开式整体叶盘通道侧铣粗加工技术的研究

整体叶盘从锻造毛坯到最终零件加工成型,需要切除大量的多余材料。本文提出了一种开式整体叶盘通道区域五坐标粗加工刀具轨迹规划方法。该方法通过生成整体叶盘薄壁叶片的直纹包络面,以确定叶盘通道粗加工区域的边界轮廓;基于直纹面五轴侧铣加工刀具轨迹双点偏置生成方式,利用投影法规划开式整体叶盘通道区域粗铣加工的刀心点轨迹与刀轴矢量方向。加工实践表明,开式整体叶盘的粗加工效率提高30%以上,同时,显著优化了后续半精加工和精加工工序的环境。     

5轴叶轮粗加工过切与碰撞综合检测修正研究

针对复杂多曲面叶轮的5轴粗加工刀轨自动生成问题,提出一种基于使用平头立铣刀的无过切,干涉的刀具轨迹生成算法。通过对整体叶轮5轴加工中可能出现刀具与叶片干涉的问题,提出了一种干涉检测方法。依据检测结果对干涉进行处理,从而避免实际加工时干涉的发生。方法考虑了刀具运动路径上全部刀位点与叶轮的位置关系,计算量小,对于叶轮数控加工编程中大量刀位数据的干涉检查,可以显著地节省计算机运算时间。     

叶轮流道非正交四轴加工的刀轴控制方法

针对自由曲面叶轮流道非正交四轴加工,提出了一种在刀轴约束面上旋转插值的刀轴控制方法。通过分析刀轴约束条件,在工件坐标系下建立满足约束条件的单位圆锥面。采用清根切触点处初始刀轴的计算方法求解清根轨迹上每一个切触点处无干涉的刀轴矢量。按照清根切触点序列依次计算流道两侧对应清根刀轴在单位圆锥面上确定的扇形曲面区域,并在该区域等角度旋转插值清根刀轴,从而获得流道加工的刀轴矢量,最后建立机床运动学约束条件并对其进行光顺处理。结果表明,该方法能够准确有效地计算叶轮流道非正交四轴加工光滑且无干涉的刀轴矢量。     

开式整体叶盘四坐标侧铣开槽粗加工轨迹规划

为了提高开式整体叶盘的粗加工稳定性，在粗加工阶段，提出采用将自由曲面蜕变为直纹面的方式简化开式整体叶盘通道开槽加工的难度，实现稳定切削。讨论了直纹面逼近自由曲面的算法，提出了一种新的刀轴矢量计算方法，并基于直纹面给出了开式整体叶片通道四坐标侧铣粗加工数控编程方法，规划出了无干涉的刀位轨迹。实例验证表明，采用该方法可快速有效地实现开式整体叶盘的开槽粗加工，并可提高开式整体叶盘加工中的稳定性。     

基于MMR的三角网格曲面五轴加工刀轨生成算法

为了提高三角网格曲面五轴加工的加工效率,提出了基于最大材料去除率(maximal materialremoval rate,MMR)的平底刀五轴加工刀轨生成算法。首先计算无曲率干涉且具有最大材料去除率的网格曲面五轴加工的刀具方位角;然后在确定网格曲面可能干涉区域的基础上,提出刀触点处干涉性假设,并以最大材料去除率、刀具无曲率干涉和全局干涉为约束条件,采用二分法确定具有最大材料去除率的无干涉刀具方位角;最后采用截面线法生成三角网格曲面MMR平底刀五轴加工刀轨。通过实验验证了采用文中算法生成的刀轨进行加工能够获得较高的加工效率和表面质量。     

