复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法

 针对复杂曲面零件五轴加工中刀轴矢量变化剧烈、严重影响工件表面加工质量的问题,提出一种基于临界约束的五轴刀轴矢量整体优化方法。首先,构造了给定切触点处所有可行摆刀平面,并在摆刀平面内根据临界约束计算出临界刀轴矢量,在获得临界刀轴矢量的基础上,对其进行平面映射,建立了刀轴摆动的初始可行域;其次,通过对初始可行域进行均匀离散,根据离散点之间相对位置关系构造邻接矩阵,并结合最短路径搜索算法获得了初始参考刀轴,从而构造了新的刀轴摆动可行域;最后,建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型,实现自由曲面五轴加工无干涉刀轴矢量的光滑控制。两种自由曲面叶轮的加工算例分析表明,采用本文方法获得的刀轴矢量可以明显改善机床的运动性能,避免了刀具干涉的产生,可提高复杂曲面零件的加工质量与效率。     

工艺参数对砂布轮柔性抛光力影响规律的分析

为了掌握砂布轮抛光工艺参数对抛光力的影响规律,提高抛光质量,设计了四因素三水平正交试验,利用试验结果建立了抛光力预测模型,验证了模型的显著性;分析了工艺参数对抛光力耦合影响规律,结果表明：抛光力随砂布轮初始半径和粒度的减小而增大,随转速和压缩量的增大而增大;对叶片进气边的抛光实验效果表明：通过控制压缩量可以获得稳定的抛光力,进而获得理想的抛光效果。     

整体叶盘弹性磨具抛光轨迹关键规划方法

为使得弹性磨具(砂布轮)在抛光中和叶片型面有效切合,提高抛光质量和抛光效率,研究了弹性磨具抛光轨迹规划方法,给出了抛光行距、抛光步长、刀轴矢量的计算方法。该抛光轨迹规划方法使得柔性主轴机构在抛光过程中保持合理的位姿,确保弹性磨具不仅与叶片型面有效贴合,而且使得弹性磨具抛光力方向与抛光点位法矢方向基本一致。试验结果表明:抛光后叶片表面粗糙度小于0.4μm,叶型轮廓度在公差范围内,能够满足整体叶盘叶片型面抛光要求。     

砂布轮柔性抛光力的建模与参数优化

砂布轮柔性较大可以实现航空发动机叶片微面切触自适应抛光,提高叶片表面完整性和力学性能。抛光力是影响抛光表面完整性的关键参数,通过单因素试验分析确定了砂布轮抛光力的影响参数及其影响规律,通过正交试验和极差法确定了影响抛光力的主要参数是砂布轮的压缩量和转速;利用二元二次回归正交试验得出了抛光力的预测模型,利用该模型分析了抛光力预测误差变化趋势,明确了不同转速下抛光力主要影响参数的稳定域;整体叶盘的抛光试验表明：通过合理控制抛光力,可以实现表面粗糙度小于0.4 μm的抛光效果,且效率比人工提高20%。     

一种机器人砂带磨削的路径规划方法(英文)

机器人砂带磨削系统具有弹性接触和宽行加工两个显著优点,被广泛应用在具有复杂工件的终加工领域,提高表面质量和加工效率。有关在曲率约束下的磨削路径规划研究较为少见。由于工件与接触轮之间存在复杂的弹性接触,因此,机器人磨削路径可以利用接触运动学的一般方法来求解。机器人砂带磨削过程且需要满足一般的砂带磨削工艺要求,其中最重要的是保证接触轮与工件的局部几何特征贴合。在曲率较小的局部,相邻刀位点的弧长加大,以保证加工效率。相反地,在曲率较大的局部,相邻刀位点的弧长较小,以保证加工精度。利用一系列平面与目标曲面相截,得到相应的截平面的轮廓曲线。对于任意一条轮廓线,优化相邻刀位点之间的弧长,在曲率较大的局部增加一个中间刀位点。本文提出了一种包含弧长优化和主曲率匹配的磨削路径生产方法,通过离线仿真验证了有效性,并利用该方法提高了曲面的磨削质量。该路径规划方法为生成光顺且精确的机器人曲面磨削路径提供了理论依据。     

复杂曲面加工刀轴矢量优化研究

本文对某复杂曲面的多轴数控加工刀轨进行了研究,针对该曲面的特征,采用可变轮廓铣策略;优化刀轴矢量,实现在曲面切削时,刀具的切削点到刀轴的投影距离最大,从而实现最大切削速度,提高表面质量。本文构建了切削过程的刀轴矢量变化模型,最终完成刀轴矢量旋转角的优化。经验证采用该策略及模型能获得较高的表面质量和精度,达到设计和精度要求。     

