五轴数控侧铣加工铣削力预报方法技术

本发明专利技术提供了一种五轴数控侧铣加工铣削力预报方法，首先，基于距离场法获取当前刀位刀具-工件啮合区域；将当前刀位切削刃上的点及法向变换到前一刀位刀具坐标系中，采用线面求交的方法得到未变形切屑厚度的解析表达式；采用三轴单齿铣削实验标定得到铣削力系数；然后，沿轴向将刀具离散为多个薄片微元，根据刀具几何参数信息、刀具-工件啮合区域信息、未变形切厚计算值、铣削力系数，计算得到各薄片微元切向、径向、轴向铣削力；最后，将以上力坐标变换到X、Y、Z轴方向，并沿轴向对各个薄片微元进行积分得到当前时刻的五轴侧铣加工铣削力预报值。本发明专利技术提高了五轴侧铣加工铣削力预报计算的准确性和高效性。

【技术实现步骤摘要】
五轴数控侧铣加工铣削力预报方法
本专利技术涉及计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)
，具体地，涉及一种用于五轴侧铣加工任意复杂曲面的切削力预报的五轴数控侧铣加工铣削力预报方法。
技术介绍
在机械制造领域，五轴数控侧铣加工由于在加工效率、加工质量、制造成本方面的明显优势，被广泛用于加工模具、整体式叶轮、航空薄壁件等复杂曲面零件。然而，侧铣加工由于接触区域大，加工状态复杂，导致铣削力过大，经常出现刀具变形或工件变形现象，致使加工精度难以得到保障。铣削力是铣削加工过程中的一个非常重要的物理量，对铣削过程有着重要的影响，它的大小将直接影响切削功率、切削热，甚至引起工艺系统的变形和振动；过大的铣削力会使刀具磨损加剧导致加工质量下降，甚至造成刀具、夹具或机床的损坏。通过铣削力预测不仅有助于加工工艺参数优化、控制刀具/工件变形，也可以为刀具设计、刀具磨损和破损监测提供重要的参考价值。因此，针对复杂曲面类零件的侧铣加工铣削力预报具有十分重要的意义。相较于三轴铣削力预报，五轴加工中时变的切削条件致使铣削力预测所依据的刀具-工件啮合区域的判定及未变形切屑厚度的计算较为困难。针对刀具-工件啮合区域的判定，目前主要有实体造型法和离散法。实体造型法能够非常精确地提取刀具-工件啮合区域信息，但是其涉及到大量的布尔运算操作计算效率低，时间复杂度为O(N4)。离散法主要包括Z-map、Z-buffer等算法，其将面面求交计算(实体造型法)简化为线面求交计算，计算效率明显提高，时间复杂度为O(N)，但是对几何形状的离散表达会丧失几何精度，要获得较高的几何精度需细化离散区域，这样又将降低计算效率。针对未变形切屑厚度的计算，目前基本采用三轴加工中常用的正弦函数积假设，即将切屑厚度近似表示为每齿进给量f、回转角度和轴向浸润角κ的函数但是对于五轴加工，由于刀轴时变该方法容易引起较大的误差。对于五轴侧铣加工的铣削力预报，文献“FerryWB，AltintasY.Virtualfive-axisflankmillingofjetengineimpellers--PartI：mechanicsoffive-axisflankmilling[J].JournalofManufacturingScienceandEngineering，2008，130(1)：011005.”进行了较为系统的研究，其通过对刀具轴向分割，并针对分割的微元单独建立坐标系，从而得到每个微元的切屑载荷，沿切削刃对微元上的切削力积分，获得宏观意义下的切削力模型。然而，文中刀具-工件啮合区域的判定采用Z-map离散法，未变形切屑厚度基于正弦函数积假设，这直接限制了其五轴铣削力的预测精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中存在的上述不足，提供一种五轴数控侧铣加工铣削力预报方法，解决现有五轴铣削力预测方法中刀具-工件啮合区域判定和未变形切屑厚度计算存在的精度及效率低的问题，从而准确高效地计算五轴铣削力。本专利技术适用于五轴侧铣加工任意复杂曲面类零件的铣削力预报。为实现上述目的，本专利技术提供的五轴数控侧铣加工铣削力预报方法，基于距离场法高效精确计算刀具-工件啮合区域，采用线面求交算法获得未变形切屑厚度准确值的解析表达式，由标定的铣削力系数计算各微元X、Y、Z三个方向的铣削力，最后沿轴向积分获取总铣削力值。本专利技术是通过以下技术方案实现的。一种五轴数控侧铣加工铣削力预报方法，包括如下步骤：步骤1，读入毛坯模型文件、刀路文件以及刀具几何参数数据，并将离散刀位插值获得刀具轴迹面并存储；步骤2，基于双参数球族法计算当前刀位轴向各高度处特征点g1和g2；步骤3，基于距离场法判定当前刀位刀具-工件啮合区域；步骤4，将当前刀位切削刃上的点及法向变换到前一刀位刀具坐标系中，采用线面求交的方法得到未变形切屑厚度的解析表达式；步骤5，采用三轴单齿铣削实验标定得到切向、径向及轴向的铣削力系数，包括剪切力系数Ktc、Krc、Kac和刃口力系数Kte、Kre、Kae；步骤6，沿轴向将刀具离散为多个薄片微元，根据步骤1中读入的刀具几何参数信息、步骤3中得到的刀具-工件啮合区域信息、步骤4中得到的未变形切屑厚度计算值以及步骤5中标定的铣削力系数，计算得到各薄片微元切向、径向、轴向铣削力；步骤7，将步骤6中得到的各薄片微元切向、径向、轴向铣削力坐标变换到X、Y、Z轴方向，然后沿刀轴方向对各个薄片微元进行积分得到当前时刻的五轴侧铣加工铣削力预报值Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)。优选地，所述步骤3包括如下步骤：步骤3.1，选取特征点g1和g2之间进给方向一侧圆弧上的点，基于如下距离场函数判断圆弧上的点与毛坯体位置关系：其中，p为圆弧上的点，q为毛坯边界上的点，为毛坯边界面，S为毛坯体，dS(p)为圆弧上的点p到毛坯边界面步骤3.2，根据式(1)求得的距离值，进行如下判断：-若距离值为正值，表示该点位于毛坯体内；-若距离值为负值，表示该点位于毛坯体外；-若为零，表示该点位于毛坯体边界上；根据圆弧上各点与毛坯体位置关系，采用二分法获得位于毛坯体边界上的点，并结合特征点g1和g2与毛坯体的位置关系，得到当前轴向高度处切削刃微元的切入角和切出角；步骤3.3，沿轴向各高度重复步骤3.1和步骤3.2的操作，得到当前刀位刀具-工件啮合区域。优选地，所述步骤4中，未变形切屑厚度的计算方法具体为：获取当前刀位的刀具坐标系o-xiyizi和距当前刀位为每齿进给量处的前一刀位的刀具坐标系o-xi-1yi-1zi-1，则当前刀位到前一刀位的变换为：i-1pi＝oi-1oi(4)其中：为当前刀位到前一刀位刀具坐标系的变换矩阵，为对应的旋转变换矩阵，为对应的平移变换矩阵；设p0、d分别为当前刀位切削刃上的点及单位法向通过上述变换后在坐标系o-xi-1yi-1zi-1下的表示，p0和d组成的空间直线方程表达式L(h)为：L(h)＝p0+hd(5)其中，h为未变形切屑厚度；刀具回转面S的方程可以表示为：S(z，θ)＝[r(z)cosθ，r(z)sinθ，z]T，(z，θ)∈[0，H]×[0，2π)(6)其中，z为刀具轴向高度，r(z)为轴向高度z处的刀刃回转半径，θ为周向角度值，H为切削刃长度；瞬时未变形切屑厚度为切削刃上点沿其法线到上一刀位刀具回转面的距离值，所以联立式(5)和式(6)，即可求得未变形切屑厚度值：其中，p0x、p0y、p0z分别为点p0的x、y、z坐标分量；dx、dy、dz分别为法向d的x、y、z分量；r(z)与z呈线性关系，则式(7)中第二个方程代入第一个方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种五轴数控侧铣加工铣削力预报方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，读入毛坯模型文件、刀路文件以及刀具几何参数数据，并将离散刀位插值获得刀具轴迹面并存储；步骤2，基于双参数球族法计算当前刀位轴向各高度处特征点g1和g2；步骤3，基于距离场法判定当前刀位刀具‑工件啮合区域；步骤4，将当前刀位切削刃上的点及法向变换到前一刀位刀具坐标系中，采用线面求交的方法得到未变形切屑厚度的解析表达式；步骤5，采用三轴单齿铣削实验标定得到切向、径向及轴向的铣削力系数，包括剪切力系数Ktc、Krc、Kac和刃口力系数Kte、Kre、Kae；步骤6，沿轴向将刀具离散为多个薄片微元，根据步骤1中读入的刀具几何参数信息、步骤3中得到的刀具‑工件啮合区域信息、步骤4中得到的未变形切屑厚度计算值以及步骤5中标定的铣削力系数，计算得到各薄片微元切向、径向、轴向铣削力；步骤7，将步骤6中得到的各薄片微元切向、径向、轴向铣削力坐标变换到X、Y、Z轴方向，然后沿刀轴方向对各个薄片微元进行积分得到当前时刻的五轴侧铣加工铣削力预报值Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)。

