Planificación de trayectorias de herramientas y simulación dinámica en mecanizado CNC de 5 ejes

 

El mecanizado CNC de cinco ejes es un medio eficaz para mecanizar de manera eficiente piezas complejas en los campos de la aviación, la industria aeroespacial, la energía y la defensa nacional, y es un gran avance en la mejora de la tecnología de fabricación. Partiendo de las ventajas del mecanizado CNC de cinco ejes, se describe la planificación de la trayectoria de la herramienta, la simulación integrada de geometría y mecánica y la simulación dinámica, centrándose en el reciente progreso de la investigación sobre la optimización de la dirección del eje de la herramienta basada en la accesibilidad, la planificación de la posición de la herramienta de formación de contacto de punto de tercer orden y contacto de línea, la solución analítica de la superficie de la envolvente de la herramienta y el análisis de la estabilidad del proceso de mecanizado, analiza los problemas existentes y mira hacia las tendencias de desarrollo futuras.

El mecanizado CNC tradicional de tres ejes completa el mecanizado de la pieza controlando la traslación de la herramienta. Las máquinas herramienta CNC de cinco ejes se componen de máquinas herramienta de tres ejes con dos grados de libertad de rotación. Las máquinas herramienta CNC de cinco ejes se pueden colocar en cualquier dirección dentro del espacio de trabajo utilizando estos dos ejes de rotación. Las ventajas del mecanizado CNC de cinco ejes se logran principalmente controlando la dirección del eje de la herramienta, lo que se refleja específicamente en los siguientes aspectos:

Si bien el mecanizado CNC de cinco ejes tiene las ventajas mencionadas anteriormente, también trae consigo nuevos desafíos. Debido a la introducción del movimiento rotatorio, la postura del eje de la herramienta es más flexible. Es difícil imaginar intuitivamente el movimiento de la herramienta en relación con la pieza de trabajo en el sistema de coordenadas de la máquina herramienta, lo que aumenta la dificultad de la planificación de la trayectoria de la herramienta. Además, la velocidad de avance de cada punto de la herramienta no es la misma y las condiciones de mecanizado cambian instantáneamente, lo que complica la predicción de la fuerza de corte y los problemas dinámicos. El trabajo de investigación actual se refleja principalmente en tres aspectos^[1]:planificación de la trayectoria de la herramienta, simulación geométrica-mecánica integrada del proceso de mecanizado y simulación dinámica, como se muestra en la Figura 1. La planificación de la trayectoria de la herramienta genera la trayectoria del movimiento de la herramienta en relación con la pieza de trabajo en función del modelo de la pieza, el plan de mecanizado y los requisitos de error.

(1) Cambiar la dirección del eje de la herramienta puede evitar interferencias entre la herramienta y la pieza, y lograr el mecanizado de piezas de superficie curva complejas, como impulsores y hélices integrales;

(2) Al ajustar la dirección del eje de la herramienta, la geometría de la herramienta y la superficie de la pieza de trabajo se pueden adaptar mejor, se puede aumentar el ancho de corte efectivo y se puede lograr un mecanizado eficiente de piezas grandes de superficie curva abierta;

(3) El control de la dirección del eje de la herramienta puede mejorar las condiciones de mecanizado. Por ejemplo, al mecanizar áreas con una gran curvatura, como la base del impulsor, solo se pueden utilizar herramientas de radio pequeño con baja rigidez. La elección de una dirección razonable del eje de la herramienta puede acortar el voladizo de la herramienta. El control de la dirección del eje de la herramienta también puede controlar el área donde la herramienta participa en el corte, reducir la fuerza de corte y el desgaste de la herramienta y mejorar la calidad de la superficie mecanizada.

La trayectoria de la herramienta generada tiene un papel decisivo en la calidad y la eficiencia del mecanizado y es la base para la simulación integrada geométrico-mecánica del proceso de mecanizado. La geometría en la simulación integrada geométrico-mecánica se refiere a la geometría de corte entre la herramienta y la pieza de trabajo durante el proceso de eliminación de material. La simulación integrada se refiere a la integración de la geometría de corte y los modelos de fuerza de corte para predecir la fuerza de corte dinámica durante el proceso de mecanizado.

Es la base para planificar las velocidades de avance en función de la fuerza de corte, predecir y compensar la deformación de la herramienta y de la pieza de trabajo, y también puede proporcionar información mecánica para la simulación dinámica. La simulación dinámica es el proceso de predicción de la estabilidad del proceso de mecanizado y la morfología de la superficie de la pieza de trabajo en función de la fuerza de corte y las características dinámicas del sistema máquina-herramienta-herramienta-pieza de trabajo. Es la base para optimizar los parámetros del proceso y las trayectorias de las herramientas de acuerdo con las características dinámicas del proceso de mecanizado.

A nivel internacional, se han llevado a cabo muchas investigaciones teóricas y aplicadas sobre el mecanizado CNC de cinco ejes. Actualmente, existen software CAM general (como UG y Catia), software CAM especial (como Max para el mecanizado de impulsores y TurboSoft para el mecanizado de álabes) y software de simulación dinámica (como CutterPro). En 2001, la Unión Europea lanzó el proyecto “Flamingo (optimización del fresado de flancos)” y estudió conjuntamente métodos eficientes de fresado lateral con empresas y universidades famosas como SNECMA, Rolls Royce y Dassault Systèmes. United Technologies Corporation, Pratt & Whitney y Concepts NREC han estado estudiando la tecnología de mecanizado de precisión eficiente de cinco ejes. China también ha desarrollado software como Kaimo, 5BDM y DynaCut, pero aún está en sus inicios en la investigación teórica y la aplicación.

El software comercial actual proporciona una gran cantidad de estrategias para la planificación y simulación de trayectorias de herramientas, pero aún es imperfecto en términos de inteligencia, procesabilidad y eficiencia computacional. Por ejemplo, la estrategia de control de la dirección del eje de la herramienta se basa principalmente en la entrada de los programadores, y es difícil optimizar automáticamente la dirección del eje de la herramienta para cumplir simultáneamente con los requisitos de evitación de interferencias, procesamiento de líneas anchas, suavidad general de las trayectorias de la herramienta y acortamiento de la longitud de la herramienta. En términos de simulación dinámica, se dirige principalmente al mecanizado CNC de tres ejes, y existe una necesidad urgente de modelado y simulación de dinámica de procesos de corte y fuerza de corte para el mecanizado de alta velocidad de cinco ejes.

1. Planificación de la trayectoria de la herramienta

La planificación de la trayectoria de la herramienta es la tecnología central de la programación CNC. La mayor dificultad en la planificación de la trayectoria de la herramienta para el mecanizado eficiente de cinco ejes de superficies complejas es que, además de satisfacer las restricciones geométricas, también es necesario considerar las características dinámicas y los factores físicos durante el proceso de mecanizado. Especialmente para piezas de trabajo hechas de materiales difíciles de mecanizar, las características dinámicas y los factores físicos determinan en gran medida la eficiencia y la calidad del mecanizado, y deben considerarse en la etapa de planificación de la trayectoria de la herramienta. Al planificar la trayectoria de la herramienta, es necesario ampliar el área de corte efectiva de la herramienta y mejorar las condiciones del proceso ajustando la dirección del eje de la herramienta mientras se asegura que no haya interferencias.

1.1 Prevención de interferencias

La evitación de interferencias es la restricción geométrica que se debe considerar primero al mecanizar piezas curvas complejas. Los métodos actuales de planificación de trayectorias de herramientas sin interferencias se pueden dividir en métodos de planificación basados ​​en la generación y detección y métodos de planificación basados ​​en la accesibilidad. La generación y detección se refiere a generar primero la trayectoria de la herramienta y luego detectar la interferencia, y evitar la interferencia ajustando la dirección del eje de la herramienta, como se muestra en la Figura 2; mientras que el método de planificación de trayectorias de herramientas basado en la accesibilidad genera directamente trayectorias de herramientas sin interferencias en el espacio accesible, como se muestra en la Figura 3.

El trabajo del método de generar antes de detectar se centra en la comprobación de interferencias y el ajuste de la dirección del eje de la herramienta. Normalmente, hay decenas de miles o incluso cientos de miles de puntos de posición de la herramienta en un programa de control numérico. La comprobación de interferencias suele requerir mucho tiempo y recursos informáticos, por lo que la investigación se centra en mejorar la eficiencia de la comprobación de interferencias global.^[2,3]Al mecanizar piezas complejas, el método de generar antes de detectar a menudo requiere una comprobación repetida de interferencias y un ajuste de la dirección del eje de la herramienta. En este proceso, se consideran principalmente las limitaciones geométricas y es difícil optimizar la dirección del eje de la herramienta según los requisitos del proceso.

