复杂曲面零件五轴联动加工刀具轨迹优化与颤振抑制研究

一、引言

随着航空航天、汽车制造等高端制造业的飞速发展，复杂曲面零件的应用日益广泛。这些零件具有形状复杂、精度要求高、表面质量要求严格等特点，传统加工方法难以满足其加工需求。五轴联动加工技术凭借其能够实现复杂曲面的高效、高精度加工，在复杂曲面零件加工领域得到了广泛应用。然而，在实际加工过程中，刀具轨迹的规划是否合理直接影响加工效率和表面质量，不合理的刀具轨迹会导致加工时间增加、刀具磨损加剧以及表面出现过切或欠切现象。同时，颤振作为五轴联动加工过程中的常见问题，严重影响零件的加工精度和表面质量，甚至可能导致刀具损坏和机床故障。因此，开展复杂曲面零件五轴联动加工刀具轨迹优化与颤振抑制研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、复杂曲面零件五轴联动加工刀具轨迹优化

2.1 刀具轨迹规划基础

刀具轨迹规划是五轴联动加工的关键环节，其主要任务是根据零件的几何模型和加工要求，确定刀具在加工过程中的运动路径和姿态。在复杂曲面加工中，常见的刀具轨迹规划方法包括等参数线法、等残留高度法等。等参数线法是沿着曲面的参数线方向规划刀具轨迹，该方法计算简单，但在曲率变化较大的区域容易出现残留高度不均匀的问题；等残留高度法通过控制刀具加工后曲面上的残留高度来规划刀具轨迹，能够保证加工表面质量的一致性，但计算量较大。

2.2 基于遗传算法与等残留高度法的刀具轨迹优化方法

为了克服传统刀具轨迹规划方法的不足，本文提出一种基于遗传算法与等残留高度法相结合的刀具轨迹优化方法。遗传算法是一种模拟生物进化过程的随机搜索算法，具有全局搜索能力强、鲁棒性好等优点。

首先，利用等残留高度法生成初始刀具轨迹。根据零件曲面的几何特征和加工精度要求，确定残留高度阈值，通过计算在曲面上生成一系列满足残留高度要求的刀具路径。然后，将初始刀具轨迹的相关参数（如刀具路径节点坐标、刀具姿态等）进行编码，作为遗传算法的初始种群。在遗传算法的迭代过程中，通过选择、交叉和变异操作，对刀具轨迹参数进行优化，以加工时间最短、刀具路径长度最短或加工表面质量最优等为目标函数，不断进化种群，直至达到设定的终止条件，得到优化后的刀具轨迹。

2.3 刀具轨迹优化仿真与分析

为验证上述刀具轨迹优化方法的有效性，运用专业的加工仿真软件对某复杂曲面零件进行加工仿真。在仿真过程中，分别采用传统等参数线法、等残留高度法以及本文提出的优化方法生成刀具轨迹，并对加工时间、表面残留高度和刀具路径长度等指标进行对比分析。

仿真结果表明，与传统等参数线法相比，本文优化方法使加工时间缩短了约 20% ，表面残留高度更加均匀；与等残留高度法相比，在保证相同表面质量的前提下，刀具路径长度缩短了 12% ，进一步提高了加工效率。

三、复杂曲面零件五轴联动加工颤振抑制

3.1 颤振产生机理分析

在五轴联动加工过程中，颤振是一种自激振动现象。其产生的主要原因包括机床结构动力学特性、刀具 - 工件系统的动态特性以及加工工艺参数等。当切削过程中产生的动态力频率与刀具 - 工件系统的固有频率接近时，就会引发共振，导致颤振的发生。此外，不合理的切削参数（如切削速度、进给量、切削深度等）也会增加颤振发生的可能性。颤振现象不仅影响加工精度，还可能对机床和刀具造成损害，因此，深入理解颤振产生的机理对于提高加工效率和保证加工质量具有重要意义。

3.2 颤振抑制策略

3.2.1 主动控制技术

主动控制技术是一种通过外部施加控制信号来抑制颤振的方法。本文采用基于传感器的主动控制策略，在加工过程中，利用加速度传感器、力传感器等实时监测刀具 - 工件系统的振动信号和切削力信号。通过信号处理和分析，获取颤振的特征信息，然后将控制信号输入到执行机构（如电液伺服系统、电磁驱动器等），对刀具的运动或切削力进行实时调整，从而抑制颤振的发生。这种方法能够有效减少颤振对加工过程的影响，提高加工表面质量。

3.2.2 工艺参数优化

合理的工艺参数选择对颤振抑制至关重要。通过建立切削力模型和颤振稳定性模型，分析切削速度、进给量、切削深度等工艺参数对颤振的影响规律。采用正交试验设计方法，在一定的参数范围内进行多组切削试验，以颤振振幅、加工表面质量等为评价指标，确定最优的工艺参数组合。例如，在某些情况下，适当提高切削速度、减小进给量和切削深度，可以有效降低颤振的发生概率。通过优化工艺参数，可以显著提高加工效率和加工质量，减少颤振对加工过程的不良影响。

3.3 颤振抑制实验验证

在五轴联动加工机床上对某复杂曲面零件进行加工实验，分别在未采取颤振抑制措施、仅采用主动控制技术、仅采用工艺参数优化以及两者相结合的情况下进行加工。通过加速度传感器采集加工过程中的振动信号，并对加工后的零件表面质量进行检测。实验结果表明，未采取颤振抑制措施时，加工过程中颤振明显，零件表面出现明显的振纹，表面粗糙度较大；仅采用主动控制技术或工艺参数优化时，颤振得到一定程度的抑制，表面质量有所改善；当两者相结合时，颤振抑制效果最佳，表面粗糙度降低了15%-20% ，加工精度得到显著提高。这验证了本文提出的颤振抑制策略的有效性。

四、结论

本论文针对复杂曲面零件五轴联动加工中的刀具轨迹优化与颤振抑制问题进行了深入研究。提出了基于遗传算法与等残留高度法相结合的刀具轨迹优化方法，通过仿真验证了该方法能够有效提高加工效率和表面质量；同时，提出了主动控制技术与工艺参数优化相融合的颤振抑制策略，并通过实验证明了该策略的有效性。研究成果为复杂曲面零件五轴联动加工提供了切实可行的技术方案，对推动高端制造业的发展具有重要意义。未来的研究可以进一步探索更加高效的刀具轨迹优化算法和智能化的颤振抑制方法，以满足不断提高的复杂曲面零件加工需求。

参考文献

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