五軸數控側銑加工銑削力預報方法
2023-05-25 07:20:56 2
五軸數控側銑加工銑削力預報方法
【專利摘要】本發明提供了一種五軸數控側銑加工銑削力預報方法，首先，基於距離場法獲取當前刀位刀具-工件嚙合區域；將當前刀位切削刃上的點及法向變換到前一刀位刀具坐標系中，採用線面求交的方法得到未變形切屑厚度的解析表達式；採用三軸單齒銑削實驗標定得到銑削力係數；然後，沿軸向將刀具離散為多個薄片微元，根據刀具幾何參數信息、刀具-工件嚙合區域信息、未變形切厚計算值、銑削力係數，計算得到各薄片微元切向、徑向、軸向銑削力；最後，將以上力坐標變換到X、Y、Z軸方向，並沿軸向對各個薄片微元進行積分得到當前時刻的五軸側銑加工銑削力預報值。本發明提高了五軸側銑加工銑削力預報計算的準確性和高效性。
【專利說明】五軸數控側銑加工銑削力預報方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及計算機輔助製造(Computer Aided Manufacturing,CAM)【技術領域】,具體地，涉及一種用於五軸側銑加工任意複雜曲面的切削力預報的五軸數控側銑加工銑削力預報方法。
【背景技術】
[0002]在機械製造領域，五軸數控側銑加工由於在加工效率、加工質量、製造成本方面的明顯優勢，被廣泛用於加工模具、整體式葉輪、航空薄壁件等複雜曲面零件。然而，側銑加工由於接觸區域大，加工狀態複雜，導致銑削力過大，經常出現刀具變形或工件變形現象，致使加工精度難以得到保障。銑削力是銑削加工過程中的一個非常重要的物理量，對銑削過程有著重要的影響，它的大小將直接影響切削功率、切削熱，甚至引起工藝系統的變形和振動；過大的銑削力會使刀具磨損加劇導致加工質量下降，甚至造成刀具、夾具或工具機的損壞。通過銑削力預測不僅有助於加工工藝參數優化、控制刀具/工件變形，也可以為刀具設計、刀具磨損和破損監測提供重要的參考價值。因此，針對複雜曲面類零件的側銑加工銑削力預報具有十分重要的意義。
[0003]相較於三軸銑削力預報，五軸加工中時變的切削條件致使銑削力預測所依據的刀具-工件嚙合區域的判定及未變形切屑厚度的計算較為困難。針對刀具-工件嚙合區域的判定，目前主要有實體造型法和離散法。實體造型法能夠非常精確地提取刀具-工件嚙合區域信息，但是其涉及到大量的布爾運算操作計算效率低，時間複雜度為O (N4)。離散法主要包括Z-map、Z-buffer等算法，其將面面求交計算(實體造型法)簡化為線面求交計算，計算效率明顯提高，時 間複雜度為O(N)，但是對幾何形狀的離散表達會喪失幾何精度，要獲得較高的幾何精度需細化離散區域，這樣又將降低計算效率。針對未變形切屑厚度的計算，目前基本採用三軸加工中常用的正弦函數積假設，即將切屑厚度近似表示為每齒進給量f、迴轉角度爐和軸向浸潤角K的函數A =./'sin爐sin/c。但是對於五軸加工，由於刀軸時變該方法容易引起較大的誤差。
[0004]對於五軸側統加工的統削力預報，文獻「Ferry W B, Altintas Y.Virtualfive-axis flank milling of jet engine impellers—Part I !mechanics of five-axisflank milling[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，2008，130 (I):011005.」進行了較為系統的研究，其通過對刀具軸向分割，並針對分割的微元單獨建立坐標系，從而得到每個微元的切屑載荷，沿切削刃對微元上的切削力積分，獲得宏觀意義下的切削力模型。然而，文中刀具-工件嚙合區域的判定採用Z-map離散法，未變形切屑厚度基於正弦函數積假設，這直接限制了其五軸銑削力的預測精度。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於針對現有技術中存在的上述不足，提供一種五軸數控側銑加工銑削力預報方法，解決現有五軸銑削力預測方法中刀具-工件嚙合區域判定和未變形切屑厚度計算存在的精度及效率低的問題，從而準確高效地計算五軸銑削力。本發明適用於五軸側銑加工任意複雜曲面類零件的銑削力預報。
