A simplified method for local tool interference detection and tool position modification during five-axis ball-end milling process

Five-axis ball-end milling is commonly used to machine the complex surfaces. Local tool interference phenomenon which often occurs in five-axis milling should be urgently solved. In this paper, a simplified method to detect the occurrence of local tool interference and modify tool position is proposed. First, the detection matrix is established to detect local tool interference at all the cutter location points on tool path simultaneously in five-axis ball-end milling of complex surfaces. The algorithm of detection matrix based on point arithmetic is simple. Secondly, the new coordinates of the modified interfering-free points are obtained precisely by using the genetic algorithm. The feasibility of the method is validated by simulation in Matlab. This research is benefit to simplify the calculation of local tool interference detection and tool position modification.

双圆弧斜齿齿轮泵转子加工刀轨规划及仿真

针对双圆弧斜齿齿轮泵转子加工方法中存在的加工效率和精度比较低等问题,提出了利用球头铣刀在数控铣床上加工双圆弧斜齿齿轮泵转子的方法。研究目标是:根据双圆弧斜齿齿轮泵转子方程,结合空间啮合原理,建立了双圆弧斜齿轮的加工坐标系,根据各坐标系之间的转换矩阵,建立了双圆弧斜齿齿轮泵转子的齿面方程,模拟使用球头铣刀进行加工过程,计算出加工刀具中心在平面和空间轨迹,同时给出判定球头铣刀不发生干涉的最大半径的方法。利用VERICUT软件建立虚拟制造环境并进行铣齿仿真加工,验证了双圆弧斜齿齿轮泵转子齿面数控加工方法的正确性及其可行性。

锥度球头刀加工钛合金TC4表面粗糙度建模

高性能商用航空发动机大型复合材料风扇叶片高速旋转时存在分层开胶风险,需要在其前缘通过胶结工艺装配钛合金TC4前缘金属加强边予以保护,而胶结性能受到装配表面粗糙度影响较大。本文针对钛合金TC4前缘金属加强边内腔加工表面粗糙度,以主轴转速、每齿进给量和轴向切深为设计因子,分别开展4种细长锥度球头刀四轴铣削钛合金TC4试验,测试已加工表面粗糙度。基于测试的样本数据,分别针对4种细长锥度球头刀建立加工表面粗糙度的经验模型。结果表明,主轴转速增加,直径为5.0mm时,表面粗糙度大幅降低,直径为3.0mm时,表面粗糙度却有所增加;主轴转速、每齿进给量增加时,直径4.0mm、2.4mm的锥度球头刀加工的表面粗糙度没有较大变化。随着轴向切深增加,4种直径的刀具加工的表面粗糙度均大幅增加。

兼顾排屑与降载作用的叶轮拐角单笔清根刀具

清根加工作为叶轮拐角区域残余材料的补加工工艺,在整体叶轮数控加工中占据十分重要的地位。盖盘叶轮清根加工具有推刀进给、拐角曲面曲率大、切削余量大、空间几何受限等特点。而传统球头铣刀刀尖点切削性能不足,应用于盖盘叶轮清根加工会导致切削载荷大和切屑挤压,造成刀具过早失效、加工表面质量差等问题。本文针对盖盘叶轮清根加工的特点和难点,提出一种面向不同拐角尺寸的具有削顶结构以及大容屑槽结构的刀具,并推导了切削刃的表达式。对传统球头铣刀和新式削顶铣刀进行仿真与实验,结果表明,新式削顶铣刀较传统球头铣刀切削力降载高达77.6%,切削过程更平稳可靠,加工质量更高。

基于接触区齐次变换的球头铣削力预报与分析

精准求解球头铣刀-工件接触区(Cutter-workpiece engagement,CWE)已成为研究其力学行为的关键问题。现有球头CWE的求解方法存在效率低、通用性不佳和工程适用性不强等局限性。为此,本文提出一种基于齐次变换矩阵的CWE求解方法并借此实现球头铣削力预报和分析。首先,以铣削过程的几何特性分析为切入点,构建无倾角CWE解析方程组;然后,从多体系统理论的视角出发,通过齐次变换方法将球头铣姿态参数表征为坐标矩阵,由此推导出其在任意姿态下的解析表达式,进而将铣削过程时域离散化并对CWE内有效铣削刃及其演化过程进行分析。在此基础上,开展球头铣削力测试试验来检验该求解方法与铣削力分析的可靠性和精准性。研究结果表明,所提CWE求解方法可在较大程度上简化求解过程,且对铣削力的预报可靠、精准性高;前倾角或侧倾角的增大会减少切削刃在铣削周期中的铣削时间,并使得铣削周期内的平均铣削力降低;采用较小的前倾角时可获得较大的铣削力。