El método de planificación basado en la alcanzabilidad calcula primero el cono de dirección alcanzable de la herramienta en el punto de contacto discreto de la herramienta y luego planifica la trayectoria de la herramienta en la dirección alcanzable. La ventaja de este método es que puede juzgar directamente la maquinabilidad de la pieza, reducir o incluso evitar el ajuste y la detección repetidos de la trayectoria de la herramienta y, por lo tanto, optimizar la trayectoria de la herramienta en el espacio libre de interferencias de la herramienta. Por ejemplo, la dirección del eje de la herramienta se puede optimizar de acuerdo con el rendimiento cinemático de la máquina herramienta, superando la dificultad de evitar la interferencia global al optimizar la dirección del eje de la herramienta. Sin embargo, al mecanizar piezas complejas, el modelo de obstáculos a menudo se compone de cientos de miles o incluso cientos de miles de polígonos. Calcular la dirección del eje de la herramienta alcanzable a menudo requiere enormes recursos informáticos y tiempo. Por lo tanto, el enfoque de la investigación está en cómo calcular rápidamente el cono de dirección alcanzable de la herramienta, incluido principalmente el método espacial C (espacio de configuración).^[4,5] y el método del cono visible ^[6~10]La clave del método del espacio C es cómo mapear rápidamente la superficie del obstáculo al espacio C, y la eficiencia computacional es el principal problema de este tipo de algoritmo.

Los resultados del cálculo de Wang et al. ^[5] Demuestre que cuando el modelo de obstáculos contiene 10,000 1190.33 triángulos, incluso si no se considera la comprobación de interferencias del portaherramientas, el tiempo para calcular el cono de dirección alcanzable alcanzará XNUMX minutos. Para mejorar la eficiencia del cálculo, primero se ignora el radio de la herramienta y se abstrae la herramienta como un rayo que comienza desde el punto de posición de la herramienta. El problema de alcanzabilidad se transforma en un problema de visibilidad. Los autores de este artículo ^[6,7,8] Se utilizó el método del espacio C para describir el cono de visibilidad de la herramienta y se propusieron tres estrategias para mejorar la velocidad del cálculo del cono de visibilidad utilizando el algoritmo de eliminación oculta en gráficos, y se propuso un método de análisis de la capacidad de fabricación de la superficie basado en el cono de visibilidad. Sin embargo, la visibilidad no considera el radio de la herramienta y el portaherramientas, sino que es solo una condición necesaria para que la herramienta no tenga interferencias. Por lo tanto, se requiere un posprocesamiento que consume mucho tiempo para verificar la interferencia con precisión. ^[9]Si la superficie de mecanizado y la superficie de control de interferencia están separadas por distancias iguales, el problema de alcance de la herramienta de punta esférica puede ser equivalente al problema de visibilidad. ^[10].

Sin embargo, el cálculo de la superficie de igual distancia resultante es una tarea compleja y este método aún no puede considerar con precisión el radio del portaherramientas. Solo es aplicable a herramientas con punta esférica. Por lo tanto, es difícil tener una aplicación universal. Los autores de este artículo ^[11,12] Generalizaron el concepto de cono de visibilidad tradicional y propusieron un método para calcular de manera eficiente el cono de dirección alcanzable global de la herramienta, que tiene una complejidad temporal aproximadamente lineal. Para las fresas de fondo plano y las fresas circulares que se utilizan comúnmente en la industria, el punto de posición único de la herramienta generalmente se puede determinar de acuerdo con el punto de contacto de la herramienta, la dirección de la normal de la superficie y la dirección del eje de la herramienta.

Cuando el punto de posición de la herramienta se observa en la dirección opuesta a la dirección del eje de la herramienta, el problema de alcanzabilidad global de la herramienta puede ser equivalente al problema de visibilidad completa de un conjunto de superficies de disco y superficies de cono. La función de consulta de oclusión en la tarjeta gráfica (GPU) se puede utilizar para detectar rápidamente la visibilidad completa de las superficies de disco y cono, y luego determinar la alcanzabilidad completa de la herramienta. La Tabla 1 compara el tiempo de cálculo de los tres algoritmos. Se puede encontrar que cuando el número de triángulos y el número de direcciones del eje de la herramienta del modelo de obstáculo de entrada son más de 10 veces mayores que el del algoritmo en la literatura [9], el tiempo de cálculo del algoritmo basado en GPU es solo el 2% del algoritmo en la literatura [9], y el tiempo de cálculo promedio de una sola posición de herramienta es menor al 2‰ del algoritmo en la literatura [9]. Incluso si el número de triángulos de entrada es 10 veces mayor que el de la referencia [3], el tiempo de detección promedio de una sola posición de herramienta basado en el algoritmo GPU es menos del 3 % del del algoritmo de referencia [3].

1.2 Eficiencia de procesamiento

Las fresas de punta esférica todavía se utilizan ampliamente en el mecanizado CNC de cinco ejes. La planificación de la posición de la herramienta de mecanizado de fresas de punta esférica es sencilla, pero la eficiencia es relativamente baja. Al ajustar su posición y actitud, las fresas que no son de punta esférica pueden hacer que el punto de contacto de la herramienta esté dentro del área de la tira cerca de la línea de trayectoria. La superficie de la envolvente de la herramienta se aproxima completamente a la superficie de diseño teórica, lo que aumenta significativamente el ancho de banda de procesamiento con una precisión dada y aprovecha al máximo el potencial de las máquinas herramienta de cinco ejes al procesar superficies curvas planas y abiertas, lo que se ha convertido en un tema de investigación candente en los últimos años. El trabajo de investigación se centra principalmente en el fresado de extremos de fresas de fondo plano y fresas de anillo y el fresado lateral de fresas cilíndricas y fresas cónicas. El fresado de extremos se basa en la formación de contacto puntual y se pueden obtener altas tasas de eliminación de material aumentando el área de corte efectiva de la herramienta. Mejore la eficiencia de procesamiento y la formación de contacto de línea se utiliza en el procesamiento de fresado lateral para realizar directamente el procesamiento de línea ancha.

El principio de conformado del mecanizado CNC de cinco ejes es el principio de envolvente de la familia de superficies de un solo parámetro. El error de mecanizado real es el error normal de la superficie de la envolvente de la herramienta en relación con la superficie de la pieza de trabajo. Dado que la superficie de la envolvente de la herramienta solo se puede calcular después de que se determinen todas las posiciones de la herramienta ^[13,14], cómo considerar la desviación entre la superficie envolvente de la herramienta y la superficie de la pieza de trabajo al planificar una sola posición de herramienta es un tema muy crítico, que está directamente relacionado con la precisión del cálculo de la posición de la herramienta. Debido a la dificultad y complejidad de la operación, la mayoría de la literatura ha adoptado un procesamiento simplificado aproximado ^[15], convirtiendo la planificación de la posición de la herramienta en un problema de aproximación de optimización entre la superficie de la herramienta y la superficie de la pieza de trabajo bajo una única posición de la herramienta. Los diversos modelos de optimización de la posición de la herramienta que se ofrecen no pueden reflejar fielmente el proceso de mecanizado real, y los métodos existentes solo son adecuados para el cálculo de la posición de la herramienta de una determinada superficie o una determinada herramienta. Todavía hay mucho margen de mejora en términos de versatilidad, operabilidad, estabilidad y precisión de mecanizado.

Para el fresado final, Wang Xiaochun et al. ^[15,16,17] estudiaron sucesivamente el problema de planificación de la posición de la herramienta desde la perspectiva del contacto de alto orden entre la superficie envolvente de la herramienta y la superficie de diseño en el punto de contacto de la herramienta. Wang Xiaochun et al. ^[15] Propusieron el método de curvatura osculante para fresas de disco cóncavas. En la sección normal perpendicular a la dirección de avance, la superficie envolvente formada por el círculo de trayectoria de la punta de la herramienta y la sección normal de la superficie teórica tienen las mismas derivadas de 1-3 órdenes, lo que aumenta el ancho de banda de procesamiento de cada pasada manteniendo la precisión. Rao et al. ^[16] Se analizó la correspondencia de la curvatura de la superficie de diseño y la superficie envolvente de la herramienta y se propuso un método para eliminar la interferencia local en el mecanizado de cinco ejes de superficies de forma libre con fresas de fondo plano. Ambos métodos anteriores se basan en el modelo aproximado local de la superficie envolvente de la herramienta para la optimización de la posición de la herramienta, pero solo son aplicables a fresas de disco o fresas de cabeza plana, y no se pueden extender a otros tipos de herramientas.

