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复杂曲面零件在运载、能源和国防等行业有着广泛应用,这些零件的制造水平代表着国家制造业的核心竞争力,五轴数控铣削加工具有高可达性、高材料去除率和高加工精度等优势,成为这些复杂曲面零件的关键加工技术。目前我国许多企业拥有了先进的五轴数控加工机床和高性能刀具,但复杂曲面加工效率仍然然低下,只能达到国际先进水平的三分之一。在切削参数、刀具路径、进给规划、夹具系统和机床等方面都有提高加工效率的方法,本文主要针对复杂曲面零件加工,研究五轴高进给加工方法来提高加工效率。主要工作及创新性成果如下:
1.研究了整体等距双NURBS刀具路径的生成算法,为五轴高速高精度加工提供了样条刀具路径。研究中首先将离散刀具位置插值为对偶四元数B样条运动,然后在B样条运动Blossom表示基础上,直接将B样条运动转换为了整体等距双NURBS刀具路径,避免了传统方法中先将对偶四元数B样条运动转化为Bézier运动,然后再转化为等距有理Bézier运动的过程。新方法生成的整体等距双NURBS刀具路径,可以用更少的数据量描述刀具运动,而且刀尖点和刀轴上一点的轨迹都是一整条NURBS曲线,克服了传统分段Bézier运动方法中包含多段Bézier刀具路径,无法反映相邻两段之间连续性信息的问题。
2.提出了一种平动轴线性刀具路径的G2连续实时光顺方法,在指定近似误差的阈值后,该算法将线段连接处的切向不连续部分用G2连续的Bézier曲线对过渡,平滑后的刀具路径消除了原有线性刀具路径中切削不连续和曲率不连续。提出的Bézier曲线对过渡法,解决了刀具路径样条平滑中近似误差约束、曲率连续约束和曲率波动控制三个关键问题,而且该算法具有解析解,可以应用于实时计算环境。过渡曲线中的最大曲率也具有解析解,可以优化整条路径中的曲率形状,以适应高速进给的要求。将该算法集成到开放式数控系统中,仿真和加工实验都表明,与原有的小线段路径相比,曲率连续的刀具路径在进给速度平稳性和加工效率方面都具有明显优势,加工时间缩短25％以上。
3.提出了五轴数控加工线性刀具路径G2连续光顺的解析计算方法,将刀尖点和刀具方向的线性刀具路径转换为双样条刀具路径,与现有的算法相比,具有三个优势:(1)新路径的刀尖点轨迹和刀轴上一点的轨迹都是G2连续的曲线,避免了原有小线段刀具路径中切向和曲率不连续的问题:(2)近似误差约束和双样条参数化同步问题得到了理论上的严格保证,解决了五轴加工刀具路径实时光顺中的最大挑战;(3)用一条三次Bézier曲线实现了相邻线段的光顺过渡,该过渡曲线具有解析解,可以集成到数控系统的实时计算环境。涡轴发动机叶轮侧铣加工的仿真实例表明,与工件坐标系下线性刀具路径的直接插补相比,在G2连续光顺后再插补的方法可以缩短加工时间15%,具有更高的平均进给率,加速度曲线更加平滑。
4.针对高温高强材料整体叶轮的五轴插铣加工和五轴联动加工,从工艺和机床运动学约束角度提出了高进给加工方法,在高强材料插铣加工中,提出了快速退刀的加工策略,可以克服刀具直接沿进给刀轴方向退刀时,使不具有切削能力的插铣刀背面参与材料去除过程,导致刀具磨损的问题,同时控制了插铣的切宽,加工时间缩短43%。针对五轴联动加工提出了刀尖点速度和机床各轴运动学约束下的变进给加工方法,克服了传动数控代码中定义的进给率无法反映刀具相对于工件进给速度的问题,保证机床各轴进给速度和刀尖点速度的平稳,实现了叶片曲面和流道底部的高速变进给加工,加工时间缩短约44%。