自由曲面数控加工表面形貌仿真_赵军
自由曲面加工仿真的干涉检测研究
ｌ ｅ ｅｔ ｄ ｃｎ ｕｔ ｃｔ ｎｄｓ ｎ ｅ ｅ ｅ ｅｍ ｄ ｏ ｔａｄｔｅｃｒｅ ｕｆ ， ｃｏｄ ｇｔ － ａ ｓｈ ｔ ｔ ｗｏａｊ ｅｔ ｔ ｒｌ ａｉ ｉ ａ ｃ ｔ ｎｔ ｉｐ ｉ ｖｄ ｓｒ ｃ ａｃｒｉ ｍａ ａ ｃ ｅ ｏ ｏ ｔ ｂ ｗｅ ｈ ｎ ｎ ｈ ｕ ａ ｅ ｎ ｏ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｈ ｏｎ ｋ ｇ ｕ ｅ ｏ ｅｉｓ ｏ ｕ ｔ ｒｌｃ ｔ ｎ ｏ ｈ ｃ ｉ ｉｇ ｐ ｔ ｈ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｅｐ ｉ ｔｍａ ｉ ｓ ｆａ ｓ ｒ ｆｃ ｔｅ ａｉ ｎ ｔ ｅ ｍａ ｈ ｎ ａｈ ｔ ａ ｎ ｅ ｏ ｏ ｎ ＵＧ ￣ ｅａ ｅ ， ａｃ － ｒｔ ｓ ｃ ｕ ｌ
分为基于几何 曲面求交的干涉检测方法和基于包围盒
的干 涉检测 方法 。在 文献 ［４］ ， １ 中 采用 几何 曲面求 交 方法 进行数 控 加工 的干 涉 检 测 ； 献 ［ －］ ， 用 包 文 ５７ 中 采
干涉检测越来越得到人们 的重视 ， 尤其是在数控加工
简单 ， 有效 。最后利 用 Ｖ Ｃ＋＋和 Ｏ ｅＧ ｐｎ Ｌ对提 出的干 涉检 测 方 法编 程 实现 ， 行 了仿 真 实验 ， 实 了干 进 证
涉检测 方法 的合理性 和 可行性 。
关键词 ： 涉检 测 ； 干 自由曲面 ； 真 仿
中图分 类号 ：Ｇ ５ Ｔ ６
文献标 识码 ： Ａ
Ｉ ｔ ｒｅ ｅ ｃ ｔ ｃ ｉ ｎ ｉ ａ ｈ ｎ ｎ ｉ ｕ ａ ｅ ｏ ｅ ｆ ｒ ｌＳ ｒ ａ ｅ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ Ｄｅ ｅ ｔ ｎ Ｍ ｃ ｉ ｉ ｇ Ｓ ｍ ｌ ｔ ｆＦｒ ｅ ｏ ｎ ｕ ｆ ｃ ｏ
Ｚ Ｏ ｉ ｇ ｕ ，ＬＵ Ｗｅ－ ｎ Ｈ ＵＸｏ － ｎ ｎｊ Ｉ ｉｕ ｊ （ ． ｅ ａ ｏａ ｒ ｏ Ａ ｖｎ ｅ ｎ ｆ ｔｒ ｇＴ ｃｎ ｌ ｙ ｈ ｎ ａｇＩｓ ｔｔ ｏ Ａ ｔ ａｉ ， ｈｎ ｓ ｃｄ— １ Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔ ｙ ｆ ｄ ａ ｃｄＭａｕａ ｕｉ ｅｈ ｏ ｇ ，Ｓ ｅｙｎ ｔｕｅ ｆ ｕｏ ｔ ｎ Ｃ ｉｅｅＡ ａ ｅ ｏ ｃ ｎ ｏ ｎ ｉ ｍ ｏ ｍｙｏ ｃ ｎ ｅ ，Ｓ ｅｙ ｇ １０ １ ｆＳｉ ｃ ｓ ｈ ｎ ａ ０ ４，Ｃ ｉａ ２ Ｇａ ｕ ｔ Ｕ ｉ ｒｔ ｏ ｈｎ ｓ ｃｄ ｍ ｆＳ ｉ ｃ ，Ｂ ｉｎ ｅ ｎ １ ｈｎ ； ． ｒｄ ａ ｎ ｅｓｙ ｆＣ ｉｅｅＡ ａ ｅ ｙｏ ｃｅ ｅ ｅ ｉ ｅ ｖ ｉ ｎ ｊｇ １０ ４ ，Ｃ ｉａ ００９ ｈ ） ｎ
复杂自由曲面曲率分布特征对数控铣削性能的影响
复杂自由曲面曲率分布特征对数控铣削性能的影响在现阶段下，自由曲面部件已经在工业生产中得到了广泛的应用，自由曲面部件可以降低能源效率、提升工作效率，也能够有效减小系统尺寸，但是其复杂度较高，在复杂自由曲面数控铣过程之中，控制加工精度、设计刀位轨迹一直都是两大难题，此外，由于各种因素的影响，现阶段下对于复杂自由曲面数控铣削的研究多集中在刀具干涉、刀具切痕、刀具干涉判断、自由曲面生成方式、刀具路径等问题上，本文主要从复杂自由曲面曲率分布特征的角度来分析复杂自由曲面曲率对数控铣削性能的影响，希望可以为实际生产提供一些参考。