Gong et al. ^[17] Se ha establecido un modelo para describir la relación entre la superficie de la herramienta, la superficie envolvente de la herramienta y la superficie de diseño. Se propone el principio y el método de aproximación de la superficie envolvente de la herramienta a la superficie de diseño en el sentido de proximidad de la banda. Este método se aplica a herramientas rotativas generales, pero se basa en la reconstrucción local de segundo orden de la superficie envolvente de la herramienta. Solo puede lograr un contacto de segundo orden entre la superficie envolvente de la herramienta y la superficie de la pieza de trabajo.

En el caso del mecanizado de cinco ejes, en teoría se puede lograr un contacto de tercer orden entre ambos, por lo que el modelo de segundo orden no logra aprovechar al máximo el potencial del mecanizado de cinco ejes. Los modelos teóricos de estos métodos también son incompatibles entre sí, y todos ellos convierten las condiciones de contacto en ecuaciones y luego calculan estrictamente la posición de la herramienta que cumple con las condiciones de contacto. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, debido a la complejidad de la herramienta y la superficie de diseño, así como a la existencia de restricciones de no interferencia, restricciones del espacio de trabajo de la máquina herramienta y restricciones de suavidad de la trayectoria de la herramienta, a menudo es imposible lograr un mecanizado de contacto de alto orden preciso.

Los autores de este artículo ^[18,19] Estudió las características geométricas entre dos superficies de contacto lineal. La condición básica de la superficie envolvente de la herramienta es que esté en contacto lineal con la superficie de la herramienta y la superficie de diseño a lo largo de la línea característica y la línea de trayectoria de contacto de la herramienta respectivamente. Se propuso el principio de reconstrucción local de la superficie envolvente barrida por la herramienta rotativa.

Se estableció un modelo matemático para reconstruir la superficie aproximada local de tercer orden de la superficie envolvente de la herramienta a partir de una única posición de la herramienta, y se caracterizó la relación diferencial de tercer orden entre la superficie de la herramienta, la superficie envolvente de la herramienta y la superficie de diseño en la vecindad del punto de contacto de la herramienta. Sobre esta base, se propuso un nuevo método de planificación de la posición de la herramienta para el mecanizado CNC de cinco ejes de líneas anchas con herramientas sin punta esférica de superficies de forma libre: el método de contacto de tercer orden. Este método optimiza el ángulo de inclinación y el ángulo de alabeo de la herramienta de modo que la superficie envolvente de la herramienta y la superficie de diseño logren un contacto de tercer orden en el punto de contacto de la herramienta.

Es adecuado para cualquier herramienta de superficie rotatoria, cualquier superficie diseñada y varios métodos de procesamiento, y puede manejar naturalmente varias restricciones geométricas y cinemáticas. Se utilizó una fresa circular con un radio de círculo central de 10 mm y un radio de círculo principal de 2.5 mm para mecanizar una superficie en espiral. Cuando el error de mecanizado se limita a 0.005 y 0.01 mm en un cierto punto de contacto de la herramienta, los anchos de banda de mecanizado de las tres posiciones de la herramienta (contacto de primer orden de la herramienta de extremo esférico, contacto de segundo orden de la herramienta circular y contacto de tercer orden) se muestran en la Tabla 2. Se puede ver que el mecanizado de contacto de tercer orden logra la aproximación óptima local entre la superficie de la envolvente de la herramienta y la superficie de diseño, y mejora significativamente la eficiencia de mecanizado incluso en comparación con el mecanizado de contacto de segundo orden.

Para el fresado lateral, Lartigue et al. ^[20] En primer lugar, estudiaron el problema de optimización de la posición de la herramienta desde la perspectiva del control del error general. Al ajustar la superficie de traza del eje, se logró que la superficie envolvente de la herramienta se aproximara a la superficie de diseño en el sentido de mínimos cuadrados. Sin embargo, la medición del error que adoptaron se simplificó hasta cierto punto. Para el procesamiento de herramientas de columna, Gong et al.^[21] Se aplicó el principio de inclusión isométrica para transformar el problema en un problema de aproximación de mínimos cuadrados de la superficie isométrica de la superficie de la traza del eje a la superficie de diseño.

Este método no se limita al tamaño del error local, sino que se centra en controlar el error de aproximación de la envolvente de la familia de superficies de la herramienta a la superficie de diseño en su conjunto, por lo que se denomina método de optimización global. Aunque el ajuste de la superficie por mínimos cuadrados puede seguir directamente las teorías y métodos pertinentes de inversión de superficies, que es más fácil de implementar desde una perspectiva computacional, no cumple con los criterios de evaluación de error de contorno recomendados por las normas ISO y ANSI. Además, estos dos métodos no pueden manejar la restricción de no sobrecorte y no son adecuados para la planificación de semiacabado. Además, los problemas básicos como la descripción analítica del error normal entre la superficie de la envolvente y la superficie de diseño y la influencia del cambio en la forma de la superficie de la traza del eje en el error normal no se han resuelto bien.

Los autores de este artículo ^[22,23] Atribuyeron el problema de optimización general de la trayectoria de la herramienta para el fresado lateral con una fresa cilíndrica al problema de la mejor aproximación consistente de la envolvente de la herramienta a la superficie de diseño, definieron la función de error normal de la superficie de la traza del eje de puntos y derivaron sus expresiones de matriz de gradiente de primer orden y de color del mar de segundo orden para los parámetros de control de forma de la superficie de la traza del eje. Sobre esta base, se construyó un algoritmo eficiente de aproximación de la superficie de la traza del eje de nube de puntos discretos y se aplicó al fresado lateral de superficies regladas no desarrollables. La precisión geométrica se mejoró en más del 30% en comparación con los métodos internacionales existentes y la restricción de sobrecorte se pudo manejar de forma natural. Los resultados de la comparación se muestran en la Tabla 3.^[27,28]Este método utiliza la propiedad geométrica de que la superficie envolvente del cortador cilíndrico y la superficie de traza de su eje son equidistantes entre sí, por lo que no puede extenderse al caso de cortadores cónicos.

En algunas aplicaciones, una fresa cónica puede lograr un corte de radio pequeño en el extremo al mismo tiempo que garantiza la rigidez, evitando así la interferencia entre el extremo de la herramienta y la pieza de trabajo y la dificultad de la rigidez insuficiente de una fresa cilíndrica de radio pequeño. Por lo tanto, el método de optimización de la posición de la herramienta para el fresado lateral con fresa cónica ha atraído la atención en los últimos años.

Basándose en la representación de la envolvente esférica de doble parámetro de la superficie de la envolvente de la herramienta, los autores de este artículo ^[24,25] Propusieron un método para calcular directamente el error normal entre la envolvente de la herramienta y la superficie de diseño sin construir la superficie envolvente, y derivaron la expresión del gradiente de primer orden del error normal en relación con los parámetros de control de forma de la superficie de la trayectoria del eje de la herramienta, revelando la influencia de un pequeño ajuste de la posición de la herramienta en el error de aproximación general entre la superficie de diseño y la superficie envolvente de la herramienta.

Sobre esta base, se construyó un algoritmo de aproximación consistente óptimo para la nube de puntos discretos de la superficie envolvente de la herramienta a la superficie de diseño en base a la información derivada, logrando la optimización general de la trayectoria de la herramienta para el fresado lateral de cinco ejes con una fresa cónica. Las teorías y métodos relevantes también son aplicables a la planificación del fresado lateral de herramientas rotativas generales.

Tomando como ejemplo el fresado lateral de una pala de impulsor con una fresa cónica, las dos curvas límite de la superficie reglada de la pala son ambas curvas B-spline de tercer orden, y el radio del círculo inferior de la fresa cónica es de 6.25 mm, la altura de 30 mm y el ángulo del semicono es de 10°. Se seleccionan uniformemente 50 × 100 puntos discretos en la superficie reglada que se va a procesar. La superficie de traza del eje inicial se genera mediante el método de Chiou. ^[26]En este momento, el sobrecorte máximo entre la superficie de la envolvente de la herramienta y la superficie diseñada es de 0.0896 mm, y el socavado máximo es de 0.0239 mm. Después de optimizar la superficie de la traza del eje, el sobrecorte y el socavado máximos se reducen a 0.0062 y 0.0061 mm, respectivamente. Se puede observar que la optimización general de la trayectoria de la herramienta mejora significativamente la precisión geométrica de la pieza.

