面向数控宽行加工的自由曲面平滑设计理论研究

用环面刀具、磨具等复杂工具实现复杂自由曲面的数控宽行包络加工是叶片等关键功能零件加工的重要技术途径和发展方向，但自由曲面本身的几何结构不光顺、曲率不平滑将对加工精度和加工效率的提高构成严重障碍。现有曲面光顺理论和算法只考虑到曲面的美学和物理学功能，没有定量地考虑数控加工对曲面光顺性和曲率平滑性要求，不能满足高效率、高精度、低成本制造的客观要求。本项目拟将传统的曲面光顺理论拓展到面向宽行包络数控加工的自由曲面平滑设计领域，通过引入面向数控加工的自由曲面平滑性量化评价指标和评价方法，构建曲面全局平滑设计和局部平滑设计的数学模型，研究和完善稳定的求解策略，最终达到建立面向自由曲面宽行加工的平滑设计新理论之目的。该理论的建立将丰富和发展本课题组前期提出的广义包络理论和宽行加工方法，并为建立具有我国特色的复杂曲面设计和高效高精度加工的理论体系奠定必要的理论基础。

使用环面刀具加工复杂自由曲面类零件（如航空发动机叶片）时，曲面本身的几何不平滑性严重影响加工精度和加工效率。传统曲面光顺理论未定量地考虑数控加工对曲面光顺性和曲率平滑性要求。本项目以数控加工为应用目标，针对现有曲面光顺理论未考虑数控加工要求的问题，展开了面向数控加工的自由曲面平滑设计目标函数、优化方法及曲面平滑性量化评价指标研究，提出了面向数控加工的曲线曲面平滑设计数学模型，实现了曲线、曲面平滑优化求解方法，建立了面向自由曲面宽行加工的平滑设计新方法。在本项目提出的曲线曲面平滑设计模型中，刀具沿加工轨迹运动的加速度及其变化率是平滑性的核心量化指标，起到关键作用。新方法的建立丰富和发展了本课题组前期针对航空发动机叶片加工提出的广义包络理论和宽行加工方法。