标签：复杂自由曲面曲率;分布特征;数控铣削性能;影响【Abstract】at present，freeform surface parts has been widely used in industrial production，free-form surface parts can reduce the energy efficiency，improve work efficiency，but also can effectively reduce the system size，but its complexity is high，in the NC milling complex free-form surface process，control precision，path knife design all two major problems，in addition，due to the influence of various factors，the research on the NC milling complex free surface and more concentrated in the cutter interference，cutting mark，interference judgment，free surface，tool path generation and so on，this article mainly from the complex free surface curvature distribution angle analysis of the influence of curvature of complex surfaces on CNC milling performance，I hope to provide some reference for the actual production.【Key Words】complex free surface curvature; distribution characteristics; CNC milling performance; influence1、引言目前，汽车前照灯反射镜、太陽能聚光发电聚光镜、风电发电叶片都开始广泛使用自由曲面部件，自由曲面部件与传统部件相比而言，性能更加的理想，能够有效减小系统尺寸，并达到提升工作效率，降低能源消耗的目的，但是与传统部件相比，自由曲面部件的复杂度也较高。
自由曲面汽车车灯仿真设计与制造(2)
文章编号： 1004-731X (2002) 10-1384-06
系统仿真学报 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION
Vol. 14 No. 10 Oct. 2002
自由曲面汽车车灯仿真设计与制造
朱维涛, 陈祥熙, 施伟斌
（上海理工大学光学与电子信息工程学院, 上海 200093）
2 自由曲面汽车车灯反射器设计 2.1 自由曲面车灯的配光原理
自由曲面汽车车灯与传统车灯的根本区别在于其配 光是由反射器完成，而配光镜代之以光滑透明的透镜，其反 射器也不再是二次曲面，而是由多块自由曲面组成。这种曲 面不能用一个或多个函数来表示，但将曲面细网格化后，用 一系列标记（X，Y，Z）值的网格来表征。配光是由这些多 块自由曲面共同作用的结果，每块自由曲面都对配光起到一 定的作用。当然这些曲面是根据所对应受照屏幕上的光斑形 状和光照度大小分布设计出来的。图 1 是国外某车灯公司生 产的自由曲面前照灯。
系统仿真学报
2002 年 10 月
2.2.2.2 已知入射光线，反射光线，求法线
图 6 所示，OR 表示入射光线，RF 表示反射光线，R
表示自由曲面上的反射点，R 点的坐标为（X（k, j），Y（k, j），
Z（k，j）），设 OR 的距离为 L1，
则：L1= X 2 (k, j) + Y 2(k, j) + Z 2(k, j) , RCED 为曲面上的 一个小单元。
Abstract: With the quick development of automobile industry, the requirements for illumination properties of automobile headlight become higher. This article mainly introduces the design principles and methods and process technology of free form vehicle headlight novel in automobile lamps and lanterns. The design result is also