考虑刀具尺寸效应和刀具跳动的球头铣刀五轴微细铣削力预测

五轴微细铣削技术广泛应用于微小型零件的精密加工过程。铣削力作为加工过程中最重要的参数之一,直接影响零件的加工精度、刀具磨损和加工过程中的振动等。在球头铣刀五轴微细铣削过程中,刀—工接触几何CWE(Cutter Workpiece Engagement)及未变形切屑厚度瞬态变化,使其求解过程变得复杂和困难。综合考虑不同前倾、侧倾角度下的刀—工接触几何,推导出考虑最小切屑厚度、刀具跳动和工件材料弹性恢复的未变形切屑厚度数学表达式,建立了五轴微细铣削力的预测模型,获得铣削力的仿真结果。进行五轴微细铣削实验获得实测铣削力,并与预测铣削力进行比较,结果表明,铣削力预测值与实测值误差均在20%以内,验证了铣削力预测模型的有效性。

紫铜小锥度锥形内腔类零件加工工艺研究

为加工出小锥度锥形类结构,基于车削、铣削加工原理,提出车削和铣削相结合的加工方法。首先建立车削锥形内腔零件数学模型,分析车削内形机理;依据球头铣刀刀刃排布数学模型,建立球头铣刀铣削锥形内腔的运动轨迹,分析小锥度锥形内腔结构成形机理以及该方案的可行性,并得出锥形内腔车削深度与车刀直径、锥形内腔开口半径、锥形内腔开口角度有关的结论。在此基础之上,通过车削和铣削相结合的方法加工出了小锥度锥形内腔类结构。

球头铣刀铣削表面形貌建模与仿真

为了研究铣削加工的表面形貌 ,文章给出了考虑刀杆柔性的螺旋刃球头铣刀的动态铣削过程模型 ,并基于广义加工表面创成理论、球头铣刀刃线模型和铣削运动模型 ,对球头刀动态铣削表面形貌进行了建模和仿真 .

球面铣刀修磨几何模型研究

文中给出球面铣刀的制造模型 ,探讨了运用同一机构磨制邻近规格的不同球面铣刀的可行性问题 .为了充分利用现有的磨制机构 ,提出了斜等距曲面的概念及相应公式 ,介绍了它在球面铣刀修磨模型中的应用 ,并给出与制造相关的几何模型 .最后用实例验证了模型的可行性与可靠性 .该模型为实现复杂刀具的 CAD/ CAM提供了方法模型 .

基于Z-map模型的球头铣刀铣削力建模与仿真

对球头铣刀铣削力建模进行了研究。在Z-map仿真模型的基础上,提出了识别加工中参与切削的切削刃单元的方法,通过考虑刀具偏心和刀具变形对瞬时切削厚度的影响,推导出了瞬时切削厚度的表达式,由铣削力和切削负载之间的关系,建立了球头铣刀三轴铣削力仿真模型。铣削力仿真计算与铣削实验的对比表明在考虑刀具偏心和刀具变形后所建立的铣削力模型能够对铣削力进行准确的预测。

球头刀具刃形建模与过渡刃设计

针对回转刀具的几何特征，提出了广义螺旋运动概念，并应用这 一概念建立了球头刀具典型刀刃曲线的通用数学模型。针对某些刀刃曲线的特殊性质和球头 刀具的刃形分布要求，提出了过渡刃的概念及其设计方法。

球头铣刀刃口曲线的求解及螺旋沟槽的二轴联动数控加工

给出了球头螺旋铣刀三种不同螺旋刃口曲线的求解公式和二轴联动数控加工时砂轮的截形和相对运动求解模型，根据实得沟槽的模型和计算机模拟结果分析了存在的不足，并给出了相应的后处理方法。

基于BP神经网络的球头铣刀铣削力建模与仿真

将BP神经网络的理论和算法应用于球头刀具铣削力建模的研究中。采用LM算法建立了铣削力预测的神经网络模型,模型中考虑了影响铣削力的加工参数,选取铣削力试验数据对神经网络模型进行训练,用训练好的神经网络模型对铣削力进行仿真。仿真结果表明,用BP神经网络方法建立的铣削力模型能够对铣削力进行准确的预测。

