專利名稱：超精密車削刀具選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超精密及微加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超精密加工刀具的選擇方法。
背景技術(shù)：
近些年來發(fā)展起來的超精密及微加工技術(shù)有極強的輻射作用，廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域的 超精密及微小關(guān)鍵器件的制造中，如生物醫(yī)療、航空航天、國防、光學(xué)、通訊、微電子 等領(lǐng)域。它的每一項應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)都會在一定程度上帶來應(yīng)用領(lǐng)域新的飛躍，從而促 進產(chǎn)品的更新?lián)Q代。鑒于這些原因，國外對我國采取嚴格的技術(shù)封鎖，核心技術(shù)完全保 密。
在機械加工中，加工的干涉問題將導(dǎo)致被加工件形狀的破壞，甚至造成金剛石刀具的 破損和降低機床本身的加工精度。因此，從車床安全操作和提高加工精度的角度考慮， 正確設(shè)計加工路徑避免發(fā)生干涉作用是非常重要的。除此之外，對于復(fù)雜自由曲面加工 來說，根據(jù)加工形貌選擇正確的加工刀具也是非常必要的，因為，如果最初的刀具參數(shù) 根本滿足不了復(fù)雜曲面的形貌需求，無論如何進行加工路徑的優(yōu)化設(shè)計，干涉現(xiàn)象的發(fā) 生也是在所難免的。從這個意義上來說，在一次超精密加工過程中，進行正確的刀具選 擇應(yīng)該是首要完成的任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于從刀具的選用方面提出一種降低或避免超精密車削干涉作用的方 法，該方法綜合考慮了加工曲面的形貌特征，能保證刀具最大限度地能符合曲面特征， 適用于自由曲面超精密加工的刀具選擇。
為此本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案 一種超精密車削刀具選擇方法，包括下列步驟-
(1) 采用旋轉(zhuǎn)截面分析法或根據(jù)加工表面的幾何形狀，選擇一條或一條以上加工表面 的截面曲線；
(2) 分別確定所選擇各條截面曲線的曲線方程；
(3) 對各個曲線方程，分別求解并利用截面曲線法向量，求解加工各個曲線的最小刀 刃圓弧弧度值；
(4) 査找各個曲線的凹陷區(qū)域，并使用圓擬合的方法對凹陷區(qū)域的半徑進行求解，得 到各個曲線的最大刀刃圓弧半徑值；
(5) 對執(zhí)行(2)至(4)步驟所得到的各個截面曲線的最小刀刃圓弧弧度值和最大刀 刃圓弧半徑值分別進行比較，根據(jù)其中最大的最小刀刃圓弧弧度值，確定所要選 擇刀具的刀刃圓弧弧度，根據(jù)其中最小的最大刀刃圓弧半徑值，確定所要選擇刀
具的刀刃圓弧半徑； (6)根據(jù)步驟(5)確定的刀刃圓弧弧度和刀^圓弧半徑，選擇刀具。
上述的超精密車削刀具選擇方法，步驟(3)可以按下列方法執(zhí)行對每條曲線，參 數(shù)化方程求導(dǎo)規(guī)則，求解曲線方程的導(dǎo)數(shù);遍歷曲線上各個加工點，求解各個加工點的法 向量及其與加工主軸的夾角，對所汆得的各個夾角進行比較，得到夾角最大值，該值即 是該加工曲線的最小刀刃圓弧弧度值。
步驟(4)可以按下列方法執(zhí)行對每條曲線，采用曲線法線和加工主軸的夾角值的 余弦值進行凹陷區(qū)域査找，遍歷整條曲線，對所確定的各個凹陷區(qū)域的數(shù)據(jù)進行圓擬合， 確定各個凹陷區(qū)域的半徑；比較所確定的各個凹陷區(qū)域的半徑，找到其最大值，該值即 是該曲線的最大刀刃圓弧半徑值。
可以根據(jù)下列步驟確定凹陷區(qū)域-
(1) 規(guī)定曲線法線和z軸正向夾角值的余弦的符號；
(2) 求解整條曲線的余弦值，并對所有余弦值順序進行查找判斷；
(3) 當(dāng)余弦值符號發(fā)生跳變，記下該點；
(4) 從該點向曲線兩側(cè)查找，分別在兩側(cè)査找距離該點最近的兩個跳變點；
(5) 所找到的兩個跳變點范圍內(nèi)所有曲線上的點屬于同一個凹陷區(qū)域。
本發(fā)明具有如下顯著的優(yōu)點-
(1) 利用對加工表面形貌分析確定刀具切削面參數(shù)的限定值，實現(xiàn)刀具選擇，從 而降低或避免由刀具選擇不當(dāng)帶來的加工干涉的問題。