given. Free Form Automotive Lighting (FFAL) is currently the most fashionable one in the world. It has the advantages of low position of lighting lamp and high performance of aerodynamics. The inherent distinction between FFAL and the traditional one is that the former distributes light by reflector. Its light-distribution lens is replaced with smooth transparent one. Its reflector consists of many free forms and is no longer conicoid surface. The FFAL software is the key part of the project, while the check software is equally important too. It can provide reliable standard for automotive lighting design. Keywords: automobile lamps and lanterns; free form; headlight; process technology; simulation software
数控机床加工仿真技术及应用(正)
数控机床加工仿真技术及应用李军锋席平摘要：本文简要论述了数控机床加工仿真技术的意义及其研究现状，介绍了目前国外成熟的数控机床加工仿真软件VERICUT，并且充分应用这种软件的各项功能进行了具体的机床加工仿真和干涉检查及代码优化。
关键字：数控加工加工仿真干涉优化一、概述数控加工是一个自动过程，需要工艺人员事先确定加工过程的工艺流程。
在制订流程的过程中，工艺人员不仅需要考虑各种加工工艺因素，同时还要考虑到干涉问题。
由于零件形状是空间三维形状，机床是几轴联动，在加工过程中，加工参数的选择是否合理、零件与机床干涉否、是否存在过切等现象既相互关联又各自遵循自己的变化规律。
因此工艺人员难以以现有的分析计算手段，优化工艺流程。
所以必须要给技术人员提供一套能分析、计算的可视化环境，能制定、优化工艺流程的辅助手段，以达到提高产品质量，缩短制造周期的目的。
为此迫切需要应用相对成熟的仿真技术对产品的数控加工过程进行真实加工前的观察，以便及时发现和尽快解决问题，避免造成不必要的损失。
二、数控加工仿真技术的研究现状为确保数控程序的正确性，在生产中，常采用易切削的材料代替工件进行试切，检验加工指令。
也有采用轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形（也可以显示二维半的加工轨迹）。
但这些方法费工费料，使生产成本上升，增加了生产周期。
为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。
从试制环境的模型特点来看，目前NC切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。
几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具-工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。
它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。
基于CAXA软件的复杂曲面数控加工仿真
维曲面， 通过对三维曲面的空间处理生成 闭合的空腔 ， 再 组 合 后 利 用 网格 面 功 能 生 用空腔生成实体 ，并利用实体造型 的型腔设定和分模功 成 混 合 曲 面 ，然 后 将 弯 曲 部 位 生 成 的 半 个 曲 面 利 用 空 间 的镜 像 功 能 将 曲面 复 制 ， 能， 生成 最后 的 锻模 实 体 。