眼镜镜片尖边轮廓的五轴数控加工

为了改善和优化眼镜镜片的加工流程,避免镜片尖边加工过程中刀轴矢量变化剧烈、影响工件表面的加工质量,提出了一种基于UG NX的五轴数控加工路径。利用智能镜框扫描仪对镜框边缘进行扫描,获得镜框凹槽点云数据文件,编写相应程序对符合眼镜片加工标准的OMA文件中的球坐标数据进行坐标及格式转换等处理。基于NURBS曲线拟合算法,实现刀路轨迹的连续性并保证拟合曲线的精度。设计和建立一种控制刀轴矢量平滑变化的刀轴驱动约束方法,依靠曲线驱动刀轴及镜片曲面法向量约束刀轴使刀头平滑进给,并将刀轨文件经过后处理转换为NC文件。最后,对加工后的镜片进行误差测量,结果表明,通过点云数据拟合刀路曲线的方法提高了加工面的精确度和光滑性,有效缩减了加工流程,提高了加工效率。     

基于PowerMILL的整体叶轮高效数控加工研究

整体叶轮广泛应用于航空航天、水利水电、汽车等行业的关键零部件中,它的加工质量和精度直接影响产品的性能和价格,所以对整体叶轮的加工制造研究意义重大。在基于Power EMILL软件的基础上,开发出某型号整体叶轮的高效精密制造技术,包括工艺工装、刀轨规划、操作方案等。采用的工装方案能有效避免干涉,使刀具有充足的加工空间;采用"五轴定位"模式加工流道,大大提高叶轮工件的开粗加工效率;使用"SWARF精加工"策略实现刀具的侧刃加工等,经验证采用该工艺工装及刀轨策略能有效提高叶轮的加工效率和精度。     

复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法研究

科学技术的快速发展,为复杂曲面五轴加工方式的不断优化提供了必要的技术支持,使得其加工技术水平逐渐提升。实践过程中加工人员在曲面形状突变及干涉情况时,若采用五轴加工轨迹生成方法,由于其中刀轴矢量剧烈变化的问题,使得刀具性能受到了潜在威胁,且产品加工质量难以保障。针对这种情况,应加强与之相关的五轴加工刀轴矢量优化方法使用。基于此,本文将对复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法进行系统阐述。     

基于机床运动学约束球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法

针对目前航空发动机叶片进排气边加工精度和表面质量较差的问题,提出了一种基于机床运动学约束球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法。建立刀位优化变量与刀位数据之间的关系方程,同时建立刀位数据与机床回转轴角度之间的运动变换方程,从而推导出刀位优化变量与机床回转轴角度之间的关系方程。通过求解上述方程得到球头刀多轴加工复杂曲面的刀轴矢量计算公式。在此基础上,给出球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法和刀轨生成方法。同时,以某航空发动机叶片为例,分析了本文算法和Sturz算法对机床回转轴角度的影响。分别利用本文算法和Sturz算法生成该叶片进气边加工的刀轨,并在五轴数控机床上进行加工试验。试验结果表明,该算法能够避免加工过程中机床回转轴的大幅波动,使机床轴运动更加平稳和光滑,从而提高曲面的加工质量和加工效率,具有一定的实际应用价值。     

基于关键刀轴矢量插值的球头铣刀五轴加工光顺刀轴矢量生成方法

提出基于贪心策略的复杂曲面加工刀具路径关键刀轴矢量序列整体优化方法，以及基于关键刀轴矢量插值的球头铣刀五轴加工复杂曲面光顺刀具姿态生成方法。计算各关键刀位刀触点处的刀轴矢量可行域，基于贪心策略从刀轴矢量可行域中选择关键刀轴矢量序列并且插值关键刀轴矢量序列，检查加工路径刀轴矢量序列是否存在碰撞干涉，进而获得可行的关键刀轴矢量序列集合。根据光顺评价指标从可行的关键刀轴矢量序列集合中选择最优的关键刀轴矢量序列，然后获得整个加工路径光顺的刀轴矢量序列。试验结果表明，该方法生成的复杂曲面加工刀具姿态能够使机床旋转轴运动平稳。     

复杂曲面环形刀五轴端铣加工的刀具轨迹规划方法

为了降低复杂曲面类零部件加工的刀具路径,减小刀具路径条数,提高加工效率,提出了一种新的复杂曲面环形刀五轴端铣加工刀具轨迹优化方法。在局部可铣性基础上对刀轴矢量角进行自适应优化,采用新型加工带宽计算方法——等残留高度算法,给出了等残留高度算法的刀具轨迹生成具体步骤。仿真结果表明:与传统等残留高速算法相比,刀具轨迹优化算法的刀具路径更短、条数更少,能够有效提高复杂曲面加工效率。     