【技术特征摘要】
1.一种五轴数控侧铣加工铣削力预报方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，读入毛坯模型文件、刀路文件以及刀具几何参数数据，并将离散刀位插值获得刀具轴迹面并存储；步骤2，基于双参数球族法计算当前刀位轴向各高度处特征点g1和g2；步骤3，基于距离场法判定当前刀位刀具-工件啮合区域；步骤4，将当前刀位切削刃上的点及法向变换到前一刀位刀具坐标系中，采用线面求交的方法得到未变形切屑厚度的解析表达式；步骤5，采用三轴单齿铣削实验标定得到切向、径向及轴向的铣削力系数，包括剪切力系数Ktc、Krc、Kac和刃口力系数Kte、Kre、Kae；步骤6，沿轴向将刀具离散为多个薄片微元，根据步骤1中读入的刀具几何参数信息、步骤3中得到的刀具-工件啮合区域信息、步骤4中得到的未变形切屑厚度计算值以及步骤5中标定的铣削力系数，计算得到各薄片微元切向、径向、轴向铣削力；步骤7，将步骤6中得到的各薄片微元切向、径向、轴向铣削力坐标变换到X、Y、Z轴方向，然后沿刀轴方向对各个薄片微元进行积分得到当前时刻的五轴侧铣加工铣削力预报值Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)。2.根据权利要求1所述的五轴数控侧铣加工铣削力预报方法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：步骤3.1，选取特征点g1和g2之间进给方向一侧圆弧上的点，基于如下距离场函数判断圆弧上的点与毛坯体位置关系：其中，p为圆弧上的点，q为毛坯边界上的点，为毛坯边界面，S为毛坯体，dS(p)为圆弧上的点p到毛坯边界面的最小距离值；步骤3.2，根据式(1)求得的距离值，进行如下判断：-若距离值为正值，表示该点位于毛坯体内；-若距离值为负值，表示该点位于毛坯体外；-若为零，表示该点位于毛坯体边界...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱利民，李洲龙，牛金波，王信智，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31