五軸數(shù)控側(cè)銑加工銑削力預報方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種五軸數(shù)控側(cè)銑加工銑削力預報方法，首先，基于距離場法獲取當前刀位刀具-工件嚙合區(qū)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，采用線面求交的方法得到未變形切屑厚度的解析表達式；采用三軸單齒銑削實驗標定得到銑削力系數(shù)；然后，沿軸向?qū)⒌毒唠x散為多個薄片微元，根據(jù)刀具幾何參數(shù)信息、刀具-工件嚙合區(qū)域信息、未變形切厚計算值、銑削力系數(shù)，計算得到各薄片微元切向、徑向、軸向銑削力；最后，將以上力坐標變換到X、Y、Z軸方向，并沿軸向?qū)Ω鱾€薄片微元進行積分得到當前時刻的五軸側(cè)銑加工銑削力預報值。本發(fā)明提高了五軸側(cè)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(shù)控側(cè)銑加工銑削力預報方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM)【技術領域】,具體地，涉及一種用于五軸側(cè)銑加工任意復雜曲面的切削力預報的五軸數(shù)控側(cè)銑加工銑削力預報方法。
【背景技術】
[0002]在機械制造領域，五軸數(shù)控側(cè)銑加工由于在加工效率、加工質(zhì)量、制造成本方面的明顯優(yōu)勢，被廣泛用于加工模具、整體式葉輪、航空薄壁件等復雜曲面零件。然而，側(cè)銑加工由于接觸區(qū)域大，加工狀態(tài)復雜，導致銑削力過大，經(jīng)常出現(xiàn)刀具變形或工件變形現(xiàn)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(tǒng)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(zhì)量下降，甚至造成刀具、夾具或機床的損壞。通過銑削力預測不僅有助于加工工藝參數(shù)優(yōu)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(jiān)測提供重要的參考價值。因此，針對復雜曲面類零件的側(cè)銑加工銑削力預報具有十分重要的意義。
[0003]相較于三軸銑削力預報，五軸加工中時變的切削條件致使銑削力預測所依據(jù)的刀具-工件嚙合區(qū)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(qū)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(qū)域信息，但是其涉及到大量的布爾運算操作計算效率低，時間復雜度為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 間復雜度為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(qū)域，這樣又將降低計算效率。針對未變形切屑厚度的計算，目前基本采用三軸加工中常用的正弦函數(shù)積假設，即將切屑厚度近似表示為每齒進給量f、回轉(zhuǎn)角度爐和軸向浸潤角K的函數(shù)A =./'sin爐sin/c。但是對于五軸加工，由于刀軸時變該方法容易引起較大的誤差。
[0004]對于五軸側(cè)統(tǒng)加工的統(tǒng)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(tǒng)的研究，其通過對刀具軸向分割，并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(qū)域的判定采用Z-map離散法，未變形切屑厚度基于正弦函數(shù)積假設，這直接限制了其五軸銑削力的預測精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術中存在的上述不足，提供一種五軸數(shù)控側(cè)銑加工銑削力預報方法，解決現(xiàn)有五軸銑削力預測方法中刀具-工件嚙合區(qū)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(fā)明適用于五軸側(cè)銑加工任意復雜曲面類零件的銑削力預報。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的五軸數(shù)控側(cè)銑加工銑削力預報方法，基于距離場法高效精確計算刀具-工件嚙合區(qū)域，采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，由標定的銑削力系數(shù)計算各微元X、Y、Z三個方向的銑削力，最后沿軸向積分獲取總銑削力值。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的。
[0008]一種五軸數(shù)控側(cè)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(shù)數(shù)據(jù)，并將離散刀位插值獲得刀具軸跡面并存儲；
[0010]步驟2,基于雙參數(shù)球族法計算當前刀位軸向各高度處特征點gi和g2 ；
[0011]步驟3，基于距離場法判定當前刀位刀具-工件嚙合區(qū)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，采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，采用三軸單齒銑削實驗標定得到切向、徑向及軸向的銑削力系數(shù)，包括剪切力系數(shù)Kt。、Kr。、 Kac和刃口力系數(shù)Kte、Kre, Kae ；
[0014]步驟6，沿軸向?qū)⒌毒唠x散為多個薄片微元，根據(jù)步驟I中讀入的刀具幾何參數(shù)信息、步驟3中得到的刀具-工件嚙合區(qū)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中標定的銑削力系數(shù)，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，然后沿刀軸方向?qū)Ω鱾€薄片微元進行積分得到當前時刻的五軸側(cè)銑加工銑削力預報值 Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟3包括如下步驟:
[0017]步驟3.1，選取特征點gl和g2之間進給方向一側(cè)圓弧上的點，基于如下距離場函數(shù)判斷圓弧上的點與毛坯體位置關系:
【權利要求】
1.一種五軸數(shù)控側(cè)銑加工銑削力預報方法，其特征在于，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(shù)數(shù)據(jù)，并將離散刀位插值獲得刀具軸跡面并存儲； 步驟2,基于雙參數(shù)球族法計算當前刀位軸向各高度處特征點gi和g2 ； 步驟3，基于距離場法判定當前刀位刀具-工件嚙合區(qū)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，采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，采用三軸單齒銑削實驗標定得到切向、徑向及軸向的銑削力系數(shù)，包括剪切力系數(shù) Kt。、Kr。、Kac 和刃口力系數(shù) Kte、Kre, Kae ； 步驟6，沿軸向?qū)⒌毒唠x散為多個薄片微元，根據(jù)步驟I中讀入的刀具幾何參數(shù)信息、步驟3中得到的刀具-工件嚙合區(qū)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 削力系數(shù)，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，然后沿刀軸方向?qū)Ω鱾€薄片微元進行積分得到當前時刻的五軸側(cè)銑加工銑削力預報值Fx (t)、Fy(t)、Fz(t)。
2.根據(jù)權利要求1所述的五軸數(shù)控側(cè)銑加工銑削力預報方法，其特征在于，所述步驟3包括如下步驟: 步驟3.1，選取特征點gl和g2之間進給方向一側(cè)圓弧上的點，基于如下距離場函數(shù)判斷圓弧上的點與毛坯體位置關系:
3.根據(jù)權利要求1所述的五軸數(shù)控側(cè)銑加工銑削力預報方法，其特征在于，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(yōu)先權日:2014年4月11日
【發(fā)明者】朱利民, 李洲龍, 牛金波, 王信智 申請人:上海交通大學