２ 吊钩锻 模 的三 维造 型 设计
２， 吊 钩 锻 模 三 维 实 体 造 型 的 思 路 ．
立 体线 架 ， 图 ｌ 示 ； 如 所 （） ３ 利用 三维 线 架构 造 曲面 ： 钩 头 部 应 用 旋 转 吊
吊钩 在 日常 生活 中 很 常 见 ， 的 实体 形 状 看似 简 单 ， 它 但它 的曲 面造 型却 比较复 杂 ， 于 曲面混 合造 型 。 属 如何 利 用现有 截面 的特征 尺寸 生成其 曲面实体 是一 个难 点 。
面， 最后 生成 所需 要 的 吊钩
艺、 机床特点等等， 是
一
个综合 性的问题 。 几
种 因素 配 合好 了才 能 够 得 到最好 的加 工结
果 。如 图 ６ 。 （ ） 成 Ｇ代码 ： ５生 将 仿真 检验 正 确 的加 工路 线 生成 加 工 系统 所 能辨认 的 Ｇ
实体 ， 后将 生 成的各 曲面 然
冀 ＃ 窜掰 嗣 辩
一
１ 引 言
（ ） 三维 空 间 内构 造 ２在 吊钩 曲 面 部 分 的 主 线 架 。 对 线 架 进 行 剪 切 ，保 留其
在 众 多 三 维 造 型设 计 软 件 中 ， Ａ Ｃ ＸＡ制 造 工 程 师 由
于其 集 三维 设计 、 拟仿 真 加工 、 生 成 Ｇ代 码等 功 能 虚 自动
加工中心在线测量系统在自由曲面COPY加工中的应用研究
磨削表面形貌仿真及其在机器视觉粗糙度测量中的应用
磨削表面形貌仿真及其在机器视觉粗糙度测量中的应用【磨削表面形貌仿真及其在机器视觉粗糙度测量中的应用】1. 引言磨削是一种常见的金属加工方法，用于改善工件表面的形貌和粗糙度。
粗糙度是描述表面不平整程度的指标，对于很多行业来说都是非常重要的参数。
机器视觉技术的发展为测量粗糙度提供了更加快速和准确的方法。
而磨削表面形貌仿真则为优化磨削过程和预测表面质量提供了有力工具。
本文将以磨削表面形貌仿真及其在机器视觉粗糙度测量中的应用为主题，深度探讨其原理、方法和应用。
2. 磨削表面形貌仿真的原理与方法磨削表面形貌仿真是通过计算机模拟工件在磨削过程中的动态变化，预测并优化磨削结果的一种技术。
它基于磨削力学和磨削过程的理论模型，将磨削过程中的诸多因素纳入考虑，如磨粒、切削液、砂轮和工件之间的相互作用等。
通过对这些参数的模拟与分析，可以预测磨削过程中表面粗糙度和形貌的变化。
3. 磨削表面形貌仿真的应用案例磨削表面形貌仿真在工业界有广泛的应用。
汽车制造行业需要对发动机汽缸盖进行磨削加工，以提高活塞与汽缸的密封性和运动精度。
通过仿真分析磨削工艺参数的优化，可以减少切削力、降低温度和提高表面质量，从而达到减少能耗、提高生产效率和延长零部件寿命的目标。
4. 机器视觉粗糙度测量原理及方法机器视觉粗糙度测量是一种利用计算机视觉技术实现对工件表面粗糙度测量的方法。
它通过采集工件表面图像，利用图像处理算法提取表面特征，并与预先建立的标准模型相匹配，从而得到粗糙度参数。
这种测量方法具有非接触、高效率和高精度等优点，已经广泛应用于汽车、航空航天、电子等领域。
5. 磨削表面形貌仿真在机器视觉粗糙度测量中的应用磨削表面形貌仿真可以为机器视觉粗糙度测量提供重要帮助。
通过在仿真模型中生成不同粗糙度的表面，可以建立反映表面特征与测量结果之间关系的模型。
这些模型可以用于校准和优化机器视觉系统的参数和算法，提高粗糙度测量的准确性和稳定性。
6. 个人观点和理解磨削表面形貌仿真及其在机器视觉粗糙度测量中的应用是一种非常有潜力的技术。
多轴铣削加工表面形貌建模与仿真研究分析
加工表面形貌是由刀具相对于工件的几种运动
被加工面ꎮ 尤其是在多坐标复杂曲面加工中ꎬ为了获
合成作用时ꎬ留在工件表面上的痕迹ꎮ 加工表面的几
得较高的加工精度ꎬ降低加工成本ꎬ选择在加工过程
何形状和纹理( 统称为表面形貌) 根结取决于刀具和
中动态的调整刀具的倾斜角度ꎬ因此引入数控铣削五
工件在切削运动过程中的相互位置关系ꎬ它不仅与具
工中ꎬ即为垂直铣削加工ꎮ 但是在垂直铣削情况下ꎬ
残留高度ꎬ并对平面铣削加工以及圆弧面铣削加工分
球头铣刀顶点处的切削速度为 ０ꎬ即顶点处出现零切
削现象ꎬ导致被加工表面质量差ꎬ刀具磨损严重ꎮ 因
别进行铣削仿真研究ꎬ研究刀具轴线角与进给倾角分