面向叶片型面的五轴联动柔性数控砂带抛光技术

针对叶片型面抛光,在分析五轴联动数控砂带抛光可行性的基础上,设计并开发了五轴联动柔性数控砂带抛光机。提出了接触轮与叶片型面有效贴合的概念,并通过改善抛光工具、采用柔性抛光技术和控制抛光轴矢量来实现砂带与叶片型面的有效贴合。抛光轴矢量由抛光位点处法矢和接触轮进给矢量计算获得,既实现了砂带与叶片型面的有效贴合,而且满足抛光轮接触压力方向与柔性机构收缩方向基本一致的要求。抛光轨迹规划采用等参数线法,抛光行距根据抛光带宽确定。最后进行抛光实验,结果为精抛后粗糙度达到0.25~0.39μm,抛光前后叶型轮廓度变化0.007mm,抛光去除量在0.010~0.016mm之间,满足图纸要求。通过实验表明,五轴联动数控砂带抛光叶片型面可行,采用本文所述技术能够满足叶片型面抛光要求。     

自由曲面叶轮的四坐标数控加工研究

 针对自由曲面叶轮的四坐标加工，提出了一种刀轴矢量的确定方法。给定工作台倾斜角度和刀具后跟角，四坐标加工的刀轴矢量必然位于这两个角度确定的两个圆锥面上。通过对两个圆锥面求交并结合叶轮加工的实际特点，给出了自由曲面叶轮四坐标加工刀轴矢量的计算方法。根据得到的刀轴矢量，计算相应的侧偏角，从而可将五坐标加工的理论和方法直接应用于四坐标加工中。算例表明，该方法合理可行，能够有效提高四坐标加工效率、降低叶轮加工成本，并可推广至一般曲面的四坐标加工以及五轴四联动加工。     

叶轮四坐标数控加工中刀轴矢量的计算

对于任意曲面叶轮的四坐标加工，提出了一种计算刀轴矢量的方法。由于四坐标铣床自由度的限制，根据曲面上接触点的几何量计算出的刀轴矢量，不一定能在四坐标系床上实现。以四坐标铣床的主轴位置为初始刀轴矢量，以倾斜工作台的法矢量为旋转轴，形成一组刀位矢量，这些矢量组成一个锥形面；在这组矢量中，求出与由曲面几何量计算出的刀轴矢量最相近的矢量，并且使刀具处于该刀轴矢量时与叶片不发生干涉，将这个矢量作为最终的刀轴矢量。     

自由曲面侧铣刀具轮廓与轨迹同步优化方法

针对自由曲面侧铣加工中轨迹规划困难、加工精度难保证等问题，提出了一种自由曲线母线类刀具的外形轮廓设计方法。该方法在优化刀具轮廓的同时，充分考虑了加工过程中的工件精度和刀轴光顺性问题，实现了自由曲线母线类刀具的形状设计和对应侧铣加工轨迹的生成。首先，通过分别定义刀具轮廓母线和刀轴轨迹面实现对刀具形状和侧铣加工轨迹的表达，并由此计算切削行上刀具工件干涉量来评价加工误差，以刀轴轨迹面能量评价刀轴光顺性，建立了基于加工误差和刀轴光顺性的刀具轮廓与加工轨迹的同步优化模型；其次，为实现对同步优化模型的求解，给出了基于序列逼近法的求解策略，以及优化初值中刀轴轨迹面控制参数和刀具轮廓控制参数获取方法；最后，分别通过加工轨迹规划实验和刀具轮廓设计实验，验证了本文算法在在自由曲面四轴侧铣加工刀具轮廓设计与加工轨迹优化中的正确性及有效性。研究成果为提高自由曲面类零件侧铣加工精度、实现侧铣加工刀具轮廓设计及侧铣加工轨迹规划提供了一种有效的方法和手段。     

面向表面粗糙度的砂布轮抛光工艺参数区间优化

针对砂布轮抛光表面粗糙度工艺控制,提出了工艺参数稳定域和优选区间的概念;通过砂布轮抛光TC11叶片试件的正交试验,建立了表面粗糙度对工艺参数灵敏度的数学模型,分析了工艺参数区间敏感性,获得了工艺参数的稳定域和非稳定域;根据工艺参数对表面粗糙度影响趋势图,得到了工艺参数的优选区间;通过航空发动机叶片抛光试验证明工艺参数优选区间是可靠的,为砂布轮叶片抛光工艺以及进行表面粗糙度控制研究提供理论方法和试验依据。     

