多轴数控加工过程中工艺参数优化和加工仿真

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1、华中科技大学硕士学位论文速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。制造设备的数控化是现代制[3]造业的基本标志，如何发挥数控加工设备的效率是摆在制造业面前的一个重要课题。随着力学、计算机技术和热学等多学科的发展及融合，在制造过程的建模仿真技术得到了大量的研究与应用，为解决高精度产品制造中亟待研究的问题提供了技术上的可能性。通过仿真模型，就可以对实际的制造过程进行模拟，从而得到一些重要的加工信息，并预测可能出现的影响加工精度的因素，为加工工艺的优化，加工刀具的设计提供支持。因此，在数控加工过程中，进行刀具路径规划

2、、工艺参数的优化和加工过程的动态仿真，意义重大。1.3课题的目的和意义随着数控技术的发展，人们对零件的加工精度的要求越来越高，而厂家为了获得更多的利润，迫切要求在满足加工精度的前提下尽可能的提高加工效率。而在制造过程中，人们能采取的主动措施是针对零件预期加工形貌的要求，选择相应的刀具材料、刀具几何轮廓、刀具轨迹、切削速度、进给速度、切深等工艺参数。因此，根据加工区域的形状，选择合理的刀具轨迹，是提高零件加工效率的有效手段之一。但刀具轨迹的选择是有一定限制的，那就是走刀方向应尽可能沿曲面的流线方向以保证曲面的光顺度，

3、在行切过程中，走刀方向尽可能沿刀具轨迹线长的方向加工，避免频繁加减速、减少对机床的冲击振动。因此，根据加工质量、时间和成本的要求，确定合理的刀具轨迹是必要的。目前，在自由曲面的多轴数控加工过程中普遍采用非球型铣刀，这样就增加了刀具与自由曲面干涉的可能性。由于自由曲面曲率的不规则性，刀具轨迹的生成又受到了复杂几何参数的约束，从而对传统的CAD/CAM软件以及数控加工机床带来了挑战。研究如何生成高效的刀具轨迹，使刀具轨迹尽量满足：刀具路径的各段直线段最大逼近误差相等且不超过给定的逼近误差；相邻刀具路径间的残留高度均不超

4、过给定值等。即在保证加工精度以及刀具与周围环境不发生干涉的前提下，研究刀具路径的生成规则、优化方案以及工艺参数的优化，对提高加工效率，提高加工质量，降低加工成本，具有很重要的意义。复杂曲面的数控加工过程中，刀具与机床等周围物体的干涉是很重要的一个问题。在保证加工精度以及刀具与周围环境不发生干涉的前提下，通过对多轴数控机床在加工过程中刀具前倾角和侧倾角的变化（刀具位姿的改变）所造成加工过程中切削量的变化的研究，来选择最优的加工参数。这一过程可以利用UG现有功能以及UG二次2华中科技大学硕士学位论文开发中所提供的函数扩

5、充UG的功能进行仿真。工艺参数的选择，对加工成本、加工效率以及加工质量有很大的影响，因此，优化工艺参数也是很有必要的。[4]曲面数控加工是一个耗时、高成本的加工过程。一个曲面的数控加工过程可能包含10，000多个刀具的插补运动，需要几周的连续加工时间。一旦数控程序出现问题（如过大的加工误差、碰撞、干涉、过切、不恰当的加工参数、过大的切削力等），会造成产品不合格、重新加工或返工，这样会大大增加制造成本和延长工期，严重时还会破坏刀具或机床，甚至危及操作人员的安全。因此，在实际加工过程前进行虚拟数控加工仿真，对数控程序进

6、行验证是进行数控加工过程前的必须的准备工作和必不可少的步骤。另外，虚拟数控加工还可以用来进一步调整、优化刀具路径和加工参数，在满足加工约束条件的前提下获得最大的材料切除率(MRR)，以提高加工效率。因此，进行虚拟数控加工仿真意义也很重大。综上所述可知，在数控加工过程中，对刀具路径进行规划，加工参数进行优化和进行虚拟切削仿真是很有必要的，具有很重要的理论和实际意义。1.4相关领域的发展概况1.4.1数控机床的特点随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品的零部件的生产

7、设备—机床也相应的提出了高性能、高精度[5]与高自动化的要求。数控机床之所以在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：1)能适用不同零件的自动加工。2)生产效率和加工精度高、加工质量稳定。3)能完成复杂型面的加工。4)工序集中，一机多用。5)数控机床是一种高技术的设备。1.4.2现代数控加工的现状及传统CAD软件的缺陷现代制造工艺与装备呈现高速、高加速度、大行程、大载荷、超精密等特点，因此，对数控机床的加工也有一定要求，我们应该生成光滑的、符合曲面特征的加工路径，从而避免了频繁加减速、减少对机床的冲击

8、振动，这样就为高速、高加速度加工提供了可能。3华中科技大学硕士学位论文我们使用CAD/CAM软件系统的便利功能的同时又必须看到目前较成熟的商品化软件的CAM系统，其基本特色均是面向曲面的加工编程方式，它们是以CAD模型的局部几何特征为目标对象来处理而不是以面向工程的工艺特征来处理。CAM作为一项实用性、实践性极强的专业技术直接面向数控生产实际，数控加工又是以