别对表面粗糙度的影响ꎮ
此ꎬ为了避免零切削现象的出现可使刀具轴线倾斜于
根据图 １ 可知曲面的分类ꎬ在考虑刀具偏心的情
备ꎬ铣削ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ一种重要的加工方式ꎮ 机械制造行业的产
况下ꎬ建立多轴铣削加工形貌仿真模型ꎬ推导出多轴
品ꎬ其结构日趋复杂ꎬ精度和性能要求日趋提高ꎮ 目
铣削情况下球头铣刀切削刃上任意一点相对被加工
前ꎬ对于表面形貌的研究及仿真多局限于三轴铣削加
工件的轨迹方程ꎬ建立仿真算法求解被加工工件表面
一点相对被加工工件的轨迹方程ꎬ建立仿真算法求解被加工工件表面残留高度ꎬ并对平面铣削加工以及圆弧面铣削
加工分别进行铣削仿真研究ꎬ研究刀具轴线角、进给倾角分别对表面粗糙度的影响ꎮ 通过提高铣削过程中被加工工
件表面质量ꎬ为开发实用的铣削加工过程物理仿真系统奠定了坚实的基础ꎬ对发展数控加工技术和指导实际生产具
ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ １ ꎬ ＧＵＯ Ｊｉｎｇ ２ ꎬ ＹＡＮＧ Ｙａｎｇ ３
(１.Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｚｈｏｎｇｈｕａｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８０ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
基于DEFROM软件的自由曲面切削加工仿真技术研究
ｇ ｅｒ ｇＭａｅ ａ ［ ］２ ０ ，７ － ６４ ４ ５ ． ｉ ｅ ｎ ｔ ｉｌ Ｊ ． ０８ ３ ５３ ：５ ４ ８ ｎ ｉ ｒｓ ７
［ ］ Ｃ ｒｔ ｏｉ ， ｏ ｖｎｓｎＳ ｕ ｔｎｏ ｃｉ ｆ－ ４ ｈｓａ Ｈ ｒｎ ＢｂＳｅｄｅ．ｉｌ ｉ ｐ ｏ ｉｉ ｎ ｔｇ ｍ ａｏ ｆ ｈ ｒ
中图分类号 ：Ｂ １ Ｔ ３
１ 序言
随着现代工业的飞速发展 ， 虚拟制造技术在机 械制造业正得到越来越广泛的应用。在切削加工过
２ 有 限元模 型
金属切削过程 即是材 料被去除 的过 程。切 削
中， 以一定的切削速度接近工件并进行切削 ， 刀具 切 削层 的金属在切削力 的作用下发生塑性 流动而变 形， 最后形成切屑， 其变形属 于复杂的材料非线性行
第２ 卷 ７
第 １ 期 １
甘肃 科 技
Ｇａｌ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｒ ｕ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄＴ ｃ ｎ ｓ
厶２ ７
Ⅳｏ ｌ ．１
２ １ 年 ６月 ０１
Ｊ ｎ ２ １ ｕ． ０１
基 于 Ｄ Ｆ ＯＭ 软 件 的 自 由 曲面 ＥＲ 切 削加 工 仿 真 技 术 研 究
甘
肃 科
技
第 ２ 卷 ７
图 １ 有 限 元 模 型
３ 研究结果 和讨论
３ １ 曲面 切 削模拟 仿 真的 实现 ．
由于现在的计算机模拟软件如有 限元软 件 Ｄ － Ｅ ＦＲ Ｏ Ｍ只能模拟简单 的直线或旋转等切削路径 ， 来 对试样进行切削加工模 拟。而在实 际生产中， 不可 避免的存在对 自由曲面的切削加工情况 因此 ， 有 必要对 自由曲面的切削加工进行有限元的数值模拟 仿真 ， 来得到 自由曲面切削过程 中的应力分布、 温度 场 的相关数据 ， 从而实 现 自由曲面的加工工艺设计 优化。为了实现这个 目的， 提出了一种可对 自由曲 面切削加工进行仿真韵有效方法。
自由曲面特征造型及其有效性维护的研究
的 自身特点 ， 完成特征类 的定义 ， 并在所构建的几何形状轮廓 曲线 的基础之上 ， 使用扫掠法和蒙皮法技术构造出几何形状原
型 和 最终 的特 征 实 例形 状 。 最后 ， 立 了一 套 自由 曲 面特 征 有 效 性 维护 机制 。 建 关 键 词 自由 曲 面 特 征 ；自由 曲 面特 征 定 义 点 ； 征 参 数 化 ；特征 类 ； 效 性 维 护 特 有
中图分类号 Ｔ ３１ Ｐ ９
