第1章绪论
1.1课题的背景和意义
模具高速铣削技术的发展高速切削，也称为超高速切削(Ultra-HighSpeedMachining)是指在比常规切削速度高出很多的速度(一般为常规切削速度的5-10倍)下进行的切削加工。高速切削加工是一个复杂的系统过程，涉及机床、刀具、工件、加工工艺过程参数及切削机理等诸多方面。高速切削理论被德国物理学家萨洛蒙博士提出以来，受到了广泛的关注。美国、前苏联、法国和日本等众多学者经过长时间的探索和研究，在高速切削机理、高速切削加工机床与刀具的研究和开发方面取得了很大的进步，并将其运用到航空航天、汽车、模具制造业中。数控高速切削加工集高效、优质、低耗等特点，成为模具制造业中最为重要的先进制造技术。与传统的切削加工相比，其切削速度、进给速度和切削机理发生了本质性的飞跃。单位功率的金属切除率提高了30%-40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，切削热大幅度下降，低阶切削振动几乎消失。
由于采用模具高速切削技术可以明显提高模具生产效率和模具精度及使用寿命，故被国外模具制造业普遍采用并逐渐取代电火花精密加工，成为模具制造的大趋势。但是高速切削技术在模具生产中应用时间比较短，并且在使用中技术要求比较高，其核心技术在我国大部分模具生产企业并不能充分发挥其优势。随着科学技术的发展和科研水平的提高，越来越多的学者将目光投向于高速切削机理、高速切削模具的机床及刀具和高速切削模具的工艺技术等方面。基于目前国内外模具加工的情况来看，模具加工的工艺技术在很大程度上制约了高速切削技术在模具加工中的应用。首先，高速加工投入到实际生产的时间比较短，目前还没有形成较为系统的、成熟的工艺体系和标准:其次，需要投入大量的资金进行高速切削工艺试验，且试验时间较长。众多学者对高速切削模具工艺技术的研究主要集中于刀具路径规划及编程两方面，对于刀具路径的优化包括对刀具路径、刀具位姿、进刀方式以及进给量的分析，获得优化算法以减少刀具路径条数及总路径长度等。高速加工模具工艺处理因遵循以下原则：在精加工过程中，刀具直径越小，材料硬度越大，切削速度越低;
1.1.2模具曲面加工技术的概述
自由曲面，也称为复杂曲面，已广泛应用于航天、汽车、零件产品以及模具工业，为了满足客户的审美或者实现产品的特定功能要求而设计不同的曲面。所谓自由曲面是指那些不能用初等解析函数完全清楚地表达全部形状，而是以复杂方式自由变化的曲面。通常描述曲线曲面的方法有贝齐尔法(Bezier)、B样条法和非均匀有理B样条法(NURBS)。贝齐尔法是一种通过控制多边形定义曲线的方法，它可以通过修改曲线的形状满足客户的要求，基本解决了曲线曲面整体形状的控制问题，如图1.1。贝齐尔法简单易用，能够整体表达曲线曲面的特性，但是对于描述曲线曲面局部性质和复杂形状的连接问题具有一定得局限性。B样条方法兼具了贝齐尔法的一切优点，有效地解决了局部控制问题，具有表示与涉及自由型曲线曲面的强大功能，但是不适用于圆锥截线及初定解析曲面的描述。
随着曲线曲面理论的不断完善和数控编程技术的不断进步，非均匀有理B样条，即NURBS(non-unifororationa1B-:pline)曲线逐渐得到了广泛的应用。NURBS曲线可以通过升阶等算法将不同阶次的连续曲线组合，用同一个数学方程描述，有效地反映控制顶点的分布特点，解决型值点分布不均的情况。
1.2刀具路径规划研究现状
刀具路径规划是自由曲面加工的核心技术之一。规划刀具路径的目的是根据不同加工阶段的要求采用不同的加工方法，用最少的加工时间实现最佳加工质量。理想的刀具路径应在整个曲面产生均匀分布的残留高度。残留高度越小，表面的加工精度越高，需要的加工时间越长，加工效率相对较低;增大残留高度可以有效地减少加工时间，但是表面精度相对较低。现阶段对刀具路径规划的研究主要集中在研究路径的拓扑结构和路径参数两个方面，刀具的切削方式决定了路径的拓扑结构，路径参数由连续的切削路径和刀具在前一步的切削参数确定。因此，刀具路径规划的问题转化为以下几个方面:1、对刀具的切削方式和切削方向的研究;2、对产生刀具轨迹的曲面特殊点的优化;3、对产生局部干涉或全局干干涉的检查。
