基于环形铣刀切削的复杂曲面五轴精密加工关键技术及理论研究

How to realize multi-axis efficient precision CNC machining of complex surface parts has become the current urgent need to study the subject in the field of CNC technology. A great deal of research has been conducted to ball-end milling cutter,while little interests on toroid-end cutter. Duo to the unique advantages,such as high machining effciency,high machining quality, being suitable for five-axis machining of complex surface, the toroid-end cutter has already become an impotant cutter in multi-axis machining.In this paper, the key techniques and theories for five-axis high precision machining of complex surface with a toroid-end cutter will be studied.A new method - adaptively sampled distance fields will be used to calculate cutter workpiece engagement and detect whether there is a collision between the cutter and workpiece. In addition, prediction of cutting force and analysis of dynamic behaviour for five-axis machining of complex surface, and planning of tool path based on integrated cutting force model, etc. will be investigated in this paper.This study will provide the core theory and key technology for integration of design, measuring and machining, and It has a great significance to develop precision multi-axis high-speed machining CNC machine tools of china and to enhance innovative design level of China's equipment manufacturing industry.

如何实现复杂曲面多轴精密加工已成为当前数控技术领域迫切需要解决的课题。目前，有关精密加工的研究大都针对球头铣刀，而非球头铣刀的多轴加工还未形成成熟的理论和技术体系。环形铣刀作为典型非球头铣刀，具有加工效率高，加工质量好等优点，在复杂曲面多轴加工中有很好的应用前景。为此，本课题拟对"基于环形铣刀切削的复杂曲面精密五轴加工关键技术和理论"进行系统深入的研究，内容包括切削几何建模、切削力预测、工艺系统动态分析、基于切削力集成的刀具路径优化设计、刀具与工件干涉碰撞检测等技术。课题首次将自适应采样距离场ADFs技术引入到几何建模和干涉碰撞检测中，相比于传统技术，该技术具有消耗内存小、计算速度快等优点。本项目将填补非球头铣刀加工的研究空白，为未来"设计-测量-加工"一体化提供核心理论和关键技术，对研制我国拥有自主知识产权的精密多轴高速数控机床及提升我国装备制造业的自主创新能力具有重要现实意义。

当前在航空航天、军事工业、汽车零部件和模具制造中包含了大量复杂曲面零件的加工，针对复杂曲面零件高效、高质量加工要求，五轴数控加工无疑是满足这类要求的有效手段。本项目以复杂曲面的五轴数控加工为研究对象，以环形铣刀为切削刀具，分别在以下几个方面进行了研究：（一）五轴加工的切削几何建模 根据多轴切削力模型可知，确定加工过程中瞬时切屑厚度和刀刃的切触长度是切削力计算的关键，因此本目主要针对瞬时的切屑厚度和切削刃切触长度几何建模进行了研究。首先推导出五轴加工过程中切削刃真实的运动轨迹方程，然后根据相邻两个切削刃的运动轨迹方程确定出在切削区域内任意时刻的切屑厚度；加工过程中任意时刻的切削刃切触长度是分别通过刀刃的最低切触点和最高切触点而得到的。最低切触点由刀具的包络运动理论确定，最高切触点则通过工件曲面与瞬时的刀刃曲线相交运算而得到。与传统的切削几何建模方法相比，本项目所采用的方法具有更高的精度和效率。为了验证方法的正确性和有效性，将瞬时的切屑厚度模型和有效的切削刃长度模型应用于切削力的预测模型中，并将仿真结果与实际切削力测试结果进行比较，结果表明提出的算法和方法均是正确和有效的。（二）五轴加工刀具路径规划和全局干涉检测研究 项目研究了一种基于包络运动的刀具路径规划方法及基于密切面的插补技术。为了提高干涉检测精度和效率，研究了一种基于极值平面的干涉检测区域建立方法，并应用四面约束法来筛选有效干涉检测点，通过计算检测点与刀轴之间的距离来判断是否有干涉发生。利用Matlab软件对上述算法进行了计算仿真，并通过加工仿真软件VERICUT进行了加工仿真，结果表明计算结果与加工仿真具有较好的一致性。（三）五轴加工切削稳定性研究 建立了五轴加工动力学模型，分别研究了基于GEAR、BULL以及Adams等技术的切削稳定性预测方法，获得了相应的切削稳定性叶瓣图，并通过实验和仿真对预测精度和计算效率进行了对比，结果表明项目采用的技术均具有较高的预测精度和计算效率。项目研究成果为实现高效高精密多轴加工提供了理论基础和技术支撑，具有重要的科学和工程意义。