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｅ ｆ ｒ ｕ ｆ ｃ ａ ｕ ｅ Ｍ ｏ ｅｌ ｇ ａ ｄ Ｖａ ｉ ｉｙ Ｍ ａ ｔ ｎ ｎ ｅ ｓ ａ ｃ ｎ Ｆｒ ｅ ｏ ｍ Ｓ ｒ ａ ｅ Ｆｅ ｔ ｒ ｄ ｌｉ ｎ ｌ ｔ ｉ ｅ ａ ｃ ｎ ｄ ｎ
哈尔滨 １０８） ５０ ０ （ 哈尔 滨 理 工 大 学计 算 机 科 学 与 技 术 学 院
摘 要
对 ＨＵＳ Ｃ Ｄ（ 尔 滨 理 工 大 学 计 算 机 辅 助 工 业 造 型设 计 ） 统 研 究 的 基 础 之 上 ， Ｔ—ＡＩ 哈 系 引入 自 由 曲 面 特 征 ， 用 运
自由 曲 面 特征 定 义 点 构 建 几 何 形 状 轮 廓 曲线 ， 现 特 征 参 数 化 。其 次 ， 据 特 征 的 分 类 和 参 数 化 ， 合 ＨＵＳ ＡＩ 系 统 实 根 结 ＴＣ Ｄ
Ｋ ｙ Ｗ ｏ ｄ ｆ ｅ ｆ ｒ ｓ ｒａ ｅ ｆ ａ ｕ ｅ ｅ ｒ ｓ ｒ ｅ ｏ ｍ ｕ ｆ ｃ ｅ ｔ ｒ ，ＦＦ ＤＰｓ ａ ａ ｔ ｒｚ ｔ ｎ ｏ ｅ ｔ ｒ ，ｆａ ｕ ｅ ｃａ ｓ ａ ｉ ｉ ｉｔ ｎ ｎ ｅ ，ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｉ ｉ ｆｆ ａ ｕ ｅ ｅ ｔ ｒ ｌ ｓ ，ｖ ｌ ｔ ｍａ ｎ ｅ ａ ｃ ａ ｏ ｄ ｙ
ｇ ｏ ｔ ｙ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ａ ｅ ｏ ｅ ｔ ｒ ｎ ｔ ｎ ｅ ｒ ｖ ｎ ｕ ｌ ｒ ａ ｅ ｓｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ｓｓ ｃ ｓ ｓ ｅ ｉｇ ａ ｄ ｓ ｉ ｎ ｎ ．Ｆ ｎ ｌ ｅ ｍｅ ｒ ｎ ｈ ｈ ｐ ｆｆ ａ ｕ ｅｉ ｓ ａ ｃ ｓｗｅ ｅｅ ｅ ｔ ａ ｌ ｃ ｅ ｔ ｄ ｕ ｉ ｇ ｔ ｃ ｎｑ ｅ ｕ ｈ ａ ｗｅ ｐ ｎ ｎ ｋ ｎ ｉｇ ｙ ｉａｌ ｙ，
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*全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目(项目编号:200231)山东省优秀中青年科学家科研奖励基金资助项目(项目编号:05B S05002)收稿日期:2006年11月自由曲面数控加工表面形貌仿真*赵 军 方文勇 韩式国山东大学摘 要:建立了整体式螺旋刃球头立铣刀和可转位式球头立铣刀的几何刃线模型。
基于自由曲面方程,由矩阵运算得出刃线运动包络面,对球头铣刀加工的表面形貌进行了建模和仿真。
结果表明:加工平面时,刀轴摆角的选择对表面形貌影响较大;而加工自由曲面时,刀轴摆角的变化对表面形貌影响不大。
关键词:球头铣刀, 自由曲面, 表面形貌, 仿真Topography Simu lation of NC Milling of Free -form SurfaceZhao Jun Fang Wenyong Han ShiguoAbstract:The geometric models of both solid bal-l end mill and indexable bal-l end mill are constructed.Based on the models and the free -form surface formula,the moving envelope surface of bal-l end mill is ob tained by means of matrix calculating,the to -pography is modeled and si mulated.The simulation resul ts show that the til t angle of the tool axis has a remarkable influence on the topography in plane milli ng ,while has a minor influence in free -form surface milling.Keywords:bal-l end mill, free -form surface, surface topography, simulation1 引言在航空航天、汽车制造等行业中已越来越多地采用自由曲面模具,且其型面设计日趋复杂,从而对模具加工技术提出了更高要求。