1.3 Mejora de las condiciones del proceso

El mecanizado de alta velocidad exige más suavidad en las trayectorias de las herramientas y en la rigidez general del sistema de mecanizado. La suavidad del eje de la herramienta y su longitud afectan a las características dinámicas del proceso de mecanizado CNC de cinco ejes; las diferentes direcciones del eje de la herramienta también cambiarán los parámetros de corte, como la velocidad de corte efectiva, y afectarán a factores físicos como la fuerza de corte. Estos factores deben integrarse en la planificación de la trayectoria de la herramienta para mejorar las condiciones del proceso.

(i) Suavidad en la dirección del eje de la herramienta. La suavidad en la dirección del eje de la herramienta tiene un impacto directo en el error cinemático no lineal, la eficiencia del mecanizado, la suavidad del movimiento de avance y las condiciones de corte. ^[29,30]Por lo tanto, la suavidad en la dirección del eje de la herramienta es un indicador importante para evaluar las trayectorias de la herramienta. La medición de la suavidad del eje de la herramienta se puede definir en el sistema de coordenadas de la máquina herramienta, el sistema de coordenadas de la pieza de trabajo o el sistema de coordenadas de avance, correspondiente al movimiento del eje rotatorio de la máquina herramienta, el cambio de la dirección del eje de la herramienta con respecto a la pieza de trabajo y el cambio de las condiciones de corte, respectivamente.

La mayoría de los estudios existentes consideran las métricas en el sistema de coordenadas de la máquina herramienta. Kersting et al. ^[31] estudiaron el método de suavizado de la dirección del eje de la herramienta en el espacio C libre basándose en las métricas del sistema de coordenadas de la máquina herramienta. Castagnetti et al. ^[29] definió las métricas en el sistema de coordenadas de la máquina herramienta con la suavidad del movimiento de alimentación del eje rotatorio y la eficiencia del procesamiento como objetivo, y demostró que el tiempo de procesamiento se puede acortar significativamente después de optimizar la dirección del eje de la herramienta.

Los autores de este artículo ^[11,12] Se estudió el algoritmo para suavizar en general la dirección del eje de la herramienta en el espacio factible del eje de la herramienta. El algoritmo tiene en cuenta las restricciones de velocidad angular entre posiciones de herramientas adyacentes y define el problema de suavizado en general de la dirección del eje de la herramienta como un problema de optimización restringido en el dominio discreto. El algoritmo de ruta más corta del grafo dirigido se utiliza para resolver el problema de optimización y obtener la ruta de herramienta suave en general.

El método de medición de la dirección del eje de la herramienta de suavizado en el sistema de coordenadas de la pieza de trabajo se centra principalmente en la planificación de la trayectoria de la herramienta NURBS. Dassault ^[32] Estudió el método de utilizar curvas spline duales para describir la trayectoria de la herramienta de mecanizado de cinco ejes y obtuvo una dirección de eje de herramienta suave mediante interpolación. El sistema CNC 840D de Siemens lanzó una interfaz que admite trayectorias de herramienta NURBS duales equidistantes. La dirección del eje de la herramienta es una curva spline racional en una esfera, que garantiza la suavidad de la dirección del eje de la herramienta.

El autor de este artículo 1) ^[33] Propusieron un método para generar trayectorias de herramientas NURBS duales equidistantes. Basándose en la cinemática de “punto-línea”, se introdujo un hiperplano de cuaternión dual para describir el espacio de posición de la herramienta, y el problema de generación de “posición de herramienta discreta → trayectoria de herramienta continua” se convirtió en un problema de diseño de curva de interpolación plana en el espacio de cuaternión dual. La curva B-spline se utilizó para diseñar una trayectoria de herramienta en forma de expresión de movimiento racional, que se puede convertir fácilmente en la expresión de curvas NURBS duales de paso fijo.

La medición en el sistema de coordenadas de avance refleja el cambio en las condiciones de corte. Suavizar la dirección del eje de la herramienta según la medición en el sistema de coordenadas de avance ayuda a lograr una fuerza de corte uniforme. Ozturk et al. ^[34] analizó la relación entre la dirección del eje de la herramienta y la fuerza de corte para el procesamiento de fresas de punta esférica y demostró que la dirección del eje de la herramienta tiene un impacto significativo en la calidad de procesamiento de las fresas de punta esférica.

Los autores de este artículo ^[30,35] Propusieron un algoritmo para suavizar en general la dirección del eje de la herramienta en la rejilla de contacto de la herramienta. El algoritmo considera de manera integral tres mediciones en el sistema de coordenadas de la pieza de trabajo, el sistema de coordenadas de la máquina herramienta y el sistema de coordenadas de avance. Puede garantizar simultáneamente la suavidad general de la dirección del eje de la herramienta a lo largo de la dirección de avance y la dirección de la fila adyacente. Además, solo necesita calcular el cono de dirección alcanzable de la herramienta en la rejilla de contacto de la herramienta, que tiene una alta eficiencia computacional. La simulación muestra que la optimización general de la dirección del eje de la herramienta puede mejorar la eficiencia del procesamiento, hacer que el movimiento de avance de la máquina herramienta sea más estable y es propicio para lograr una fuerza de corte suave durante el procesamiento.

(ii) Acortar la longitud de la herramienta. La capacidad de procesar piezas complejas con herramientas más cortas es una ventaja importante del mecanizado CNC de cinco ejes. Acortar la longitud del voladizo de la herramienta puede mejorar la rigidez de todo el sistema de mecanizado. La longitud de herramienta segura más corta generalmente se calcula durante la etapa de simulación del programa CNC. Por ejemplo, el software de simulación CNC Vericut proporciona la función de calcular la longitud de herramienta segura más corta en la versión 6.2. Para calcular la longitud de herramienta segura más corta durante el proceso de simulación, primero se debe planificar la trayectoria de la herramienta. El voladizo seguro de la herramienta solo se puede calcular para la trayectoria de la herramienta existente. Sin embargo, al mecanizar piezas complejas, la longitud de herramienta segura más corta a menudo se determina por la dirección del eje de la herramienta. Por lo tanto, la longitud de herramienta segura más corta debe considerarse durante la etapa de planificación de la trayectoria de la herramienta.

En las investigaciones existentes se ha tenido menos en cuenta cómo considerar la longitud mínima segura de la herramienta al planificar la trayectoria de la herramienta para el mecanizado CNC de cinco ejes. Morimoto et al. ^[10] Propusieron un algoritmo para ajustar la dirección del eje de la herramienta para acortar la longitud de la herramienta para el mecanizado de ángulo fijo de fresas de punta esférica. Este método requiere primero encontrar las superficies de compensación equidistantes de la superficie mecanizada y la superficie de control de interferencia y es demasiado conservador al calcular la longitud segura de la herramienta. Los autores de este artículo ^[36] Propusieron un método para calcular la longitud mínima segura de la herramienta en la dirección accesible basándose en la detección de accesibilidad de la herramienta basada en GPU, lo que proporciona un método eficiente de planificación de la longitud de seguridad de la herramienta para el mecanizado CNC 3+2. Sobre esta base, se exploró más a fondo el algoritmo de planificación de la trayectoria de la herramienta para el mecanizado CNC con articulación de cinco ejes con la longitud de herramienta más corta como objetivo. ^[37,38]Tomando la no interferencia de la trayectoria de la herramienta y la suavidad de la dirección del eje de la herramienta entre posiciones de herramientas adyacentes como restricciones, el problema de optimización de la longitud de la herramienta se transformó en un problema de optimización de combinación de restricciones y se proporcionó un método de solución eficaz.

2. Simulación integrada geometría-mecánica

La simulación de la fuerza de corte dinámica es la base de la simulación física y se utiliza ampliamente en la optimización de parámetros de corte como la velocidad de avance y la velocidad del husillo, la predicción de vibraciones de corte, el control adaptativo del proceso de mecanizado, el seguimiento del desgaste y los daños de la herramienta, la predicción de la morfología de la superficie de mecanizado y el análisis y la compensación de errores de mecanizado. La simulación integrada de geometría y mecánica predice la fuerza de corte dinámica en función de las condiciones de corte instantáneas durante la eliminación de material. Incluye dos aspectos: coeficiente de fuerza de corte y geometría de corte instantánea. El coeficiente de fuerza de corte se obtiene generalmente mediante calibración experimental. ^[39,40]Por lo tanto, el trabajo principal es el escaneo volumétrico de la herramienta y el modelado de la geometría de corte herramienta-pieza.

