平底刀五轴加工铣削力精确预报方法技术

本发明专利技术提供了一种平底刀五轴加工铣削力精确预报方法，首先，将连结刀具底圆圆心与圆上均匀分布的刀刃点得到的线族作为几何计算的基元，基于底刃空间运动轴向速度分量确定可行接触区间，应用线面求交法及距离场法确定底刃工件啮合区域；然后，依据底刃工件啮合区域边界信息计算切宽，基于当前刀齿底面与前一刀齿底面的相对位置关系解析计算底刃瞬时未变形切厚值；通过一组不同进给率下的插铣标定实验，基于平均切削力系数标定法由最小二乘拟合得到底刃铣削力系数；最后，将以上所求参数代入经典二元切削力模型计算得到底刃切削力，并将其与侧刃力叠加得到切削合力。本发明专利技术在预报五轴铣削力时考虑了底刃切削所引起的切削力，提高了预报的准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及计算机辅助制造 (Computer Aided Manufac化ring,CAM)
，具 体地，设及一种平底刀五轴加工锐削力精确预报方法。
技术介绍
在机械制造领域，五轴数控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类零件。平底刀作为常用 刀具，广泛用于五轴端锐加工及五轴侧锐加工。在实际加工中，为了提高加工效率及加工质 量，有必要对切削过程进行仿真并优化加工工艺参数。锐削力作为加工过程中的一个非常 重要的物理量，对锐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。通过锐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W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，非常有必要 建立五轴加工锐削力模型。 对于平底刀五轴加工的锐削力预报，文献"Li Z L，Niu J B，Wang X Z，et al.Mechanistic model ing of five-axis machining with a general end mill considering cutter runout. International Journal of Machine Tools and Manirfacture，2015，96:67-79进行了较为系统的研究，其提出了刀具-工件晒合区域判定 的高效高精方法一弧面相交法，建立了考虑跳动的瞬时未变形切厚计算公式，基于锐削力 系数及跳动参数的标定值，实现了考虑跳动的五轴锐削力预报。然而，对于平底刀五轴加 工，由于加工工况复杂，刀轴时变，刀具侧刃与底刃往往同时参与切削。现有五轴锐削力模 型忽略了底刃切削力，直接导致预报力失准。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种平底刀五轴加工锐削力精确预 报方法。 根据本专利技术提供的平底刀五轴加工锐削力精确预报方法，包括如下步骤： 步骤S1，读入毛巧模型文件、刀路文件W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所述刀具轴迹面； 步骤S2,基于底刃空间运动轴向速度分量确定底刃的可行接触区间，应用线面求 交法及距离场法确定底刃工件晒合区域；[000引步骤S3,依据底刃工件晒合区域边界信息计算切宽，基于当前刀齿底面与前一刀 齿底面的相对位置关系解析计算底刃瞬时未变形的切厚值； 步骤S4,采用多组不同进给率的Ξ轴插锐实验，基于线性回归法拟合得到切向r、 径向t及轴向a的底刃锐削力系数，包括剪切力系数时,9。(9 = 1'，1:，曰)和準切力系数时,96(9 = r，t，a); 步骤S5,将所述刀具几何参数信息、所述底刃工件晒合区域的信息、所述切宽、底 刃瞬时未变形的切厚值w及切向、径向及轴向的底刃锐削力系数代入底刃切削力模型，计 算得到给定刀具回转角处底刃的切向、径向、轴向锐削力； 步骤S6,将底刃的所述切向、径向、轴向锐削力坐标变换到Χ、Υ、Ζ轴方向，得到任意 时刻底刃切削力FB(t)，然后将底刃切削力Fe(t)与侧刃力Fs(t)求和得到任意时刻的五轴锐 削力F(t)。 优选地，所述步骤S1提及的刀具轴迹面由两条准线P(t)和Q(t)确定，刀具进给坐 标系确定如下：[001引其中，t为时间，P(t)和Q(t)为B样条曲线形式。 优选地，所述步骤S2包含如步骤： 步骤S201，底刃在几何上可W表示为刀具底部的径向线段U.r，(〇，?）： 口为刀齿位置角，R为刀具半径； 对式(3)对于t求导，得到底刃任意位置的运动速度vU^.U);(24) 当底刃存在沿刀轴向下运动的速度分量时，才能够参与切削，因此，通过求解刀具 轴向速度分量ν_-(.τ，口，0可^得到底刃的可行接触区间：[002引 V-(Λ.