含孤岛型腔铣削加工的螺旋刀轨生成算法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252016V01．37No．51689-1695ISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn含孤岛型腔铣削加工的螺旋刀轨生成算法王家斌，王炫润，李劭晨，宋永锋，李雄兵*中南大学CAD／CAM研究所，长沙410075摘要：当型腔含有孤岛时，使用传统环切铣削方法加工往往难以避免拐角方向存在突变的问题，故提出一种螺旋刀轨生成算法，实现含凸边界孤岛型腔的快速铣削加工。首先在孤岛和型腔的加工

2、轮廓上设置放样点，将放样点连接成放样线，线性插值放样线生成螺旋折线；接着插入以指数函数规律分布的控制顶点，并以其所定义的任意阶B样条曲线规划最终刀轨。所生成的刀轨能适应孤岛偏心的情况。实验结果显示，与传统环切相比，高阶连续的B样条曲线刀轨可直接用于具有NURBS插补功能的加工中心，孤岛轮廓的加工精度高，可有效避免刀轨方向突变，降低切削力的变化幅度，提高加工效率。关键词：含孤岛型腔；高速铣削；刀轨；放样；B样条中图分类号：V261．2+3；TP391文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)05—1689一07在现代飞机结构件、模具等零

3、件中，型腔是一种常见结构，通常采用数控铣削方法加工[1]。高速铣削是现代加工的发展趋势，高速铣削要求避免刀轨切削方向的突变，防止刀具与零件的碰撞，降低材料切除率的变化，在保持切削方式恒定的同时尽量减少刀具的空程移动[2]。对于含孤岛的型腔铣削加工，规划刀轨路径需考虑孤岛轮廓的曲率半径，以及孤岛轮廓与型腔轮廓间的距离[3‘4]，传统方法通常采用环切算法进行刀具路径规划[5]，但环切路径存在方向突变，使切削力急剧增大，工件强烈振动发生形变，降低工件表面加工质量；因此，刀具在型腔边界拐角处必须降低进给量，导致生产效率低下。针对上述问题，当前研究内容主要

4、集中在两个方面：①改进环切算法[6]，研究拐角处刀轨的优化E6‘93；②提出新的刀轨生成算法m。4

5、。文献[6]采用B样条优化传统环切路径，但路径间距不易控制会出现交叉的情况。文献E7-1将环切路径中的尖角替换成圆弧，但刀轨仍不能满足高速进给对刀轨平滑性的要求。文献[io-I通过识别孤岛和型腔轮廓边界，并结合孤岛轮廓曲率半径来规划刀轨路径，但算法复杂且刀轨路径仍然存在方向突变。文献[11]采用线性插值型腔边界的内等距多边形生成螺旋折线，用B样条曲线拟合生成任意阶连续的光滑螺旋刀轨，但只能解决不含孤岛的型腔快速铣削加工问题。本文算法基于放样理论和B

6、样条曲线拟合技术[15。16]，在光滑螺旋刀轨生成算法基础上，提出一种适用于含孤岛型腔高速铣削加工算法，并与传统环切加工算法进行对比实验以验证其有效性。收稿日期：2015．03．25；退修日期：2015-04-08；录用日期：2015-05—04；网络出版时间：2015-05-0811：20网络出版地址：洲．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20150508．1120．001．h咖I基金项目：国家自然科学基金(61271356，51205031)；中南大学大学生创新训练项目(0L14080)*通讯作者．Tel．：073

7、1-82655135E-mail：Iixb213@mail．CSU．edu．cn引用格武II家斌．王炫润．李劭晨．等．合孤岛型驻镜觏加I的螺旋刀轨生成算法[J]．航空学报，2016，37(5)；1689-1695．WANGJB，WANGXR，L／SC，eta／．SpiraltoolpathgenerationalgorithmformillingpocketwithislandEJ一．ActaAeronauticaetAstro—nauticaSinica，2016，37(5)：1689—1695．航空学报May252016V01．37No．51

8、算法1．1算法流程如图1(a)所示的含椭圆形孤岛的正五边形型腔，型腔边界外接圆半径r一40mm，孤岛半长轴n一3mm，半短轴b一10mm。算法主要包含以下3个步骤：①分别对孤岛和型腔轮廓进行放样处理，得到如图1(b)所示的放样点和放样线；②通过线性插值放样线生成如图1(c)所示的螺旋折线；③利用B样条技术优化螺旋刀轨得到如图1(d)所示的光滑螺旋刀轨。c)GeneratingspiralpohIine(dJOptimalsmoothtoolpath图1螺旋刀轨算法步骤Fig．1Algorithmprocessofspiraltoolpath1．2

9、详细描述记任意凸边界型腔轮廓曲线为f(x，y)一0，任意凸边界孤岛轮廓曲线为g(z，y)一0。设定刀具半径为R，则刀轨行间距艿∈(0，2