飞刀铣削自由曲面表面形貌仿真与工艺参数优化

【摘要】随着光电产品及通讯产品中自由曲面光学器件的广泛应用,例如,数码相机镜头、微光夜视器镜头、光学打印机的扫描镜头、宽带光纤耦合器、车灯的反射镜及灯罩、平面显示器上的导光板等,自由曲面光学元件的制造也越来越受到人们的关注。超精密飞刀铣削可以直接加工出具有纳米级表面粗糙度和亚微米级面型精度的光学元件,尤其对于无法使用研磨抛光的易于潮解的光学晶体等特殊材料,,金刚石飞刀铣削是唯一的加工手段。表面形貌的预测对飞刀铣削加工质量控制和参数优化提供了参考依据,因此有必要进行表面形貌生成机理的研究。由于曲面加工的复杂性,没有现成的手册可以查询合适的加工参数,按照经验选择加工参数,可能达不到加工要求,效率也无法保证。因此有必要对飞刀铣削加工的加工参数进行优化。本文在分析了飞刀铣削加工平面时工件的表面形貌基础上,提出一种曲面加工时飞刀刀刃在加工过程中的近似扫描体描述。根据加工工件的曲率变化对工件进行网格划分,将工件三维表面形貌用离散点云数据表达,并给出了网格间距的确定方法。考虑飞刀铣削加工中工件各点的表面形貌高度不仅仅由相邻两行刀具路径上的切削刃轨迹决定,提出了影响局部表面形貌高度切削行刀具路径的判定方法,将工件毛坯点的高度值与影响当前离散点高度值的刀具扫描体对应点的高度值进行比较,取最小的值作为此点的最终高度值,由这些点组成加工工件的表面形貌。根据空间变换计算,建立局部坐标系,并给出了工件坐标系到局部坐标系的变换公式。在分析影响飞刀铣削加工表面粗糙的因素的基础上,选取进给速度、切削间距作为优化变量,建立了加工表面沿走刀方向的残留高度和沿切削间距方向的残留高度为优化目标,以加工时间作为约束条件的参数优化模型。对优化变量进行二进制编码,采用随机方法生成初始种群,进行选择、交叉、变异操作,得到优化后的加工参数。通过对圆柱面的实际加工表面形貌和仿真表面形貌对比,验证了表面形貌仿真算法的有效性。应用仿真模型研究飞刀铣削曲面加工过程中主轴转速、进给速度、切削间距对表面形貌和粗糙度的影响规律。基于优化模型,将优化后的加工时间、仿真表面形貌和表面粗糙度参数Rq、Rt,与经验参数进行对比,在相同的加工时间内,优化后的加工参数可提高加工质量,从而验证了优化算法的可行性。
【作者】高栋；
【导师】刘强；王素娟；
【作者基本信息】广东工业大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】飞刀铣削；自由曲面；表面形貌仿真；参数优化；

【参考文献】
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