钛合金TC4的超硬磨料柔性抛光轮数控抛光试验研究

航空发动机叶片钛合金材料在数控磨抛加工中容易发生烧伤及黏附现象,针对常用的TC4材料开展了超硬磨料柔性抛光轮数控抛光试验研究。分析了超硬磨料柔性抛光轮抛光参数中转速、进给速度、预压量及行距对抛光去除深度及抛光后试件表面粗糙度的影响规律并通过正交试验分析了各抛光参数影响的主次关系。确认了钛合金试件抛光表面黏附物质成分,并同时分析了表面黏附物的形成原理。给出了TC4钛合金材料在超硬磨料柔性抛光轮数控抛光过程中工艺参数的选择策略,为TC4材料的航空发动机叶片和整体叶盘在超硬磨料柔性抛光轮数控抛光过程中提供理论依据和技术基础。     

自由曲面结构磁性抛光去除试验研究

磁性抛光因柔性工具的工件表面适应性高而具有较好的应用潜力。自行设计抛光工具头,制备磁性抛光体,搭建试验平台,并对不锈钢平面工件进行定点抛光试验,平均去除效率为0.231μm/10min,且工件表面质量得到了很大的改善,验证了该磁性抛光方法的可行性。继而对两种自由曲面结构工件进行抛光:一是采用工具头水平移动式、工具头等高线移动式两种不同的抛光进给运动方式对不同曲率的不锈钢工件进行抛光去除试验,试验证明:两种抛光方式对每个曲率的轮廓均有去除能力,去除量在0.14~1.33μm之间;二是对3D打印的光敏树脂微结构自由曲面定点抛光,单位时间去除效率在8.957~12.587μm/10min之间,且改善了轮廓的光滑度。初步试验表明,磁性抛光方法对两种自由曲面结构均有一定的去除能力,可进一步探索磁性抛光技术应用于自由曲面结构确定性抛光。     

基于剃齿啮合传动特性的剃齿刀优化设计

针对剃齿齿形“中凹”误差问题,构建了剃齿啮合分析模型,研究不同重合度对剃齿啮合传动特性的影响,以此提出一种剃齿刀优化设计方法。通过剃齿试验得出不同重合度的剃齿啮合传动特性对齿形“中凹”误差的影响规律,从而验证剃齿刀优化设计方法的正确性。结果表明 :适当的增大重合度能一定程度上减小剃齿啮合传动误差和瞬时传动比的曲线幅值,但继续增大会导致曲线局部振荡,使得传动更加不平稳,形成明显的齿形“中凹”误差;不同重合度的剃齿啮合状态引起的接触变形才是影响剃齿传动性能的主要因素;剃齿啮合传动性能越好,工件齿轮形状偏差及总偏差也越小;基于剃齿啮合传动特性的剃齿刀优化设计能有效地减小齿形“中凹”误差。      

自由曲面光学元件检测方法研究

本文提出了一种通过检测数据重构自由曲面进行面形误差计算的方法。首先,通过轮廓检测设备,采用回转法测量自由曲面光学元件得到测量数据,然后,利用matlab进行重构算法实现,插值计算得到面形误差。最后,通过测量标准球面,将计算结果与激光干涉仪的结果进行对比试验,面形PV值符合,验证了该方法的有效性,为以后进行自由曲面磨抛加工提供了依据。     

多光谱CVD硫化锌材料的磨削去除机理

为了探究红外光学材料多光谱CVD硫化锌的磨削加工去除机理,对抛光后的多光谱CVD硫化锌材料进行显微压痕和金刚石单颗粒刻划实验研究,并采用金刚石砂轮对材料进行磨削加工。实验研究表明,多光谱CVD硫化锌材料在机械去除过程中出现了弹性和塑性变形现象,萌生的裂纹和破碎主要沿晶界、刻划方向、磨削纹理方向扩展,小的压力可抑制裂纹的萌生和扩展,采用尖头金刚石颗粒可获得破碎和裂纹更少的表面,采用垂直磨削法,磨削后形成了自中心至外缘呈周期性、散射状的磨削纹理。本研究可为多光谱CVD硫化锌红外透镜的精密、超精密加工提供技术依据。