[0006]為實現上述目的，本發明提供的五軸數控側銑加工銑削力預報方法，基於距離場法高效精確計算刀具-工件嚙合區域，採用線面求交算法獲得未變形切屑厚度準確值的解析表達式，由標定的銑削力係數計算各微元X、Y、Z三個方向的銑削力，最後沿軸向積分獲取總銑削力值。
[0007]本發明是通過以下技術方案實現的。
[0008]一種五軸數控側銑加工銑削力預報方法，包括如下步驟:
[0009]步驟1，讀入毛坯模型文件、刀路文件以及刀具幾何參數數據，並將離散刀位插值獲得刀具軸跡面並存儲；
[0010]步驟2,基於雙參數球族法計算當前刀位軸向各高度處特徵點gi和g2 ；
[0011]步驟3，基於距離場法判定當前刀位刀具-工件嚙合區域；
[0012]步驟4，將當前刀位切削刃上的點及法向變換到前一刀位刀具坐標系中，採用線面求交的方法得到未變形切屑厚度的解析表達式；
[0013]步驟5，採用三軸單齒銑削實驗標定得到切向、徑向及軸向的銑削力係數，包括剪切力係數Kt。、Kr。、 Kac和刃口力係數Kte、Kre, Kae ；
[0014]步驟6，沿軸向將刀具離散為多個薄片微元，根據步驟I中讀入的刀具幾何參數信息、步驟3中得到的刀具-工件嚙合區域信息、步驟4中得到的未變形切屑厚度計算值以及步驟5中標定的銑削力係數，計算得到各薄片微元切向、徑向、軸向銑削力；
[0015]步驟7，將步驟6中得到的各薄片微元切向、徑向、軸向銑削力坐標變換到X、Y、Z軸方向，然後沿刀軸方向對各個薄片微元進行積分得到當前時刻的五軸側銑加工銑削力預報值 Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)。
[0016]優選地，所述步驟3包括如下步驟:
[0017]步驟3.1，選取特徵點gl和g2之間進給方向一側圓弧上的點，基於如下距離場函數判斷圓弧上的點與毛坯體位置關係:
【權利要求】
1.一種五軸數控側銑加工銑削力預報方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟1，讀入毛坯模型文件、刀路文件以及刀具幾何參數數據，並將離散刀位插值獲得刀具軸跡面並存儲； 步驟2,基於雙參數球族法計算當前刀位軸向各高度處特徵點gi和g2 ； 步驟3，基於距離場法判定當前刀位刀具-工件嚙合區域； 步驟4，將當前刀位切削刃上的點及法向變換到前一刀位刀具坐標系中，採用線面求交的方法得到未變形切屑厚度的解析表達式； 步驟5，採用三軸單齒銑削實驗標定得到切向、徑向及軸向的銑削力係數，包括剪切力係數 Kt。、Kr。、Kac 和刃口力係數 Kte、Kre, Kae ； 步驟6，沿軸向將刀具離散為多個薄片微元，根據步驟I中讀入的刀具幾何參數信息、步驟3中得到的刀具-工件嚙合區域信息、步驟4中得到的未變形切屑厚度計算值以及步驟5中標定的銑 削力係數，計算得到各薄片微元切向、徑向、軸向銑削力； 步驟7，將步驟6中得到的各薄片微元切向、徑向、軸向銑削力坐標變換到X、Y、Z軸方向，然後沿刀軸方向對各個薄片微元進行積分得到當前時刻的五軸側銑加工銑削力預報值Fx (t)、Fy(t)、Fz(t)。
2.根據權利要求1所述的五軸數控側銑加工銑削力預報方法，其特徵在於，所述步驟3包括如下步驟: 步驟3.1，選取特徵點gl和g2之間進給方向一側圓弧上的點，基於如下距離場函數判斷圓弧上的點與毛坯體位置關係:
3.根據權利要求1所述的五軸數控側銑加工銑削力預報方法，其特徵在於，所述步驟4中，未變形切屑厚度的計算方法具體為: 獲取當前刀位的刀具坐標系o_XiyiZi和距當前刀位為每齒進給量處的前一刀位的刀具坐標系ο-ΧηΥηΖη,則當前刀位到前一刀位的變換為:
【文檔編號】G05B19/4097GK103955169SQ201410145849
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】朱利民, 李洲龍, 牛金波, 王信智 申請人:上海交通大學