一种单参数变曲率鼓形刀具及其位姿 确定方法和应用。
技术介绍
目前，对于蜗轮和叶轮的中、小型叶片的加工，主要采用环面刀、带圆角 平底刀和球头刀等进行数控铣削加工。加工方式主要为螺旋线进给方式，这种 加工方式和盘形凸轮加工的方式存在着很多类似之处，即在刀具加工叶片一个 截面的过程中，工件上刀具定位点的轨迹构成一条复杂的空间曲线，考虑铣削 加工的轴向进给导程很小的因素，这条曲线可近似为一条平面曲线，并且该曲 线的曲率在一周中的变化很大，曲率半径最小时可达到0.07mm，最大时可以达 到无穷大，而且凹凸性也经常发生变化。在这种情况下，如果要按照合理的切 削参数加工叶片的进、排气边区域，机床各运动轴的速度和加速度都会很大， 而机床的实际加速度和进给速度是有限的，因此采用螺旋线加工方式要么需要 降低进给速度，要么需要使机床在高加速度下工作而降低加工精度。另一方 面，由于叶片很薄，铣削进排气边过程工艺系统刚度变化很大，要保持一定或 很小的加工变形就必须使切削用量发生合理的变化。上述现有技术至少存在以下缺点由于叶片的进、排气边在横截面方向具有凸特性，采用直母线刀具或凸母 线刀具加工行宽都会很小，在加工叶片进排气边时将导致进给速度和加速度过 大或在一定进给速度下许用的进给速度过低，而且由于叶片很薄，铣削进排气 边过程工艺系统刚性变化很大，这些因素导致加工精度和加工效率较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种加工精度高、加工效率高的单参数变曲率鼓形刀 具及其位姿确定方法和应用。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的本专利技术的单参数变曲率鼓形刀具，该刀具的母线包括单参数变曲率曲线。 本专利技术的上述的单参数变曲率鼓形刀具的位姿的确定方法，包括对所述刀 具的切触点的确定，具体包括步骤首先，给定工件曲面^"，"上的切触点^"。， )和走刀方向i，并依据所述曲面S("，V)的信息，计算所述切触点S("o，V())在垂直于走刀方向上的曲面截型线的最小曲率半径W皿"然后，将所述刀具的母线上曲率半径等于^,的点作为刀具上的切触点之后，根据所述刀具上的切触点"^的曲率半径w自，并根据所述刀具的母线的曲线方程，确定所述刀具上的切触点"p的位置。本专利技术的上述的单参数变曲率鼓形刀具的应用，该刀具用于加工叶片的边 缘部位。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术所述的单参数变曲率鼓形 刀具及其位姿确定方法和应用，由于刀具的母线包括单参数变曲率曲线，可以 根据被加工曲面的曲率确定刀具上曲率相同的切触点，并通过曲线的方程唯一 的确定切触点在刀具上的位置。加工精度高、加工效率高，能实现对叶片的边 缘部位的高效加工。附图说明图l为圆的渐开线示意图2为本专利技术中刀具在曲面上定位示意图； 图3为本专利技术中刀具与曲面关系的平面示意图； 图4为本专利技术中最短距离线对和加工行宽示意图； 图5为本专利技术中刀位调整的流程图6为本专利技术的具体实施例铣削刀具的结构示意图； 图7为本专利技术的具体实施例磨削刀具的结构示意图8为本专利技术的具体实施例磨削刀具上的渐开线母线的各数据点的设置示意图。具体实施例方式本专利技术的单参数变曲率鼓形刀具，其较佳的具体实施方式是，该刀具的母 线为单参数变曲率曲线。这里所说的单参数变曲率曲线是指，曲线上相邻两点的曲率不同，即曲线 的曲率是连续变化的，且在曲线方程的其它参数一定的情况下，整个曲线的形 状可以由曲线方程中的某一个参数的变化唯一的确定。曲线确定后，曲线上任 一点的曲率也可以唯一的确定。如圆的渐开线、椭圆线、双曲线、抛物线、对数曲线等。本专利技术中的刀 具的母线可以包含这些曲线中的一种，也可以是多种曲线进行组合，也可以是 这些曲线与直线母线组合等。