[发明专利]一种非球头刀铣削加工自由曲面的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种CAD/CAM技术，尤其是一种自由曲面的CAD/CAM技术，具体地说是一种非球头刀铣削加工自由曲面的方法

背景技术

随着产品整体化、轻量化设计以及对气动性能要求的不断提升，越来越多的复杂自由曲面出现在航空航天、汽车及船舶等产品的零件中，由于这些复杂曲面几何性质复杂，曲率变化大，传统上采用球头刀铣削的加工方式，但在实际生产中球头刀的切削宽度较小，加工效率较低，例如在大型模具的复杂自由曲面加工中，其精加工时间往往需要100小时以上。相比之下五轴联动非球头刀的切削通过改变刀具姿态可以实现较大的切宽，加工效率明显提高，因而成为复杂自由曲面加工的高效加工方式。但非球头刀的切削宽度受刀具姿态以及进给方向的影响，而五轴加工刀具姿态的确定依赖人的经验且缺乏灵活性，在实际加工中往往切削宽度达不到预期效果，仍然需要进行切削宽度优化。

切削宽度优化是优化曲面加工效率的重要方式之一，较大的切削宽度可以减少曲面加工轨迹的长度，在不考虑机床运动学限制的情况下可以有效缩短加工时间，提高加工效率。一些学者通过以曲面最长边界作为初始刀轨进行偏置生产刀轨，或者以曲面主曲率最大的对应方向作为进给方向从而实现切削宽度的优化，还有目前较为成熟的美国北卡罗来纳州立大学Yuan-shin Lee教授提出的基于Machining Potential Field的方法，即首先在曲面上构造一系列曲线，选出平均切宽最大的曲线作为初始轨迹线，偏置初始轨迹线生成曲面的加工轨迹，当偏置得到的轨迹线的切削效率系数小于设定值时则停止轨迹偏置，在未生成刀轨区域重新构造初始轨迹线进行轨迹计算。该方法能够一定程度上减少相邻刀轨间的重叠区域，实现切宽的优化，但该方法的本质是一种被动式的分区加工方法，仍然受人经验的影响，是一种贪婪式算法，因此仅能得到局部优化的加工结果。

本发明公开了一种非球头刀铣削加工自由曲面方法。针对自由曲面五轴联动铣削加工中采用摆定前倾角和零度旋转角的加工方式，构造刀具有效切削曲面，以张量的方式度量曲面上任意切触点处的切削宽度，构建非球头刀切削宽度二阶张量场，提取张量场中的三分退化点，并以此为起点搜索曲面内部边界点，实现对曲面加工区域的划分，每个区域称为一个曲面加工特征。在每一个曲面加工特征中构建数条曲线，使曲线上每点的切向与该点处切宽最大的进给方向重合，选出平均切宽最大的曲线为该区域内的初始加工轨迹线，采用偏置初始加工轨迹线的方式计算各曲面加工特征的刀轨从而得到整个曲面的加工轨迹。该方法能够保证所生成的平底刀加工轨迹尽可能遵循对应最大切宽的进给方向在曲面范围内的区域化分布规律，从而减少刀轨长度，实现加工效率的提高。

发明内容

本发明的目的是针对当前复杂自由曲面五轴联动铣削加工中，采用摆定前倾角和零度旋转角的加工方式下，非球头刀铣削无法进行切宽全局优化的问题，发明一种非球头刀铣削加工自由曲面的方法。

本发明的技术方案是：

一种非球头刀铣削加工自由曲面的方法，其特征是它包括以下步骤：

步骤1：依据最大弦高比值，对加工曲面进行网格划分，得到加工曲面包含的网格列表及每个网格包含的网格点；

步骤2：构造刀具有效切削曲面表达方式；

步骤3：基于加工曲面几何特性及刀具有效切削曲面表达方式，计算每个网格点处的非球头刀切宽张量系数矩阵，构建切宽张量场；

步骤4：搜索切宽张量场中包含的退化点，提取三分退化点；

步骤5：以三分退化点为起点搜索曲面内部边界点，构造曲面内部边界，得到曲面加工特征。

步骤6：在每一个曲面加工特征中构建数条曲线，保证曲线上每点的切向与该点处切宽最大的进给方向重合，选出平均切宽最大的曲线为该区域内的初始加工轨迹线；

步骤7：采用偏置初始加工轨迹线的方式计算各曲面加工特征的刀轨从而得到整个曲面的加工轨迹。