、口、/)=、'托(0，/)·Α(0<0、-re「0，代1 (巧） 步骤S202,将底刃的可行接触区间内的径向线段与工件各表面求交，并基于距离 场法确定径向线段端点与毛巧体位置关系，确定所有接触边界点径向位置坐标Ri，i = 1， 2,. . .，M，M为边界点总个数，进而通过按顺序成对取出径向位置值确定底刃工件晒合区域 ； 基于距离场法确定径向线段端点与毛巧体位置关系的具体内容:基于如下距离场 函数判断点与毛巧体位置关系：(；'潍） 其中，p为径向线段端点，q为毛巧边界上的点，激为毛巧边界面，S为毛巧体，ds(p) 为点P到毛巧边界面猫的最小距离值； 根据式(6)求得的距离值，进行如下判断： -若距离值为正值，表示该点位于毛巧体内； -若距离值为负值，表示该点位于毛巧体外； -若为零，表示该点位于毛巧体边界上。 优选地，所述步骤3中，底刃的切宽A喊·0是依据晒合区域信息确定的，其计算方法 为：[00 測（27) 底刃瞬时未变形切厚值定义为当前切削点沿刀轴方向到上一刀齿底面的距离，依 据几何关系： (L(.r，巧Ι?·Α(/, )-P(/,"))·/、(/,',) = 0 巧巧 其中，t。为当前切削点对应的时刻，tp为上一刀齿切削点对应的时刻； 能够得到切厚化V，口，。的解析表达式：(29) 由于底刃切厚关于径向位置X呈线性关系，则能够得到当前时刻t下底刃的平均切 厚值(30) 优选地，在所述步骤S4中，插锐的切厚即为每齿进给量ft,第j个刀齿切宽b^t)可 W解析表示为：(31)[004引其中ae为插锐径向切深，捉r表示切入角、切出角，鮮的为第j个刀齿的位置 角，由下式确定：在插锐过程的前若干个周期，忽略侧刃力，因此切削力F(t)表示为如下线性形式： 其中，ti、^，。均为采样时刻；Qr为刀齿安装位置角。 基于最小二乘法，综合系数K求解如下； 该试验进行多组不同进给率下Ξ轴插锐标定实验;剪切力系数KB,qc(q = :r，t，aWP 準切力系数KB,qe(q = r，t，a)可W通过对综合系数K和每齿进给量ft线性回归计算求得。 优选地，在所述步骤S5中，所述底刃切削力模型，如下式，得到第j个刀齿的径向、 切向和轴向底刃切削力：[006引 与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果： 本专利技术基于线面求交法及距离场法精确确定底刃工件晒合区域及切宽，依据当前 刀齿底面与前一刀齿底面的相对位置关系得到底刃未变形切厚的解析表达式，结合底刃切 削力系数的标定值计算得到底刃切削力，从而实现了考虑底刃切削的平底刀五轴切削力预 报，提高了预报结果的准确性。【附图说明】 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、 目的和优点将会变得更明显： 图1是本专利技术方法的流程示意图； 图2是底刃工件晒合区域提取原理图； 图3是底刃瞬时未变形切厚计算原理图； 图4(a)、图4(b)是插锐标定实验示意图； 图5是工件模型及刀路仿真示意图； 图6是基于线性回归法计算底刃切削力系数结果图； 图7是五轴加工实验Χ、Υ、Ζ方向的预报力结果，其中，横坐标为时间，纵坐标为锐削 力值； 图8是五轴加工实验方向的实测力结果，其中，横坐标为时间，纵坐标为锐削力值； 图9是选定两个周期内侧刃力、底刃力、切削总力及实测力对比图，其中，横坐标为 时间，纵坐标为锐削力值。【具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平底刀五轴加工铣削力精确预报方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，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所述刀具轴迹面；步骤S2，基于底刃空间运动轴向速度分量确定底刃的可行接触区间，应用线面求交法及距离场法确定底刃工件啮合区域；步骤S3，依据底刃工件啮合区域边界信息计算切宽，基于当前刀齿底面与前一刀齿底面的相对位置关系解析计算底刃瞬时未变形的切厚值；步骤S4，采用多组不同进给率的三轴插铣实验，基于线性回归法拟合得到切向r、径向t及轴向a的底刃铣削力系数，包括剪切力系数KB,qc(q＝r,t,a)和犁切力系数KB,qe(q＝r,t,a)；步骤S5，将所述刀具几何参数信息、所述底刃工件啮合区域的信息、所述切宽、底刃瞬时未变形的切厚值以及切向、径向及轴向的底刃铣削力系数代入底刃切削力模型，计算得到给定刀具回转角处底刃的切向、径向、轴向铣削力；步骤S6，将底刃的所述切向、径向、轴向铣削力坐标变换到X、Y、Z轴方向，得到任意时刻底刃切削力FB(t)，然后将底刃切削力FB(t)与侧刃力FS(t)求和得到任意时刻的五轴铣削力F(t)。

【技术特征摘要】

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