CN101187951A - 超精密车削刀具选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超精密加工、复杂零件制造技术领域，涉及一种超精密车削刀具选择方法，包括下列步骤：采用旋转截面分析法或根据加工表面的几何形状，选择多条加工表面的截面曲线；求解并利用截面曲线法向量，求解加工各个曲线的最小刀刃圆弧弧度值；查找各个曲线的凹陷区域，并使用圆拟合的方法对凹陷区域的半径进行求解，得到各个曲线的最大刀刃圆弧半径值；对各个截面曲线的最小刀刃圆弧弧度值和最大刀刃圆弧半径值分别进行比较，根据其中最大的最小刀刃圆弧弧度值，确定所要选择刀具的刀刃圆弧弧度，根据其中最小的最大刀刃圆弧半径值，确定所要选择刀具的刀刃圆弧半径；选择刀具。采用本发明提供的刀具选择方法，能够降低或避免由刀具选择不当带来的加工干涉的问题。
Description
技术领域
本发明属于超精密及微加工技术领域，涉及一种超精密加工刀具的选择方法。
背景技术
近些年来发展起来的超精密及微加工技术有极强的辐射作用，广泛应用在各个领域的超精密及微小关键器件的制造中，如生物医疗、航空航天、国防、光学、通讯、微电子等领域。它的每一项应用技术的开发都会在一定程度上带来应用领域新的飞跃，从而促进产品的更新换代。鉴于这些原因，国外对我国采取严格的技术封锁，核心技术完全保密。
在机械加工中，加工的干涉问题将导致被加工件形状的破坏，甚至造成金刚石刀具的破损和降低机床本身的加工精度。因此，从车床安全操作和提高加工精度的角度考虑，正确设计加工路径避免发生干涉作用是非常重要的。除此之外，对于复杂自由曲面加工来说，根据加工形貌选择正确的加工刀具也是非常必要的，因为，如果最初的刀具参数根本满足不了复杂曲面的形貌需求，无论如何进行加工路径的优化设计，干涉现象的发生也是在所难免的。从这个意义上来说，在一次超精密加工过程中，进行正确的刀具选择应该是首要完成的任务。
发明内容
本发明的目的在于从刀具的选用方面提出一种降低或避免超精密车削干涉作用的方法，该方法综合考虑了加工曲面的形貌特征，能保证刀具最大限度地能符合曲面特征，适用于自由曲面超精密加工的刀具选择。
为此本发明采用如下的技术方案：一种超精密车削刀具选择方法，包括下列步骤：(1)采用旋转截面分析法或根据加工表面的几何形状，选择一条或一条以上加工表面的截面曲线；
(2)分别确定所选择各条截面曲线的曲线方程；
(3)对各个曲线方程，分别求解并利用截面曲线法向量，求解加工各个曲线的最小刀刃圆弧弧度值；
(4)查找各个曲线的凹陷区域，并使用圆拟合的方法对凹陷区域的半径进行求解，得到各个曲线的最大刀刃圆弧半径值；
(5)对执行(2)至(4)步骤所得到的各个截面曲线的最小刀刃圆弧弧度值和最大刀刃圆弧半径值分别进行比较，根据其中最大的最小刀刃圆弧弧度值，确定所要选择刀具的刀刃圆弧弧度，根据其中最小的最大刀刃圆弧半径值，确定所要选择刀具的刀刃圆弧半径；
(6)根据步骤(5)确定的刀刃圆弧弧度和刀刃圆弧半径，选择刀具。
上述的超精密车削刀具选择方法，步骤(3)可以按下列方法执行：对每条曲线，参数化方程求导规则，求解曲线方程的导数；遍历曲线上各个加工点，求解各个加工点的法向量及其与加工主轴的夹角，对所求得的各个夹角进行比较，得到夹角最大值，该值即是该加工曲线的最小刀刃圆弧弧度值。
