Variable eccentric distance-based tool path generation for orthogonal turn-milling

Abstract

This study proposes an algorithm for maximizing strip width in orthogonal turn-milling based on variable eccentric distance. The machining error model is first established based on the local cutting profile at the contact line. The influencing factors of the strip width are then investigated to analyze their features and determine an optimizing strategy. The optimized model for maximum machining strip width is formulated by adopting a variable eccentric distance. Hausdorff distance and Fréchet distance are introduced in this study to implement the constraint function of the machining error in the optimized model. The computing procedure is subsequently provided. Simulations and experiments have been conducted to verify the effectiveness of the proposed algorithm.

Key words： orthogonal turn-milling; variable eccentric distance; local cutting profile; machining strip-width maximization

Acknowledgments

This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51275189), the Key Technology Innovation Project of Hubei Province (Grant No. 2013AAA008), and the National NC Major Project (Grant No. 2013ZX04013-011).

References

1 Schulz H, Spur G. High speed turn-milling—A new precision manufacturing technology for the machining of rotationally symmetrical workpieces. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1990, 39(1): 107–109 

2 Choudhury S K, Bajpai J B. Investigation in orthogonal turn-milling towards better surface finish. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 170(3): 487–493

3 Karadkar R B, Pande S S. Feature based automatic CNC code generation for prismatic parts. Computers in Industry, 1996, 28(2): 137–150

4 Waiyagan K, Bohez E L J. Intelligent feature based process planning for five-axis mill-turn parts. Computers in Industry, 2009, 60(5): 296–316

5 Jiang Z, Jia C. Vector modeling of turn-milling motion. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2003, 39(04): 15–18

6 Xia J, Ge Q. An exact representation of effective cutting shapes of 5-axis CNC machining using rational Bezier and B-spline tool motions. In: Proceedings of 2001 ICRE, IEEE International Conference on Robotics and Automation. Seoul, IEEE, 2001, 342–347 

7 Kikkawa K, Nakamura K, Mizugaki Y. An approach of estimating machining error by heuristic geometrical rule in 5-axis ball-nosed end milling. In: Proceedings of International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st century: LEM21. 2003, 415–420

8 Li C, Mann S, Bedi S. Error measurements for flank milling. Computer Aided Design, 2005, 37(14): 1459–1468

9 Chiou C J, Lee Y S. Swept surface determination for five-axis numerical control machining. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2002, 42(14): 1497–1507

10 Weinert K, Du S, Damm P,  Swept volume generation for the simulation of machining processes. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2004, 44(6): 617–628

11 Gong H, Cao L, Liu J. Second-order approximation of tool envelope surface for 5-axis machining with single point contact. Computer Aided Design, 2008, 40(5): 604–615

12 Zhu L, Ding H, Xiong Y. Third-order point contact approach for five-axis sculptured surface machining using non-ball-end tools (I): Third-order approximation of tool envelope surface. Science China Technological Sciences, 2010, 53(7): 1904–1912

13 Sarma R. Flat-ended tool swept sections for five-axis NC machining of sculptured surfaces. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2000, 122(1): 158–165

14 Ni Y, Ma D, Zhang H, . Optimal orientation control for torus tool 5-axis sculptured surface NC machining. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2001, 37(02): 87–91

15 Warkentin A, Ismail F, Bedi S. Multi-point tool positioning strategy for 5-axis machining of sculptured surfaces. Computer Aided Geometric Design, 2000, 17(1): 83–100

16 Yoon J, Pottmann H, Lee Y. Locally optimal cutting positions for 5-axis sculptured surface machining. Computer Aided Design, 2003, 35(1): 69–81

17 Fan J, Ball A. Quadric method for cutter orientation in five-axis sculptured surface machining. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2008, 48(7−8): 788–801

18 Xu R, Chen Z, Chen W, . Dual drive curve tool path planning method for 5-axis NC machining of sculptured surfaces. Chinese Journal of Aeronautics, 2010, 23(4): 486–494

19 Sun Y, Guo D, Jia Z, . Iso-parametric tool path generation from triangular meshes for free-form surface machining. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2006, 28(7−8): 721–726

20 Zhu L, Ding H, Xiong Y. Third-order point contact approach for five-axis sculptured surface machining using non-ball-end tools (II): Tool positioning strategy. Science China Technological Sciences, 2010, 53(8): 2190–2197

21 Lee Y, Chiou C. Unfolded projection approach to machining non-coaxial parts on mill-turn machines. Computers in Industry, 1999, 39(2): 147–173

22 Rao A, Sarma R. On local gouging in five-axis sculptured surface machining using flat-end tools. Computer Aided Design, 2000, 32(7): 409–420

23 Zhu L, Zheng G, Ding H. Formulating the swept envelope of rotary cutter undergoing general spatial motion for multi-axis NC machining. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2009, 49(2): 199–202

24 Chiou J C J, Lee Y S. Optimal tool orientation for five-axis tool-end machining by swept envelope approach. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2005, 127(4): 810–818

25 Floriani L D. Shape Analysis and Structuring. Berlin: Springer, 2008

26 Chen X, Ma W, Xu G, . Computing the Hausdorff distance between two B-spline curves. Computer Aided Design, 2010, 42(12): 1197–1206

27 Buchin K, Buchin M, Wenk C. Computing the Fréchet distance between simple polygons. Computational Geometry, 2008, 41(1-2): 2–20