2.1 Integración de simulación geométrica y predicción de fuerza de corte

La clave para modelar el cuerpo de la herramienta barrida es resolver su superficie envolvente. Para modelar la superficie envolvente del cuerpo de la herramienta barrida bajo un movimiento de cinco ejes, los métodos comúnmente utilizados son los métodos numéricos. ^[41], incluidos el método de pérdida de rango jacobiano, el método de ecuación diferencial barrida, el método de modelado implícito y el método de suma de Minkowski. Estos métodos requieren soluciones numéricas de ecuaciones diferenciales ordinarias de alto orden o ecuaciones trascendentales, que requieren un gran esfuerzo computacional. Chiou et al. ^[42] Se derivaron las fórmulas de solución para las líneas características instantáneas del cortador anular y del cortador APT compuestos por las superficies cónicas superior e inferior y la superficie anular intermedia bajo un movimiento de interpolación lineal de cinco ejes. Du y Ye et al. ^[43,44] Simplificaron los resultados de Chiou introduciendo la representación instantánea de la velocidad del cuerpo rígido y del marco. Posteriormente, Chiou et al. ^[45] Se obtuvieron las fórmulas de solución para las líneas características instantáneas de la fresa APT bajo el movimiento general del cuerpo rígido en el espacio introduciendo el marco instantáneo en el punto de contacto de la herramienta. Los métodos anteriores requieren un cálculo punto por punto de los puntos en la superficie envolvente, y el proceso de determinación de la solución es relativamente complicado.

Los autores de este artículo ^[13,14] Propuso dos expresiones analíticas para la superficie de barrido del filo de una herramienta rotatoria:

(1) La superficie rotatoria del filo de corte de una fresa cónica, una fresa de tambor y una fresa de anillo se representa como la superficie envolvente de una familia de esferas de radio variable de un solo parámetro. La superficie envolvente del volumen barrido y su vector normal externo unitario de los tres tipos de herramientas en movimiento espacial general se derivan utilizando la teoría de la envolvente de la familia de esferas de doble parámetro;

(2) La expresión analítica de la línea característica de la superficie envolvente barrida de una herramienta rotatoria arbitraria en movimiento espacial general se deriva aplicando la condición de envolvente y el método de representación de la velocidad del movimiento del cuerpo rígido. El método tiene las ventajas de no introducir un marco instantáneo adicional y la fórmula es concisa y clara.

La geometría de corte de la pieza de trabajo es la base de la simulación de la fuerza de fresado del mecanizado de cinco ejes. En la actualidad, los métodos de modelado de la geometría de corte que se utilizan habitualmente se dividen principalmente en tres categorías: modelado sólido, modelado analítico y modelado de geometría discreta:

(1) Método de modelado de sólidos, Altintas y col. ^[46] Se utilizaron herramientas de modelado de sólidos ACIS para determinar el estado de malla instantáneo y el espesor de corte de la fresa cónica y la pieza de trabajo en el fresado lateral de cinco ejes;

(2) Método de modelado analítico, Elbestaw y col. ^[47,48] representó la curva de la cuchilla como una curva NURBS y determinó el microelemento de la cuchilla y el espesor de corte instantáneo calculando la intersección de la curva y la geometría de la pieza de trabajo;

(3) Método de modelado de geometría discreta, Jerard y col. ^[40] Se utilizó el método de búfer Z extendido para representar la geometría de la pieza de trabajo y se calculó el área de malla instantánea y el espesor de corte instantáneo mediante la relación de intersección entre el cuerpo de escaneo de la herramienta y la unidad de búfer Z.

2.2 Planificación de la velocidad de avance con limitaciones de fuerza de socavado

Basándose en la simulación integrada de geometría y mecánica del proceso de fresado de cinco ejes, la velocidad de avance se puede optimizar en función de la fuerza de corte. Los algoritmos de optimización de la velocidad de avance del software CAM comercial actual se basan todos en el análisis de volumen (también conocido como tasa de eliminación de material). En este método tradicional, la velocidad de avance suele configurarse para que sea inversamente proporcional a la tasa de eliminación de material instantánea o para que sea una función exponencial de la tasa de eliminación de material. Las dos principales desventajas de este método son:

(1) Aunque la tasa de eliminación instantánea de material puede reflejar la magnitud de la fuerza de corte hasta cierto punto, no puede reflejar la dirección de la fuerza de corte. Por lo tanto, la optimización de la velocidad de avance basada en la tasa de eliminación de material no puede reflejar la naturaleza de la fuerza de corte;

(2) La magnitud de la fuerza de corte generada por la velocidad de avance planificada por este método es difícil de mantener constante.

Dadas las deficiencias de la planificación de la velocidad de alimentación en función de la tasa de eliminación de material, Bailey et al. ^[47,48] Propusieron un método de planificación de la velocidad de avance del mecanizado de cinco ejes basado en el modelo de fuerza de corte. Erdem et al. ^[49] Se realizó un estudio comparativo detallado de las dos estrategias de optimización de la velocidad de avance basadas en el modelo de fuerza de corte y el modelo de velocidad de remoción de material. El autor de este artículo ^[50] propuso un método de planificación fuera de línea para la velocidad de avance del fresado lateral CNC de cinco ejes con restricciones de fuerza de corte:

Con base en el formato de interpolación polinómica de spline cúbico de cada eje de la máquina herramienta, se establece un modelo de optimización con la serie temporal entre puntos de posición adyacentes de cada eje como variable de diseño, la suma mínima de la serie temporal de ejecución entre puntos de posición adyacentes de cada eje como función objetivo, la velocidad, aceleración y límite de salto de cada eje como restricción, y la fuerza de corte máxima de la herramienta durante el corte es menor que el valor del dominio de la válvula como restricción, y se utiliza el algoritmo óptimo global para resolver y obtener la velocidad de avance óptima. Este método es adecuado para el mecanizado en bruto de superficies de forma libre y el mecanizado de semiacabado de superficies regladas o superficies cuasi regladas.

3. Simulación dinámica del proceso de mecanizado.

La simulación dinámica del proceso de fresado de cinco ejes proporciona datos históricos de las variables de estado del proceso para la optimización del proceso de mecanizado. El trabajo principal incluye el modelado dinámico, el análisis de la estabilidad del proceso de mecanizado y la optimización de los parámetros del proceso.

3.1 Modelado cinético

El modelo de dinámica estructural del sistema herramienta-pieza se divide en:
(1) Modelo de vibración del acoplamiento herramienta-piezaPara el procesamiento de piezas de placas delgadas, el grupo de investigación de Ratchev ^[51] propuso un modelo de vibración de acoplamiento de placa delgada-herramienta basado en FEM; Kovecses et al. ^[52] Propusieron un modelo de vibración de fresado de piezas de placa delgada basado en modelado analítico. Sin embargo, para el fresado de piezas de carcasa delgada, los modelos de vibración de la pieza de trabajo y los modelos de vibración de acoplamiento herramienta-pieza de trabajo rara vez se ven en revistas internacionales.

(2) Modelado de dinámica de contacto entre la pieza de trabajo y el accesorio. Hu y otros. ^[53] utilizaron un modelo de parámetros agrupados para analizar la estabilidad dinámica del dispositivo en el marco de la dinámica multicuerpo flexible; Kapoor et al. ^[54] estudiaron el modelo de contacto de fricción dinámica del accesorio-pieza de trabajo y analizaron la influencia del efecto dinámico en el rendimiento del procesamiento; Rong et al. ^[55] Establecieron un modelo de contacto entre el dispositivo y la pieza de trabajo en el marco del método de elementos finitos (MEF) y completaron la identificación experimental de la matriz de rigidez de contacto. Por otro lado, Melkote et al. et al. ^[56] analizó la influencia del efecto dinámico pieza-herramienta (las características variables en el tiempo de la inercia de la pieza, rigidez, frecuencia, etc. durante el proceso de eliminación de material de la fresa) en la estabilidad dinámica del proceso de sujeción.

3.2 Análisis de estabilidad del proceso

Basándose en el modelo de dinámica estructural del sistema herramienta-pieza, el trabajo actual sobre análisis dinámico del proceso de fresado se centra principalmente en el análisis de vibraciones. Las vibraciones del proceso de corte se dividen en vibraciones regenerativas, vibraciones de acoplamiento modal, etc. En general, se cree que las vibraciones regenerativas se producen antes que las vibraciones de acoplamiento modal. La comparación de los métodos de análisis de estabilidad de vibraciones utilizados habitualmente se muestra en la Tabla 4. Altintas et al. ^[57] Se utilizó la expansión de Fourier del coeficiente de fuerza de corte para generar un modelo de predicción de vibraciones en el fresado (método ZOA). Su precisión depende de la tendencia de cambio de la fuerza de corte y del número de términos de Fourier. Es muy eficaz para herramientas de múltiples dientes y métodos de mecanizado con grandes profundidades de corte radial, pero carece de precisión suficiente para métodos de mecanizado con herramientas de pocos dientes y pequeñas profundidades de corte radial. En los últimos años, el grupo de Altintas ^[58] ha propuesto un método multifrecuencia que puede utilizarse para predecir la estabilidad del fresado con pequeñas profundidades de corte radial. Bayly et al. ^[59] Combinó la solución analítica de la vibración sin herramientas y la solución aproximada de la vibración del proceso de contacto herramienta-pieza para desarrollar un método de elementos finitos en el dominio del tiempo (TFEA) para predecir la vibración del sistema de fresado.