步骤(4)可以按下列方法执行：对每条曲线，采用曲线法线和加工主轴的夹角值的余弦值进行凹陷区域查找，遍历整条曲线，对所确定的各个凹陷区域的数据进行圆拟合，确定各个凹陷区域的半径；比较所确定的各个凹陷区域的半径，找到其最大值，该值即是该曲线的最大刀刃圆弧半径值。
可以根据下列步骤确定凹陷区域：
(1)规定曲线法线和z轴正向夹角值的余弦的符号；
(2)求解整条曲线的余弦值，并对所有余弦值顺序进行查找判断；
(3)当余弦值符号发生跳变，记下该点；
(4)从该点向曲线两侧查找，分别在两侧查找距离该点最近的两个跳变点；
(5)所找到的两个跳变点范围内所有曲线上的点属于同一个凹陷区域。
本发明具有如下显著的优点：
(1)利用对加工表面形貌分析确定刀具切削面参数的限定值，实现刀具选择，从而降低或避免由刀具选择不当带来的加工干涉的问题。
(2)本发明查找三维曲面的曲率和凹陷区域特征的复杂问题简单化，使其转变为求解若干截面曲线曲率和凹陷区域特征的问题。
附图说明
图1金刚石刀具切削面模型；
图2旋转截面分析法示意图；
图3刀尖圆弧弧度选择方法示意图；
图4凹陷区域确定示意图；
图5截面曲线最小刀刃圆弧弧度分布曲线；
图6截面曲线凹陷区域拟合圆和半径。
具体实施方式
单点金刚石刀具切削面如图1所示，切削面上的参数为刀尖圆弧半径r0，刀尖圆弧弧度x0。金刚石超精密车削的加工表面形貌本身包含了对这两个参数限定的特征。刀尖圆弧弧度受限于加工面的曲率特征；刀尖圆弧半径则受到加工面凹陷区域特征的限制，如果凹陷区域半径相对于圆弧半径太小，则存在加工干涉的可能。
对于任意自由曲面z＝f(x，y)的加工模型来说，如果直接在三维空间查找曲面的曲率和凹陷区域特征是非常困难的，这里提出对加工模型使用旋转截面分析法进行以上两个量的求解。图2是旋转截面分析法的原理示意图。模型被若干过轴心的直线截断，分别提取曲面在每个截面上的曲线轮廓，对这些曲线进行分析，可以很容易地得到所需的参数；而当分割截面的数量足够多时，就能完全分析出整个加工曲面的特征。因此，在进行了截面分割后，对曲面特征的提取问题就变成了对曲线特征提取问题，下面对曲线特征提取步骤进行详细描述。
1.求取截面曲线表达式
为了和车削加工模式保持一致，需要把自由曲面的笛卡尔坐标(x，y，z)描述转为极坐标的形式，得到在机床坐标系
下的方程，即利用极坐标转换方程
得到方程
当选定角度为
时的截面曲线时，曲线表达式为，
其中R0为工件半径。
2.刀尖圆弧弧度的选择
利用参数化方程求导规则，求解曲线方程的导数
在对该曲线进行加工时，切削面刀尖圆弧与曲线时刻保持相切，当加工曲线不同位置时，为了保持相切关系需使用刀尖圆弧不同区域进行加工，如图3所示。因此，在进行曲线某点加工时，切点处法向量过刀尖圆弧中心，且法向量与加工主轴z轴的夹角γ对应于刀尖某处的弧度χ，
而该弧度值是刀具所应满足的最小弧度。遍历曲线上每个加工点，求出每个点的γ值，其中最大值γmax是刀具应具有的最小刀尖圆弧弧度χmin，即满足χ≥χmin时，刀具可以胜任对该曲线的加工。
3.刀尖圆弧半径的选择
首先，要找到曲线凹陷区域，并确定凹陷区域的范围。这里采用曲线法向量和主轴夹角值的余弦cosγ进行查找。首先，规定cosγ的符号，
凹陷区域范围按照以下步骤进行查找：(1)如图4所示，cosγ值在曲线凹陷部分发生从‘-’到‘+’的变化，记跳变点为J；(2)从J向曲线两侧查找，有两个cosγ大小变化的跳变点J1和J2；(3)取在ρ向上距离J点最近的点为凹陷区域的一个端点e1，并记e1点到J的距离为dh；(4)在J点的另一侧找到距离J点同样为dh的点，定义为凹陷区域的另一个端点e2。这样从e1到e2范围内所有曲线上的点都是凹陷区域。