第2章超环面铣刀几何模型及曲面特性分析
铣削是指用旋转的多刃刀具加工工件。铣削过程分两种工作方式:1、刀具旋转做主运动，工件移动做进给运动;2、工件固定，刀具同时作旋转和移动，完成主运动和进给运动。铣削作为一种高效率的加工方法，适用于加工平面、沟槽、成形面(如花键、齿轮和螺纹)和模具的特殊形面等。在铣削加工中，切削速度为铣刀刀刃的圆周速度，铣刀连续旋转，所以能够比较容易实现高精度的高速铣削。高速铣削传统的方法是用球头铣刀进行三轴加工，球头铣刀的有效刀刃角范围较大(可达180“)，可以加工有严格变化曲率的切削面或复杂曲面。但球头刀底部中心的切削速度接近于零，且其切削刃在不同位置处的切削速度不同，影响切削加工的加工效率和表面质量〔侧。另外，在五轴加工中球头刀的刀具姿态不能根据待加工曲面的局部形状而改变，应用比较局限。平头立铣刀可以通过改变其刀轴倾角获得较大的有效切削半径，因而在五轴加工中应用比较广泛「司。但是平头刀的切削刃是刀具的端面与侧面的交界边缘线，切削时刀刃易于磨损，为了取得较好的表面质量，需要对主轴的转速和刀具齿数有特定的要求，且加工时间较长。本文着重研究超环面铣刀在五轴加工中的应用。
第3章 基于MPF法超环面铣刀路................ 33-46
3.1 五轴加工中带宽的计算 ................33-35
3.2 加工势场域MPF分析被................ 35-36
3.3 确定最优的初始刀具轨迹................ 36-38
3.4 刀具路径的生成 ................38-40
3.5 迭代法生成刀具路径................ 40-41
3.6 实验仿真................ 41-45
3.7 本章小结 ................45-46
第4章 基于扫掠包络面法刀具位姿优化................ 46-57
4.1 五轴加工中超环面铣刀运动描述 ................46-48
4.2 刀具的扫掠包络面................ 48-49
4.3 超环面铣刀干涉现象分析................ 49-52
4.3.1 曲率干涉扫掠轮廓线 ................49-50
4.3.2 刀底干涉扫掠轮廓线................ 50-51
4.3.3 侧刃干涉和刀杆干涉................ 51-52
4.4 无干涉刀具位姿优化 ................52-53
4.5 实验仿真................ 53-55
4.6 本章小结 ................55-57
结论
1、提出了一种基于势场法的刀具轨迹规划算法，其主要特点是根据曲面局部几何特征对曲面进行势场域划分，针对势场域各自特点确定最优的切削方向和最大的加工带宽，进而确定最优的初始刀具轨迹，并将离散的刀触点进行迭代生成相邻刀具轨迹，从而获得整个曲面的刀具路径。该方法充分考虑了刀具曲面和待加工曲面的局部几何特征，通过MATLAB软件进行刀具轨迹仿真运算，与传统的等参数线法生成的刀具轨迹相比，大大减少了刀具路径条数和总长度，提高了加工效率，发挥了五轴数控加工的优点
2、在势场法规划刀具路径的基础上，进一步研究了刀具在曲面加工中的姿态。由超环面铣刀在五轴数控加工中的铣削状态，分析了其高速运转下的扫掠包络面，确定超环面铣刀的扫掠轮廓线，进而推出了常规干涉情况的发生条件，当密切平面上刀具扫掠轮廓线与曲面曲率匹配时获得无干涉条件下最优的刀具位姿。另外，对于干涉现象的发生，本文方法仅需要讨论扫掠轮廓线和加工曲面的关系，相对于传统的面一面(刀具曲面和加工曲面)检查相比，大大简化了计算程序，提高了运算速度，进行充分发挥超环面铣刀铣削复杂曲面的优点。从MATLAB计算的加工带宽数据及对应的刀轴倾角和切削方向中可以看出本文采用的方法能够有效地避免干涉，获得最优的刀具位姿，符合实际数控加工要求。
参考文献
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