Sin embargo, este método es principalmente adecuado para predecir la estabilidad del fresado con pequeñas profundidades de corte radial. Sin embargo, existe un gran error en el caso de una gran profundidad de corte radial. Integer et al. ^[60] Transformó la ecuación de retardo temporal de dinámica de mecanizado en una serie de ecuaciones diferenciales ordinarias autónomas discretizando el término de retardo temporal y realizando un promedio de orden cero en el término de coeficiente periódico, es decir, el llamado método semidiscreto, que se puede utilizar para predecir la aparición de vibraciones. Su precisión depende de la longitud del paso discreto y la cantidad de cálculo es cercana a la del método multifrecuencia. ^[61], que es mucho mayor que la del método ZOA. Este método es un método general que se aplica a la predicción de la estabilidad del fresado tanto para profundidades de corte radiales grandes como pequeñas.

Los autores de este artículo ^[62] Se propuso un método completamente discreto para predecir la estabilidad de la molienda, basado en un formato de integración directa. La respuesta de un sistema lineal periódico de un solo retardo, considerando el efecto regenerativo, se expresa primero en forma integral. Tras discretizar el período único a intervalos iguales, los términos variables en el tiempo (incluidos los términos de coeficiente periódico, los términos de retardo y los términos de estado) del término integral de Duhamel en la respuesta se interpolan linealmente de forma síncrona en cada intervalo de tiempo. Con base en esto, se construye un sistema dinámico discreto que se aproxima al sistema continuo original, y se obtienen los autovalores de la matriz de transferencia del sistema dinámico discreto. Según el teorema de Floquet, la estabilidad del sistema está determinada por el tamaño del módulo de autovalor.

Este método es un método general adecuado para la predicción de alta precisión de la estabilidad del fresado con profundidades radiales de corte grandes y pequeñas y tiene una mayor eficiencia computacional que el método semidiscreto porque al escanear el plano del par de parámetros “velocidad-profundidad de corte”, no hay necesidad de calcular la función exponencial matricial en la capa de ciclo de escaneo de la profundidad de corte. El ejemplo muestra que, bajo la premisa de garantizar la precisión numérica, la eficiencia computacional del método completamente discreto para predecir la estabilidad de un sistema de fresado de un solo grado de libertad se puede mejorar en aproximadamente un 75% en comparación con el método semidiscreto. Para los sistemas de fresado de dos grados de libertad, la mejora puede ser de aproximadamente un 60%.

3.3 Optimización de parámetros de proceso

El trabajo sobre la optimización de parámetros de proceso sin vibraciones se centra principalmente en el mecanizado de tres ejes. Budak et al. ^[63] Propusieron un método para calcular la profundidad de corte axial y radial óptima bajo el objetivo de máxima tasa de remoción de material sin vibraciones. Altintas et al. ^[64] Propusieron un método de optimización de la velocidad de avance y la velocidad del husillo de control numérico basado en la simulación del proceso de fresado y la predicción de la estabilidad de vibración. El modelo de predicción de estabilidad existente y la optimización de los parámetros del proceso de fresado de cinco ejes se basan en modelos dinámicos con ciertos parámetros. Este método no introduce la incertidumbre de los parámetros del sistema de corte en la planificación de los parámetros del proceso y no puede reflejar las condiciones de mecanizado reales. Por lo tanto, los parámetros del proceso obtenidos no son la verdadera solución óptima y aún pueden causar vibración. Los parámetros físicos y geométricos de la estructura de la herramienta-pieza de trabajo contienen muchas incertidumbres, como parámetros físicos como el módulo elástico y el coeficiente de Poisson, y parámetros geométricos como el espesor de la pieza de trabajo y otras dimensiones geométricas. En el pasado, el problema de la incertidumbre en el fresado se estudiaba principalmente desde la perspectiva del control. ^[65], y el controlador fue diseñado para compensar los errores en el modelo de fuerza de corte y los factores no lineales de alimentación de fuerza de corte en el proceso de corte.

En la actualidad, existen pocos trabajos sobre modelado dinámico de procesos de fresado CNC con parámetros inciertos en el mundo. Los autores de este artículo ^[66,67,68] Se propuso un método de optimización robusto para los parámetros del proceso de fresado de cinco ejes, considerando la incertidumbre de los parámetros del proceso de mecanizado. Teniendo en cuenta los factores inciertos en el... proceso de mecanizadoSe utilizó álgebra de intervalos para resolver los límites superior e inferior del diagrama de estabilidad de vibraciones en fresado y los límites superior e inferior de la respuesta dinámica de la herramienta, basándose en el análisis de sensibilidad. Se estableció un modelo de optimización robusto para los parámetros del proceso, y el problema de optimización multiobjetivo con parámetros inciertos se transformó en un problema de optimización monoobjetivo con parámetros específicos para su optimización y solución. En comparación con los resultados del modelo con parámetros específicos, los obtenidos mediante la resolución del modelo de optimización robusto garantizan la estabilidad del fresado de cinco ejes de superficies complejas.

4. panorama

El mecanizado CNC de cinco ejes es un medio eficaz para mecanizar de manera eficiente piezas complejas en los campos de la aviación, la industria aeroespacial, la energía y la defensa nacional, y es un gran avance en la mejora de la tecnología de fabricación. La Fundación Nacional de Ciencias Naturales, el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Básico Clave y los principales proyectos de ciencia y tecnología enumeran la teoría básica y la tecnología común del mecanizado CNC de cinco ejes como direcciones de investigación clave. Combinando las principales necesidades del país y la vanguardia de la ciencia de la fabricación, las futuras direcciones de investigación del mecanizado CNC de precisión de alta eficiencia de cinco ejes son las siguientes:

(1) Un modelo de simulación dinámica completo del proceso de mecanizado CNC.

La simulación dinámica es la base teórica para lograr un mecanizado eficiente y preciso. La investigación actual se centra en algunos subsistemas del sistema “máquina herramienta-herramienta-pieza-dispositivo”. Hasta ahora, no se ha publicado ningún informe sobre un modelo dinámico “herramienta-pieza-dispositivo” relativamente completo, ni un análisis detallado de su respuesta dinámica ante microperturbaciones de los parámetros del proceso sobre la calidad de las piezas finales. Por ejemplo, las ideas existentes para el análisis de vibraciones del proceso de mecanizado son todas “dinámicas estructurales”, es decir, se ignora el efecto de acoplamiento del movimiento del cuerpo rígido a gran escala de la fresa y la vibración de la herramienta sobre la precisión del mecanizado de la superficie. En realidad, debido a la introducción del movimiento de rotación, la herramienta realiza un movimiento de avance variable en relación con la pieza de trabajo en el mecanizado de cinco ejes. Según la teoría de la “dinámica multicuerpo flexible”, el movimiento del cuerpo rígido a gran escala de la herramienta afecta a la pequeña deformación elástica de la herramienta. Para predecir con mayor precisión la morfología de la superficie de la pieza mecanizada, es necesario definir primero el impacto de este efecto de acoplamiento en la precisión del mecanizado de la superficie.

(2) Método de fabricación integrado de diseño-procesamiento-medición.

Teniendo en cuenta las condiciones de corte variables en el tiempo y muchos factores inciertos en el mecanizado de cinco ejes, una sola operación de mecanizado a menudo no puede satisfacer los altos requisitos del producto en términos de precisión geométrica y rendimiento físico. El modo de mecanizado de bucle cerrado que integra diseño-procesamiento-medición es un medio importante para resolver este problema y es la dirección de frontera de la fabricación digital. Incluye la planificación del proceso y la simulación del mecanizado, la adquisición de información de la superficie y el análisis de datos, la evaluación de la calidad y el rediseño de la superficie. Entre ellos, la tecnología de medición rápida in situ del rendimiento físico y la morfología geométrica, la teoría de rediseño de superficies con restricciones de múltiples fuentes basada en la inversión de ecuaciones de física matemática, el método de estimación precisa de la cantidad de material eliminado durante el mecanizado de compensación y el método de planificación del proceso de mecanizado de cinco ejes que considera las características dinámicas del sistema de procesamiento y las restricciones físicas del proceso de mecanizado son temas desafiantes.