(2) 本發(fā)明査找三維曲面的曲率和凹陷區(qū)域特征的復(fù)雜問題簡單化，使其轉(zhuǎn)變?yōu)?求解若干截面曲線曲率和凹陷區(qū)域特征的問題。


圖1金剛石刀具切削面模型；
圖2旋轉(zhuǎn)截面分析法示意圖3刀尖圓弧弧度選擇方法示意圖4凹陷區(qū)域確定示意圖5截面曲線最小刀刃圓弧弧度分布曲線；
圖6截面曲線凹陷區(qū)域擬合圓和半徑。
具體實施例方式
單點金剛石刀具切削面如圖l所示，切削面上的參數(shù)為刀尖圓弧半徑r。，刀尖圓弧弧 度A。金剛石超精密車削的加工表面形貌本身包含了對這兩個參數(shù)限定的特征。刀尖圓
弧弧度受限于加工面的曲率特征；刀尖圓弧半徑則受到加工面凹陷區(qū)域特征的限制，如 果凹陷區(qū)域半徑相對于圓弧半徑太小，則存在加工干涉的可能。
對于任意自由曲面z-/(X，少)的加工模型來說，如果直接在三維空間査找曲面的曲率
和凹陷區(qū)域特征是非常困難的，這里提出對加工模型使用旋轉(zhuǎn)截面分析法進行以上兩個 量的求解。圖2是旋轉(zhuǎn)截面分析法的原理示意圖。模型被若干過軸心的直線截斷，分別
提取曲面在每個截面上的曲線輪廓，對這些曲線進行分析，可以很容易地得到所需的參
數(shù)；而當(dāng)分割截面的數(shù)量足夠多時，就能完全分析出整個加工曲面的特征。因此，在進 行了截面分割后，對曲面特征的提取問題就變成了對曲線特征提取問題，下面對曲線特 征提取步驟進行詳細描述。
1. 求取截面曲線表達式
為了和車削加工模式保持一致，需要把自由曲面的笛卡爾坐標(x,乂z)描述轉(zhuǎn)為極坐 標的形式，得到在機床坐標系(p,^，z)下的方程，即利用極坐標轉(zhuǎn)換方程
<formula>formula see original document page 5</formula>
. (1)
得到方程
<formula>formula see original document page 5</formula> (2)
當(dāng)選定角度為p。時的截面曲線時，曲線表達式為，<formula>formula see original document page 5</formula>
其中A為工件半徑。
2. 刀尖圓弧弧度的選擇
利用參數(shù)化方程求導(dǎo)規(guī)則，求解曲線方程的導(dǎo)數(shù)
<formula>formula see original document page 5</formula>(4)
■'u & '，, " 在對該曲線進行加工時，切削面刀尖圓弧與曲線時刻保持相切，當(dāng)加工曲線不同位置 時，為了保持相切關(guān)系需使用刀尖圓弧不同區(qū)域進行加工，如圖3所示。因此，在進行 曲線某點加工時，切點處法向量過刀尖圓弧中心，且法向量與加工主軸z軸的夾角y對應(yīng) 于刀尖某處的弧度義，
<formula>formula see original document page 5</formula> : (5)
而該弧度值是刀具所應(yīng)滿足的最小弧度。遍歷曲線上每個加工點，求出每個點的;K值， 其中最大值^^是刀具應(yīng)具有的最小刀尖圓弧弧度;^。，即滿足z^;irm,n時，刀具可以勝
任對該曲線的加工。
3.刀尖圓弧半徑的選擇
首先，要找到曲線凹陷區(qū)域，并確定凹陷區(qū)域的范圍。這里采用曲線法向量和主軸夾 角值的余弦cosy進行査找。首先，規(guī)定cosy的符號，
凹陷區(qū)域范圍按照以下步驟進行査找(1)如圖4所示，COS/值在曲線凹陷部分發(fā)生 從'-'到'+'的變化，記跳變點為J; (2)從J向曲線兩側(cè)查找，有兩個cos/大小變化的跳 變點力和A; (3)取在/9向上距離/點最近的點為凹陷區(qū)域的一個端點q，并記q點到J 的距離為《；(4)在J點的另一側(cè)找到距離/點同樣為《的點，定義為凹陷區(qū)域的另一
個端點6。這樣從A到6范圍內(nèi)所有曲線上的點都是凹陷區(qū)域。
對凹陷區(qū)域的數(shù)據(jù)進行圓擬合，確定凹陷區(qū)域的半徑及。擬合方法可以選擇對式(7)
進行最小二乘求解。
凹陷區(qū)域的半徑值決定了刀尖圓弧半徑應(yīng)該具有的最大數(shù)值。通過以上方法得到整條 曲線上的凹陷區(qū)域半徑，并找到其最大值i^M，它是加工該曲線時應(yīng)具備的最大刀尖圓 弧半徑值r^ ，即刀具應(yīng)該滿足r〈r^時才能勝任對該曲線的加工。