对凹陷区域的数据进行圆拟合，确定凹陷区域的半径R。拟合方法可以选择对式(7)进行最小二乘求解。
(ρ-ρ0)2+(z-z0)2＝R2 (7)
凹陷区域的半径值决定了刀尖圆弧半径应该具有的最大数值。通过以上方法得到整条曲线上的凹陷区域半径，并找到其最大值Rmax，它是加工该曲线时应具备的最大刀尖圆弧半径值rmax，即刀具应该满足r＜rmax时才能胜任对该曲线的加工。
综合以上方法，分别对曲面足够多的截面曲线进行同样的分析，得到加工每条曲线所需的刀具参数，即最小刀刃圆弧弧度χmin和最大刀刃圆弧半径值rmax。依据旋转截面分析法原理，统计这些数值可以得到加工刀具切削面所应具备的条件，实现刀具的选择。
在一次具体实施过程中，对一个自由曲面z＝sin(0.3·x)·cos(y)进行分析，图5是对该自由曲面
截面曲线求得最小刀刃圆弧弧度分布曲线，经过统计可以得出χmin＝58.78°。再对最大刀刃圆弧半径值进行了求解，得出rmax＝1.317mm；图6显示了截面曲线凹陷区域的拟合圆图形。
Claims (4)
1.一种超精密车削刀具选择方法，包括下列步骤：
(1)采用旋转截面分析法或根据加工表面的几何形状，选择一条或一条以上加工表面的截面曲线；
(2)分别确定所选择各条截面曲线的曲线方程；
(3)对各个曲线方程，分别求解并利用截面曲线法向量，求解加工各个曲线的最小刀刃圆弧弧度值；
(4)查找各个曲线的凹陷区域，并使用圆拟合的方法对凹陷区域的半径进行求解，得到各个曲线的最大刀刃圆弧半径值；
(5)对执行(2)至(4)步骤所得到的各个截面曲线的最小刀刃圆弧弧度值和最大刀刃圆弧半径值分别进行比较，根据其中最大的最小刀刃圆弧弧度值，确定所要选择刀具的刀刃圆弧弧度，根据其中最小的最大刀刃圆弧半径值，确定所要选择刀具的刀刃圆弧半径，
(6)根据步骤(5)确定的刀刃圆弧弧度和刀刃圆弧半径，选择刀具。
2.根据权利要求1所述的超精密车削刀具选择方法，其特征在于，所述步骤(3)按下列方法执行：对每条曲线，参数化方程求导规则，求解曲线方程的导数；遍历曲线上各个加工点，求解各个加工点的法向量及其与加工主轴的夹角，对所求得的各个夹角进行比较，得到夹角最大值，该值即是该加工曲线的最小刀刃圆弧弧度值。
3.根据权利要求1所述的超精密车削刀具选择方法，其特征在于，所述步骤(4)按下列方法执行：对每条曲线，采用曲线法线和加工主轴的夹角值的余弦值进行凹陷区域查找，遍历整条曲线，对所确定的各个凹陷区域的数据进行圆拟合，确定各个凹陷区域的半径；比较所确定的各个凹陷区域的半径，找到其最大值，该值即是该曲线的最大刀刃圆弧半径值。
4.根据权利要求3所述的超精密车削刀具选择方法，其特征在于，根据下列步骤确定凹陷区域：
(1)规定曲线法线和z轴正向夹角值的余弦的符号；
(2)求解整条曲线的余弦值，并对所有余弦值顺序进行查找判断；
(3)当余弦值符号发生跳变，记下该点；
(4)从该点向曲线两侧查找，分别在两侧查找距离该点最近的两个跳变点；
(5)所找到的两个跳变点范围内所有曲线上的点属于同一个凹陷区域。
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