(3) Método de simulación multifísica para el proceso de conformado por fresado de cinco ejes.

Las piezas complejas de alto rendimiento presentan mayores requisitos de calidad superficial. La simulación multifísica del proceso de conformado, basada en la simulación de la fuerza de corte del fresado de cinco ejes, se ha convertido en un nuevo foco de investigación. Proporciona una base teórica para el control del proceso de mecanizado y la optimización de los parámetros del proceso mediante la predicción cuantitativa del rendimiento macro y micro de las piezas. La simulación multifísica actual se centra principalmente en el torneado y fresado o el mecanizado CNC de tres ejes. ¿Cómo lograr una simulación física eficiente en...? mecanizado CNC de cinco ejes La variación temporal de las condiciones de corte constituye un problema complejo. Los contenidos específicos incluyen la descripción digital y la caracterización cuantitativa del campo energético de los materiales compuestos en el proceso de fabricación; la influencia del sistema y los parámetros del proceso en el rendimiento macro y micro de las piezas; la predicción y regulación cuantitativa de comportamientos físicos complejos en el proceso de fabricación; y nuevos métodos para la optimización y el control de procesos de mecanizado.

Referencias:

• • [1]Ding H, Xiong Y L. Fabricación computacional. Prog Nat Sci, 2002, 12: 8—16

• • [2]Wang QH, Li JR, Zhou R R. Enfoque asistido por gráficos para la detección rápida de colisiones en el mecanizado multieje. Int J Adv Manuf Tech, 2006, 30: 853—863

• • [3]Ilyushin O, Elber G, Halperin D, et al. Detección precisa de colisiones globales en mecanizado NC multieje. Comput Aided Design, 2005, 37: 909—920

• • [4]Morishige K, Takeuchi Y, Kase K. Generación de trayectorias de herramientas utilizando el espacio C para el mecanizado de control de 5 ejes. J Manuf Sci ET ASME, 1999, 121: 144—149

• • [5]Wang J, Roberts CA, Danielson S. Evaluación de accesibilidad local y global con geometría de herramientas. Comput Aided Des Appl, 2007, 4: 19—29

• • [6]Yin ZP, Ding H, Xiong Y L. Teoría de la visibilidad y algoritmos con aplicación a los procesos de fabricación. Int J Prod Res, 2000, 38: 2891—2909

• • [7]Yin Zhouping, Ding Han, Xiong Youlun, Método de análisis de accesibilidad basado en el cono de visibilidad y su aplicación. Scientia Sinica E: Technological Sciences, 2003, 33: 979—988

• • [8]Yang WY, Ding H, Xiong Y L. Análisis de la capacidad de fabricación de una superficie esculpida mediante el cálculo del cono de visibilidad. Int J Adv Manuf Tech, 1999, 15: 317—321

• • [9]Balasubramaniam M, Laxmiprasad P, Sarma S, et al. Generación de trayectorias de desbaste NC de 5 ejes directamente a partir de una representación teselada. Comput Aided Design, 2000, 32: 261—277

• • [10]Morimoto K, Inui M. Un algoritmo basado en GPU para determinar la dirección de corte óptima en el mecanizado de moldes profundos. En: ISAM-IEEE Int Symp Assem Manuf, Michigan, EE. UU., 2007, 203—208

• • [11]Ding Han, Bi Qingzhen, Wang Yuhan, et al. Método de planificación para una trayectoria de herramienta suave y sin interferencias en el mecanizado CNC de cinco ejes. Oficina de Propiedad Intelectual de China, número de concesión de patente: ZL200710045183.9., 2007 de agosto de 08

• • [12]Bi QZ, Wang YH, Ding H. Un algoritmo basado en GPU para generar trayectorias de herramientas de acabado de cinco ejes sin colisiones y con orientación uniforme de una fresa de punta esférica. Int J Prod Res, 2010, 48: 1105—1124

• • [13]Zhu LM, Zheng G, Ding H. Formulación de la envolvente de barrido de una fresa rotatoria que experimenta un movimiento espacial general para el mecanizado NC multieje. Int J Mach Tool Manu, 2009, 49: 199—202

• • [14]Zhu LM, Zhang XM, Zheng G, et al. Expresión analítica de la superficie barrida de un cortador rotatorio utilizando la teoría de la envolvente de la congruencia de esferas. J Manuf Sci ET ASME, 2009, 131: 44—56

• • [15]Wang Xiaochun, Wu Xutang, Li Yanbin. Método de curvatura osculante: un nuevo concepto en el mecanizado de superficies de forma libre. Revista de la Universidad de Xi'an Jiaotong, 1992, 26: 51—58

• • [16]Rao A, Sarma R. Sobre el ranurado local en el mecanizado de superficies esculpidas de cinco ejes utilizando herramientas de extremo plano. Comput Aided Design, 2000, 32: 409—420

• • [17]Gong H, Cao LX, Liu J. Aproximación de segundo orden de la superficie envolvente de la herramienta para mecanizado de 5 ejes con un único punto de contacto. Comput Aided Design, 2008, 40: 604—615

• • [18]Zhu LM, Ding H, Xiong Y L. Enfoque de contacto puntual de tercer orden para mecanizado de superficies esculpidas de cinco ejes utilizando herramientas con extremos sin bola. Parte I: Aproximación de tercer orden de la superficie envolvente de la herramienta. Sci China Ser E-Tech Sci, 2010,53, 1904: 1912—XNUMX

• • [19]Zhu LM, Ding H, Xiong Y L. Enfoque de contacto puntual de tercer orden para el mecanizado de superficies esculpidas de cinco ejes utilizando herramientas sin extremos esféricos. Parte II: Estrategia de posicionamiento de herramientas. Sci China Ser E-Tech Sci, 2010, 53: 2190—2197

• • [20]Lartigue C, Duc E, Affouard A. Deformación de la trayectoria de la herramienta en el fresado de flancos de 5 ejes utilizando una superficie envolvente. Comput Aided Design, 2003, 35: 375—382

• • [21]Gong H, Cao LX, Liu J. Posicionamiento mejorado de la fresa cilíndrica para el fresado de flancos de superficies regladas. Comput Aided Design, 2005, 37: 1205—1213

• • [22]Ding H, Zhu L M. Optimización global de la trayectoria de la herramienta para fresado de flanco de cinco ejes con una fresa cilíndrica. Sci China Ser E-Tech Sci, 2009, 52: 2449—2459

• • [23]Ding Y, Zhu LM, Ding H. Programación semidefinida para el ajuste de Chebyshev de una línea recta espacial con aplicaciones para la planificación de la ubicación de la herramienta de corte y la evaluación de la tolerancia. Precis Eng, 2007, 31: 364—368

• • [24]Zhu LM, Zheng G, Ding H. Optimización global de la trayectoria de corte para el fresado de flancos de cinco ejes con una fresa cónica. Comput Aided Design, 2010, 42: 903—910

• • [25]Zhang XM, Zhu LM, Zheng G, et al. Optimización de la trayectoria de la herramienta para el fresado de flancos de superficies regladas en función de la distancia. Int J Prod Res, 2010, doi: 10.108000207540902993019

• • [26]Chiou C J. Posición precisa de la herramienta para el mecanizado de superficies regladas de cinco ejes mediante el método de envolvente barrida. Comput Aided Design, 2004, 36: 967—974

• • [27]Redonnet JM, Rubio W, Dessein G. Fresado lateral de superficies regladas: posicionamiento óptimo de la fresa y cálculo de interferencias. Int J Adv Manuf Tech, 1998, 14: 459—465

• • [28]Menzel C, Bedi S, Mann S. Fresado de flancos de triple tangente de superficies regladas. Comput Aided Design, 2004, 36: 289—296

• • [29]Castagnetti C, Duc E, Ray P. El dominio del concepto de orientación admisible: un nuevo método para la optimización de la trayectoria de la herramienta en cinco ejes. Comput Aided Design, 2008, 40: 938—950

• • [30]Bi QZ, Wang YH, Zhu LM, et al. Suavizado total de las orientaciones de la herramienta de corte para el mecanizado NC de cinco ejes basado en la malla de puntos de contacto de la herramienta de corte. Sci China Ser E-Tech Sci, 2010, 53: 1294—1303