建立自由曲面模具加工表面形貌预测模型,对于合理选择刀具、切削参数及走刀策略,实现模具的高效精密加工具有重要意义。
目前国内外对平面加工表面的预测模型研究较多[1,2],而对曲面加工表面的预测模型研究较少,许多研究都未充分考虑加工过程中球头立铣刀刃线的特殊轮廓对自由曲面微观形貌及粗糙度的影响。
本文通过对球头立铣刀加工表面形貌的建模和仿真,研究了刀轴角度对表面形貌及粗糙度的影响。
2 球头立铣刀的几何建模球头立铣刀的几何模型可分为整体式球头立铣刀和可转位式球头立铣刀两类(见图1)。
(a)整体式球头立铣刀 (b)可转位式球头立铣刀图1 球头立铣刀的几何模型整体式球头立铣刀的刃线是等螺旋角的周刃与S 形球刃的连接(图1a),而球刃是正交螺旋面与球面的交线。
通过联立正交螺旋面方程和球面方程,可得到球刃方程为r =x y z=R si n H cos[tan B (1-cos H )]R sin H sin[tan B (1-cos H )]R (1-cos H )(1)式中 R )))球头半径B )))螺旋角H )))纬线转角为便于计算,将球心设为坐标原点,则式(1)变为r =x y z=R si n H cos[tan B (1-cos H )]R sin H sin[tan B (1-cos H )]-R cos H(2)可转位式球头立铣刀的球刃为球面与刀片前刀面的交线(图1b)。
通过联立前刀面方程和球面方程,得到球刃方程为r =x y z=R sin H1-(1-cos H )2/(sin H cot E )2R sin H (1-cos H )/(sin H cos E )R (1-cos H )(3)式中 E )))刀具的轴向前角为便于计算,将球心设为坐标原点,则式(3)变为r =x y z=R sin H1-(1-cos H )2/(sin H cot E )2R sin H (1-cos H )/(sin H cos E )-R cos H(4)3 刀轴角度的定义及加工刀位轨迹的生成算法球头立铣刀刀轴角度的定义见图2。
图中,刀172007年第41卷l 8具转角X 是指OO 2与X 轴正向的夹角(0b [X <180b );刀具摆角S 是指刀轴OO 1与Z 轴的夹角。
为便于计算和分析,定义当O 2位于第一和第二象限时,S 为负值;当O 2位于第三和第四象限时,S 为正值。
考虑到球头立铣刀外轮廓的特殊性,本文将球头外轮廓与加工自由曲面的对应点相切,进而计算出球头立铣刀球心,再以此球心计算出有效部位的球头立铣刀刀刃,坐标计算图见图3。
球头刃的有效部位是根据O 1点H 角的大小进行调整的;向量r y3是由向量r y1叉乘向量r y得到的。
图2 刀轴角度的定义图3 刀位轨迹坐标计算图4 加工仿真411 参数设置采用Matlab 软件进行加工仿真。
铣刀参数为:直径d =12mm,齿数z =2,球刃后角A =10b ,周刃螺旋角B =30b ,轴向前角(可转位)E =-10b ;加工参数为:主轴转速n =10000r/min,每齿进给量f z =012mm,径向切深a e =012mm 。
采用逆铣法,走刀方向均为平行于x 轴的交错逆向进给,径向进给均沿y 轴正向。
加工对象为平面和二次NURBS 曲面,网格大小均为:d x @d y =0101mm @0101mm 。
412 仿真结果及讨论在转角X 和摆角S 均为0b (即刀轴垂直于加工平面)的情况下,采用整体式球头立铣刀加工平面时的仿真表面形貌见图4。
由图可见,表面形貌并不理想,且残留高度值很大。
这是因为加工中的有效切削刃部分位于球头立铣刀两切削刃相交的端点附近,此处切削刃的线速度接近于0,因此球刃不能进行有效切削。
图4 平面加工形貌仿真图5和图6分别为刀轴转角X 和摆角S 分别取45b 和5b 时平面及二次NURBS 曲面的加工形貌仿真结果。
从图5和图6可以看出,平面与自由曲面加工的表面形貌比较相似,呈四周高出的盆地状。