刀具为凹鼓形刀具，也可以是凸鼓形刀具，即刀具的母线中曲线部分可以 内凹，也可以外凸。本专利技术的刀具可以为铣削刀具或磨削刀具等，也可以是其它的刀具。本专利技术的上述的单参数变曲率鼓形刀具的位姿的确定方法，其较佳的具体 实施方式是，包括对所述刀具的切触点的确定，具体包括步骤首先，给定工件曲面^"，V)上的切触点SC^，、)和走刀方向力r，并依据所 述曲面S("，V)的信息，计算所述切触点^"o，V())在垂直于走刀方向上的曲面截型线的最小曲率半径^皿；然后，将所述刀具的母线上曲率半径等于^皿的点作为刀具上的切触点之后，根据所述刀具上的切触点"^的曲率半径^皿n，并根据所述刀具的 母线的曲线方程，确定所述刀具上的切触点"^的位置。还可以包括对刀具的姿态角的确定，具体包括步骤首先，以工件曲面S("，v)上的切触点S("。，v。)为坐标原点，设置坐标系O'^2^3),其中，6是刀具在该刀位处走刀方向的单位矢量，A是曲面S(W，V)在切触点S("Q， )处的单位法矢，令e'ze2x&;贝IJ，刀具绕^旋转，能确定侧偏角的搜索范围"e[L'n'^J;刀具绕^旋 转，能确定前倾角的搜索范围"e[ in' 」；然后，在侧偏角的搜索范围^e内，按隔点法给定一个侧偏角^-";对应给定的""'，再在前倾角的搜索范围"e内，按隔点法给定一个前倾角"'"'；并根据刀具上的切触点"P、侧偏角&"和前倾角"""确定 此时的刀具位姿化(c^，似化,》和该位姿下的加工行宽w";该步骤重复进行，得到刀具的多个位姿^"""'^"v)和该位姿下的加工行对得到的多个行宽Ww进行比较，得出最大行宽wzm^^Ww]，此时的刀 具位姿为该刀位处刀具的最终位姿^""''^z'^"")。本专利技术的上述的单参数变曲率鼓形刀具的应用，其较佳的具体实施方式 是，该刀具用于加工叶片的边缘部位。也可以用于加工其它的工件等。下面以采用圆的渐开线曲线作为刀具的母线为例，对本专利技术的具体实施方 式进行详细的阐述，其它的曲线类似-如图1所示，圆的渐开线是缠绕在半径为^的基圆上的无伸縮的假想细线解开时，细线端点的轨迹，细线称为渐开线的发生线。渐开线即刀具母线的参数方程为fx = i (cos""irU)l_y = i (sin卜/cosO q)极坐标方程为 P =-其中，参数^ = ^ + ^，渐开线上任一点的法线是基圆的切线，并且切线段的长度&为该点处的曲率半径，由此不难看出，渐开线上各点对应不同的参数。相应的曲率半径&也各不相同，并且曲率半径的计算公式简单，易于编程 计算。对刀具参数的分析刀具需要通过给定其母线形状、回转半径长度等设计变量而被唯一确定。 在刀具参数优化的初步研究中，对于已给定的工件曲面，回转半径的长度变化 对侧铣加工影响不大，可暂不考虑予以优化。对于渐开线母线，渐开线的基圆半径^是决定母线形状的唯一参数。及越大，曲线越开阔，在参数^相同的情况下，曲率半径&就越大。由此可知，本 专利技术中，渐开线母线刀具是单参数、变曲率的，且刀刃部分似凹鼓形。刀具在曲面上的初步定位如图2所示，为渐开线母线刀具T加工叶片进排气边部分的自由曲面^"，v)的定位示意图，设刀心位置在刀具底面的中心G，刀轴矢量为^，刀具回转半 径为A。 "^点是在刀具的渐开线母线上与曲面S("，V)的一个切触点，^是刀具在该刀位处走刀方向的单位矢量，^是曲面W"，v)在"^点处的单位法矢，令 ei=e2Xe3，则以"^为坐标系原点，(ei，e本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单参数变曲率鼓形刀具，其特征在于，该刀具的母线包括单参数变曲率曲线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志同，王爽，张洪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]