• • [31]Kersting P, Zabel A. Optimización de las trayectorias de las herramientas de control numérico para el fresado simultáneo de cinco ejes basado en algoritmos evolutivos multiobjetivo y multipoblación. Adv Eng Softw, 2009, 40: 452—463

• • [32]Langeron JM, Duc E, Lartigue C, et al. Un nuevo formato para el cálculo de la trayectoria de la herramienta de 5 ejes, utilizando curvas B-spline. Comput Aided Design, 2004, 36: 1219—1229

• • [33]Bi QZ, Zhu LM, Wang YH, et al. Representación analítica de la superficie envolvente de un cortador cónico que experimenta un movimiento racional. Int J Adv Manuf Tech, 2010, 47: 719—730

• • [34]Ozturk E, Budak E. Modelado de procesos de fresado de 5 ejes. Mach Sci Tech, 2007, 11: 287—311

• • [35]Ding Han, Bi Qingzhen, Zhu Limin, et al. Software de planificación de trayectorias de herramientas y análisis de accesibilidad de mecanizado CNC de cinco ejes SurfMilling V1.0. Centro de protección de derechos de autor de China, número de aceptación de derechos de autor del software: 2009R11S035961

• • [36]Bi QZ, Ding H, Wang Y H. Generación segura y de longitud de herramienta corta para el mecanizado NC de 3+2 ejes de una fresa de punta esférica utilizando hardware gráfico. Lect Notes Artif Intell, 2008, 5315: 348—355

• • [37]Bi Qingzhen, Ding Han, Wang Yuhan, et al. Método de planificación para la longitud de herramienta más corta segura en el mecanizado CNC de cinco ejes. Oficina de Propiedad Intelectual de China, número de aceptación de patente: 200810039198.9, número de publicación de patente: CN101303583, 2008 de junio de 06. Bi QZ

• • [38]Wang YH, Zhu LM, et al. Generación de orientaciones de herramientas libres de colisiones para mecanizado NC de 5 ejes con una fresa de punta esférica corta. Int J Prod Res, 2010, doi: 10.1080/00207540903436679

• • [39]Budak E, Ozlu E. Desarrollo de un modelo de proceso de corte termomecánico para simulaciones de procesos de mecanizado. CIRP Ann-Manuf Tech, 2008, 57: 97—100

• • [40]Fussell BK, Jerard RB, Hemmett J G. Modelado de geometría de corte y fuerzas para mecanizado de superficies esculpidas de 5 ejes. Comput Aided Design, 2003, 35: 333—346

• • [41]Abdel-Malek K, Blackmore D, Joy K. Volúmenes barridos: Fundamentos, perspectivas y aplicaciones. Int J Shaping Model, 2006, 12: 87—127

• • [42]Chiou CJ, Lee Y S. Determinación de la superficie barrida para el mecanizado de control numérico de cinco ejes. Int J Mach Tool Manu, 2002, 42: 1497—1507

• • [43]Du S, Surmann T, Webber O, et al. Formulación de perfiles de barrido para movimientos de herramientas de cinco ejes. Int J Mach Tool Manu, 2005, 45: 849—861

• • [44]Ye T, Xiong C H. Optimización de parámetros geométricos en el mecanizado multieje. Comput Aided Design, 2008, 40: 879—890

• • [45]Chiou JCJ, Lee Y S. Orientación óptima de la herramienta para el mecanizado de extremos de herramientas de cinco ejes mediante el enfoque de envolvente barrida. J Manuf Sci ET ASME, 2005, 127: 810—818

• • [46]Larue A, Altintas Y. Simulación de procesos de fresado de flancos. Int J Mach Tool Manu, 2005, 45: 549—559

• • [47]Bailey T, Elbestawi MA, El-Wardany TI, et al. Un enfoque de simulación genérico para el mecanizado multieje, Parte 1: Metodología de modelado. J Manuf Sci ET ASME, 2002, 124: 624—633

• • [48]Bailey T, Elbestawi MA, El-Wardany TI, et al. Un enfoque de simulación genérico para el mecanizado multieje, Parte 2: Calibración de modelos y programación de la velocidad de avance. J Manuf Sci ET ASME, 2002, 124: 634—642

• • [49]Erdim H, Lazoglu I, Kaymakci M. Mecanizado de superficies de forma libre y comparación de estrategias de programación de la velocidad de avance. Mach Sci Tech, 2007, 11: 117—133

• • [50]Ding Han, Ding Ye, Zhu Limin, et al. Método de planificación de velocidad de avance fuera de línea para fresado lateral CNC de cinco ejes. Oficina de Propiedad Intelectual de China, número de aceptación de patente: 200910046724.9, número de publicación de patente: CN101497140, 2009 de agosto de 08

• • [51]Ratchev S, Liu S, Becker A A. Estrategia de compensación de errores en el fresado de piezas flexibles de paredes delgadas. J Mater Process Tech, 2005, 162: 673—681

• • [52]Meshreki M, Kovecses J, Attia H, et al. Modelado y análisis dinámico de estructuras aeroespaciales de paredes delgadas para el diseño de accesorios en fresado multieje. J Manuf Sci ET ASME, 2008, 130: 031011

• • [53]Liao YJG, Hu S J. Modelo de análisis de la estabilidad de la fijación basado en dinámicas multicuerpo flexibles de piezas de fijación. Int J Mach Tool Manu, 2000, 40: 343—362

• • [54]Fang B, DeVor RE, Kapoor S G. Influencia de la amortiguación de la fricción en la dinámica del sistema de fijación de la pieza de trabajo y la estabilidad del mecanizado. J Manuf Sci ET ASME, 2002, 124: 226—234

• • [55]Zheng Y, Rong Y, Hou Z. Identificación de rigidez de contacto para diseño de accesorios asistido por computadora. Trans North Am Manuf Res Inst SME, 2006, 34: 189—196

• • [56]Deng H, Melkote S N. Modelado de la estabilidad dinámica de los accesorios teniendo en cuenta el efecto de la eliminación de material. Trans North Am Manuf Res Inst SME, 2005, 33: 289—296

• • [57]Altintas Y, Budak E. Predicción analítica de lóbulos de estabilidad en el fresado. CIRP Ann-Manuf Tech, 1995, 44: 357—362

• • [58]Merdol SD, Altintas Y. Solución multifrecuencial de estabilidad de vibraciones para fresado de baja inmersión. J Manuf Sci ET ASME, 2004, 126: 459—466

• • [59]Bayly PV, Halley JE, Mann BP, et al. Estabilidad de corte interrumpido mediante análisis de elementos finitos temporales. En: Actas de la Conferencia técnica de ingeniería de diseño de ASME, 6C, 2001, 2361—2370

• • [60]Insperger T, Stépán G. Método de semidiscretización actualizado para ecuaciones diferenciales con retardo periódico con retardo discreto. Int J Numer Meth Eng, 2004, 61: 117—141

• • [61]Altintas Y, Stepan G, Merdol D, et al. Estabilidad de vibración en el fresado en el dominio de frecuencia y tiempo discreto. CIRP Ann-Manuf Techn, 2008, 1: 35—44

• • [62]Ding Y, Zhu LM, Zhang XJ, et al. Un método de discretización total para la predicción de la estabilidad del fresado. Int J Mach Tool Maru, 2010, 50: 502— 509

• • [63]Budak E, Tekeli A. Maximización de la tasa de eliminación de material sin vibraciones en el fresado mediante la selección óptima de la profundidad axial y radial de los pares de cortes. CIRP Ann-Manuf Tech, 2005, 54: 353—356

• • [64]Altintas Y, Merdol S. Fresado virtual de alto rendimiento. CIRP Ann-Manuf Tech, 2007, 56: 81—84

• • [65]Kim S, Landers R, Ulsoy A. Control de fuerza de mecanizado robusto con compensación de proceso. J Manuf Sci ET ASME, 2003, 125: 423—430

• • [66]Zhang XM, Ding H, Chen S H. Método de elementos finitos de intervalo para la respuesta dinámica de un sistema de bucle cerrado con parámetros inciertos. Int J Numer Meth Eng, 2007, 70: 543—562

• • [67]Zhang XM, Ding H. Optimización del diseño para la respuesta dinámica de un sistema mecánico de vibración con parámetros inciertos utilizando el modelo convexo. J Sound Vib, 2008, 318: 406—415

• • [68]Ding Han, Zhang Xiaoming, Zhu Limin, et al. Método de optimización de parámetros de proceso CNC de cinco ejes para superficies curvas con parámetros modales de herramienta inciertos. Oficina de Propiedad Intelectual de China, número de aceptación de patente: 2009100-46725.3, número de publicación de patente: CN101493686, 2009 de febrero de 02