Optimal CNC plunge cutter selection and tool path generation for multi-axis roughing free-form surface impeller channel

Plunge milling is the most effective way for rough machining of impeller parts, but previous research had not considered the optimization of plunge cutter selection and tool path. In this paper, a new method for optimizing the plunge cutter selection and tool path generation in multi-axis plunge milling of free-form surface impeller channel is proposed in order to improve the efficiency in rough machining. Firstly, in the case of fixing a rotation axis at a certain angle in five-axis machine, a mathematical representation is formulated for the geometric model of the cutter interfering the impeller, and an optimization model of the cutter size is established at a cutter contact point on the impeller channel surface, so the largest tool could be determined. Secondly, by analyzing the machine tool movement characteristics, the geometric constraint model of the plunge tool path which relative to the largest tool, step distance, and row space is established, and a tool orientation calculation method of impeller channel machining is given, and then, the plunge tool path and tool orientation could be obtained. Finally, the generated tool path and tool orientation are simulated and verified in practical processing. Simulation and experimental result shows that the rough machining efficiency of the impeller part is improved up to 40 % with this method.     

An efficient five-axis machining method of centrifugal impeller based on regional milling

This paper presents an efficient five-axis machining method of centrifugal impeller based on regional milling. As the base of the machining method, geometry of the centrifugal impeller and blade surface is analyzed, and sub-machining regions are presented through the division of the double three-cubic d non-uniform rational B-spline (NURBS) surface. In rough milling, the cutter parameters, tool path interval, tool path curves, and the fixed tool axis vector are calculated by the novel algorithm based on regional milling; the biggest cutter and smaller tool path length are obtained. In finish milling, for the aerodynamic performance of the finished impeller, the tool path curves are modified and interlinked to make them uniform and orderly. A modified algorithm of the finish milling of the blade surface is proposed, and not only are the machining errors reduced; their reasonable distribution is also realized. Numerical simulation and a real test impeller are presented as the test of the proposed method.     

基于奇异避免的薄壁件镜像铣削加工路径优化

在双五轴镜像铣削加工中,由于旋转轴运动突变带来的奇异问题,导致薄壁件表面加工质量以及加工效率降低。在分析奇异问题产生原因的基础上,提出一种奇异区域加工路径优化的方法。基于C-空间的概念,在奇异区域边界约束条件下,同时满足镜像铣削加工中刀轴矢量与工件表面保持垂直,以最小刀轴矢量距离确定备选刀轴矢量,对奇异区域的刀轴矢量进行局部修正。然后对整条加工路径进行B样条曲线拟合,基于最小参数曲线应变能建立优化模型,通过对参数曲线的调整,提高路径的光顺性,保证加工效率,提高加工质量。最后,通过仿真实验和实际加工结果验证所提方法的有效性。研究结果表明,最小壁厚误差减小50%,最大壁厚误差减小75%,整体壁厚误差范围缩小了68.75%,同时完整的路径加工时间缩短了2.1%。     

基于五轴机床的叶轮实体建模与加工

由于整体叶轮的叶片是扭曲的,在建模和加工方面都有极大的困难。相比三轴加工机床,五轴机床具有较高的生产率和较好的加工质量等优点。根据实际工程数据,选用Pro/Engineer软件对实体叶轮进行造型,并对整体叶轮数控加工的走刀路径进行了分析和研究,针对干涉问题,选取刀轴自动避让功能,并定义刀轴限界功能。成功将NC程序从Powermill软件中导入到DEMAGE五轴机床。并以某离心式压缩机整体叶轮产品为例进行了加工验证,加工出了实体产品。实验结果表明选用的加工方法和工艺是非常成功的。     

整体叶轮五轴侧铣数控加工方法的研究

为提高整体叶轮的五轴编程和加工的能力,生成合理的刀位文件,在制定出合理的加工工艺的基础上,提出了一种适合于直纹面叶片五轴侧铣加工的刀轴矢量计算方法.对两个相邻叶片的直母线进行插值后,得到的刀轴矢量能完全避免刀具与叶片之间的干涉问题.同时,提出了一种小四边形参数模型来解决直线与自由曲面求交问题,并成功应用于刀心计算中.实例计算表明,所提出的方法能很好地应用于整体叶轮的五轴加工.     