球头铣刀刀具磨损建模与误差补偿

针对刀具磨损度量方式和模型建立的问题,以球头刀具为研究对象,提出球头铣刀刀具磨损的度量方式,建立球头刀具磨损模型。以复映磨损在硬度较软加工材料上的方式测量球头刀具磨损,确定刀具磨损模型系数,给出刀具磨损模型系数确定的具体实现方法。加工试验验证球头刀具磨损度量方式的合理性和所建立刀具磨损模型的正确性,同时针对数控铣削加工中球头铣刀刀具磨损引起的误差提出离线仿真误差补偿算法,给出离线仿真误差补偿算法的具体实现步骤,通过建立的刀具磨损引起的加工误差模型仿真获得加工走刀步的误差。对于误差超差的走刀步,预先修改数控加工(Numerical control,NC)程序,保证实际加工零件满足精度要求。误差补偿验证试验表明所提出的离线仿真误差补偿算法的正确性和有效性。

小直径球头铣刀铣削淬硬钢的试验研究

通过采用直径为 1 5mm的TiAlCN涂层硬质合金球头铣刀对S136淬硬模具钢进行中高速干式切削实验 ,分析了淬硬钢铣削时切削速度、进给速度和切削深度对切削力的影响规律 ,分析了不同切削用量对铣削过程的振动和噪声的影响 。

螺旋桨叶片曲面数控加工几何模型研究

目前在螺旋桨叶片曲面数控加工中，普遍存在着加工效率太低的现象，如何在保证加工精度的前提下提高加工效率已成为急待解决的问题。通过给出一般螺旋桨叶片工作面的方程，应用微分几何理论推导了数控加工所用球头铣刀的最大允许半径计算公式、走刀步长以及切削行距的计算公式，给出了根据刀具运动包络面计算实际加工误差的方法，最后通过实例验证了所建立模型的可行性和可靠性。

超声纵-扭复合铣削钛合金刀具磨损特性研究

目的采用超声纵-扭复合振动加工方法,获得较长的刀具使用寿命。方法采用理论建模与不同铣削振动方式,研究刀具磨损特性。通过超景深电子显微镜和粗糙度测试仪,分别对刀具微观形貌、工件表面粗糙度进行了分析;通过不同铣削方式加工钛合金材料,对刀具磨损特性进行了系统分析。结果与普通铣削和超声纵振铣削相比,超声纵-扭铣削方式下,刀具后刀面磨损减小,工件表面粗糙度降低。经测试,当去除面积为6356mm^2时,超声纵-扭复合加工刀具后刀面磨损量VB为103μm,分别比普通和超声纵振加工时降低了38μm和36μm。当去除面积为4530 mm^2时,Ra为1.2μm,普通铣削和超声纵振铣削的Ra则分别为1.62μm和1.38μm。由于超声纵振加工仅仅是在轴向方向实现了分离,后刀面时刻冲击着已加工表面,当去除面积为6356 mm^2时,刀具后刀面磨损量反有超出普通铣削的趋势。结论超声纵-扭复合加工从旋转方向内实现了刀-屑分离,在铣削过程中,极大地减少了刀具后刀面对已加工表面的冲击,从而使得刀具寿命有所延长,为高效加工、难加工材料提供了一种加工方法。

考虑刀具变形的球头铣刀铣削力建模与仿真

提出了准确识别参与切削的切削刃段的实体造型方法；基于铣削力与切削负载之间的经验关系，建立了三分量的球头铣刀铣削力模型；通过将刀具简化为一个悬臂梁结构，给出了刀具变形计算公式；从刀具变形对刀齿切削路径影响的几何关系出发，推导了三维进给运动下的瞬时切厚表达式。在此基础上，开发了完整的球头铣刀三轴铣削过程铣削力仿真系统。仿真计算和试验结果表明了模型及算法的正确性。

球头铣刀加工倾角对切削力的影响

对球头铣刀刀具轴线和工件加工表面之间的加工倾角进行了理论研究,建立了加工曲面时刀具倾角的数学模型,并通过试验研究了高速铣削铝合金时刀具倾角对切削力的影响规律。随着刀具轴线相对于进给方向倾斜角度β的增大,切削力变化的趋势是减小;编制多轴数控加工程序时可以通过设置合理的刀具倾角来改善切削条件。

基于铣削力仿真的离线进给速度优化技术

为提高数控加工效率和改善加工质量,针对数控铣削加工参数优化问题,以球头刀具为研究对象,提出基于铣削力仿真的离线进给速度优化方法。提出的方法通过建立各个加工工序相应的铣削力优化目标模型,采用铣削力仿真的手段,预测数控铣削加工中产生的瞬时铣削力,根据各个加工工序建立的铣削力优化目标控制加工过程中瞬时铣削力的变化,以提出的给定最大铣削力、给定参考铣削力和给定铣削力范围方法对各个工序进给速度进行优化。给出了各进给速度优化方法的具体实现步骤,进给速度优化后自动修改NC(Numerical Control)程序反映优化结果。应用实例证明了提出的基于铣削力仿真的进给速度离线优化算法的有效性。