产生这种形貌的原因是当采用一定的摆角和转角进行加工时,两条切削刃的有效切削部分的作用时间有一定间隔,导致规律性地出现部分工件表面不能被有效切除。
仿真结果表明:(1)在平面加工中,当摆角S 的绝对值大于2b 时,其表面形貌基本上与图5相同,变化不大;只有图5 平面加工形貌仿真结果18工具技术图6 自由曲面加工形貌仿真结果在S 的绝对值小于1b 时,才会呈现图4所示的表面形貌。
(2)在自由曲面加工中,由于自由曲面本身轮廓不规则,复杂多变,其表面形貌基本上与图6相同,变化不大,不会出现图4所示的表面形貌。
(3)无论是平面加工还是自由曲面加工,采用整体式球头立铣刀和可转位式球头立铣刀的仿真表面形貌基本一致。
当刀轴转角X 取5b ,摆角S 在-60b ~60b 区间,仿真得到的表面粗糙度结果见图7。
R a1、R y1和R a 2、R y2分别为整体式和可转位式球头立铣刀加工表面的轮廓算术平均偏差和轮廓最大高度。
图7 摆角对表面粗糙度的影响仿真结果表明:(1)自由曲面加工的工件表面粗糙度普遍大于平面加工的粗糙度。
这是由于自由曲面的轮廓复杂多变,加之球头立铣刀的特殊轮廓外形,使球头立铣刀的有效切削刃部分无法均匀地切除工件表面,造成残留表面高度比平面加工时大。
(2)平面加工时,摆角S 在-2b ~2b 区间时工件表面粗糙度突然增大,而自由曲面加工则无此现象。
这是因为在此区间,球头立铣刀球头端附近刀刃是主要的有效切削刃,其线速度几乎为0,无法有效切除的部分较多,造成残留高度较大。
因此在实际加工中,应尽量避免将球头端附近切削刃作为参与切削的主要部分。
而在自由曲面加工中,自由曲面的轮廓复杂多变且不规则,球头立铣刀的有效切削部分经常变动,所以没有出现这种情况。
5 结语本文较完整地建立了球头立铣刀几何刃线模型,并在完善自由曲面模型的基础上,充分考虑了球头立铣刀刃线的特殊轮廓在加工中对自由曲面复杂轮廓的影响。
运用该模型对采用不同刀轴摆角加工平面和自由曲面的表面形貌及表面粗糙度进行了仿真。
该模型采用了模块化编程方法,具有较好的可扩充性,能更进一步综合考虑刀具磨损和加工中的振动等因素的影响。
参考文献1 J S Chen,Y K Huang,M S Chen.A study of the surface sca-l lop generating mechani sm in the bal-l end milling process.In t.J.Mach.Tools &Manuf.,2005,45:1077~10842 A Antoniadis,C Savakis,N Bilalis et al .Prediction of surface topography and roughness in bal -l end milling.Int.J.Adv.Manuf.Technol.,2003,21:965~971第一作者:赵 军,工学博士,教授,博士生导师,山东大学机械工程学院,250061济南市山特维克可乐满设立汽车业应用中心山特维克可乐满在德国斯图加特专为全球汽车业而设立的新应用中心于2007年中启用。
新中心的经理Stefan Scherbarth 解释说,随着新款车型的寿命周期不断缩短,汽车制造商及其供货商都面临沉重的压力。
他指出,/过去,一款新车型能维持大约10年。
现在,能有3年就显得老了。
要在竞争中居于领先,加强汽车性能的新技术与新材料就显得越来越重要。
不断上涨的汽油价格和严格的环境法规为制造商带来了更多的压力,使他们不得不改用最新技术。
0通过这个应用中心,山特维克可乐满运用专门的研发资源,与汽车业客户就未来的优先项目直接合作。
Scherbarth 表示,/这将是一项重大改进。
我们将更加贴近客户,使工作更有效率,并针对他们的需求更快做出反应。
这也给予我们一次机会,与各研发部门、大学、材料供货商以及MTM 合作伙伴一起,共同在制造技术领域的最前沿携手合作。
0Scherbarth 继续说,/我们希望加强伙伴合作的工作方式,与他们一起开发创新性的解决方案,以提高他们的生产效率。
目前从关键客户那里获得的初步反馈是肯定的。
他们表示这正是他们将来所需要的。
0192007年第41卷l 8。