綜合以上方法，分別對曲面足夠多的截面曲線進行同樣的分析，得到加工每條曲線所 需的刀具參數(shù)，即最小刀刃圓弧弧度Z^和最大刀刃圓弧半徑值r^。依據(jù)旋轉(zhuǎn)截面分析
法原理，統(tǒng)計這些數(shù)值可以得到加工刀具切削面所應(yīng)具備的條件，實現(xiàn)刀具的選擇。
在一次具體實施過程中，對一個自由曲面z-sin(0.3i》cos(y)進行分析，圖5是對該 自由曲面^。-60。截面曲線求得最小刀刃圓弧弧度分布曲線，經(jīng)過統(tǒng)計可以得出 ;^min=58.78°。再對最大刀刃圓弧半徑值進行了求解，得出r脆=1.317mm;圖6顯示了截 面曲線凹陷區(qū)域的擬合圓圖形。
權(quán)利要求
1.一種超精密車削刀具選擇方法，包括下列步驟(1)采用旋轉(zhuǎn)截面分析法或根據(jù)加工表面的幾何形狀，選擇一條或一條以上加工表面的截面曲線；(2)分別確定所選擇各條截面曲線的曲線方程；(3)對各個曲線方程，分別求解并利用截面曲線法向量，求解加工各個曲線的最小刀刃圓弧弧度值；(4)查找各個曲線的凹陷區(qū)域，并使用圓擬合的方法對凹陷區(qū)域的半徑進行求解，得到各個曲線的最大刀刃圓弧半徑值；(5)對執(zhí)行(2)至(4)步驟所得到的各個截面曲線的最小刀刃圓弧弧度值和最大刀刃圓弧半徑值分別進行比較，根據(jù)其中最大的最小刀刃圓弧弧度值，確定所要選擇刀具的刀刃圓弧弧度，根據(jù)其中最小的最大刀刃圓弧半徑值，確定所要選擇刀具的刀刃圓弧半徑，(6)根據(jù)步驟(5)確定的刀刃圓弧弧度和刀刃圓弧半徑，選擇刀具。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密車削刀具選擇方法，其特征在于，所述步驟(3)按下 列方法執(zhí)行對每條曲線，參數(shù)化方程求導(dǎo)規(guī)則，求解曲線方程的導(dǎo)數(shù);遍歷曲線上 各個加工點，求解各個加工點的法向量及其與加工主軸的夾角，對所求得的各個夾角 進行比較，得到夾角最大值，該值即是該加工曲線的最小刀刃圓弧弧度值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密車削刀具選擇方法，其特征在于，所述步驟(4)按下列方法執(zhí)行對每條曲線，采用曲線法線和加工主軸的夾角值的余弦值進行凹陷區(qū)域査找，遍歷整條曲線，對所確定的各個凹陷區(qū)域的數(shù)據(jù)進行圓擬合，確定各個凹陷區(qū)域的半徑；比較所確定的各個凹陷區(qū)域的半徑，找到其最大值，該值即是該曲線的最 大刀刃圓弧半徑值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超精密車削刀具選擇方法，其特征在于，根據(jù)下列步驟確定凹陷區(qū)域(1) 規(guī)定曲線法線和Z軸正向夾角值的余弦的符號；(2) 求解整條曲線的余弦值，并對所有余弦值順序進行查找判斷；(3) 當(dāng)余弦值符號發(fā)生跳變，記下該點；(4) 從該點向曲線兩側(cè)査找，分別在兩側(cè)査找距離該點最近的兩個跳變點；(5) 所找到的兩個跳變點范圍內(nèi)所有曲線上的點屬于同一個凹陷區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明屬于超精密加工、復(fù)雜零件制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超精密車削刀具選擇方法，包括下列步驟采用旋轉(zhuǎn)截面分析法或根據(jù)加工表面的幾何形狀，選擇多條加工表面的截面曲線；求解并利用截面曲線法向量，求解加工各個曲線的最小刀刃圓弧弧度值；查找各個曲線的凹陷區(qū)域，并使用圓擬合的方法對凹陷區(qū)域的半徑進行求解，得到各個曲線的最大刀刃圓弧半徑值；對各個截面曲線的最小刀刃圓弧弧度值和最大刀刃圓弧半徑值分別進行比較，根據(jù)其中最大的最小刀刃圓弧弧度值，確定所要選擇刀具的刀刃圓弧弧度，根據(jù)其中最小的最大刀刃圓弧半徑值，確定所要選擇刀具的刀刃圓弧半徑；選擇刀具。采用本發(fā)明提供的刀具選擇方法，能夠降低或避免由刀具選擇不當(dāng)帶來的加工干涉的問題。
文檔編號G06F17/50GK101187951SQ20071005834
公開日2008年5月28日 申請日期2007年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者張效棟, 房豐洲 申請人:天津大學(xué)