整体叶轮五轴数控插铣加工刀位轨迹生成算法研究

为了提高整体叶轮粗加工效率和质量,提出了一种整体叶轮五轴插铣加工刀位轨迹的计算方法。根据整体叶轮的几何特征和插铣特点,定义与叶轮轴线垂直的截平面族,构造截平面与叶片型面交线的单侧包络直线族,作为边界面加工刀位,在边界面刀位之间插值,得到整个流道的插铣加工刀位轨迹。运用UG/Open API开发了整体叶轮插铣加工软件模块,最后通过实例验证了所提出的方法是有效的。     

五轴微段平滑插补算法

在五轴加工编程中,计算机辅助制造系统对曲面加工通常采用以折代曲,采用大量的微小G01直线段来加工曲面,在曲率半径较大的工件表面会出现明显折痕,严重影响工件表面的加工质量。为提高五轴数控加工工件的表面质量,提出一种五轴微段平滑插补算法。该算法考虑五轴加工中刀位数据的量纲差异,根据相邻数据点间的线性轴长度、线性轴的夹角和旋转轴角度变化量识别五轴数控加工程序中非连续微段和连续微段加工区域。对非连续微段加工区域按照原始直线段和旋转轴直接插补,从而保证加工精度。对连续微段加工区域,先通过五维变量获取节点参数,采用最小二乘法对指令点在允许的精度范围内进行修正;对修正后的指令点采用4点构造法计算二阶切矢,根据连续微段的指令点修正值,节点参数值和对应的二阶切矢值获取二阶连续的三次样条曲线;在二阶连续平滑的曲线上进行实时插补计算,控制机床进行五轴加工。试验结果表明:通过提出的五轴微段平滑压缩算法拟合后的路径要更加接近原始的曲面模型,平滑处理过的实际工件加工表面也要优于未进行处理的工件加工表面,提高了五轴自由曲面的表面质量。     

面向特征库的整体叶轮刀轨规划方法

针对整体叶轮曲面曲率变化大、流道为特殊型腔的特点,提出了一种面向特征的刀轨规划方法。分析了整体叶轮加工型面的特征及加工难点,建立由叶片、流道、进出水边、叶根等不同型面刀轨构成的特征库。设计叶轮加工型面与特征刀轨库间的匹配规则,开发了整体叶轮加工型面特征刀轨规划系统。算例仿真表明,该方法可有效减少叶轮加工曲面的刀路数量,提高整体叶轮自由曲面叶片的加工质量和效率。     

A Cutter Orientation Modification Method for the Reduction of Non-linearity Errors in Five-Axis CNC Machining

In the machining of sculptured surfaces, five-axis CNC machine tools provide more flexibility to realize the cutter position as its axis orientation spatially changes. Conventional five-axis machining uses straight line segments to connect consecutive machining data points, and uses linear interpolation to generate command signals for positions between end points. Due to five-axis simultaneous and coupled rotary and linear movements, the actual machining motion trajectory is a non-linear path. The non-linear curve segments deviate from the linearly interpolated straight line segments, resulting in a non-linearity machining error in each machining step. These non-linearity errors, in addition to the linearity error, commonly create obstacles to the assurance of high machining precision. In this paper, a novel methodology for solving the non-linearity errors problem in five-axis CNC machining is presented. The proposed method is based on the machine type-specific kinematics and the machining motion trajectory. Non-linearity errors are reduced by modifying the cutter orientations without inserting additional machining data points. An off-line processing of a set of tool path data for machining a sculptured surface illustrates that the proposed method increases machining precision.