一种确定超声椭圆振动切削技术可加工几何结构的算法制造技术

一种确定超声椭圆振动切削技术可加工几何结构的算法，它涉及一种可加工几何结构的算法。本发明专利技术为了解决目前没有方法可预先判断超声椭圆振动切削技术是否具备加工某一微结构的能力或者确定某振动参数所对应的可加工的极限几何尺寸的问题。本发明专利技术首先计算出曲线轨迹所对应的超声椭圆振动切削技术的切削轨迹；其次，确定不合理切削轨迹的特征，提出“折返”判据；然后，建立直线组关于两条线段斜率的二元不等式；最后，将斜率组合与其对应的合理性结果绘制成图，确定了超声椭圆振动切削技术可加工的几何结构；或根据不同振动参数的可加工几何结构范围图优选超声椭圆振动切削技术的振动参数。本发明专利技术用于确定超声椭圆振动切削技术可加工几何结构。

【技术实现步骤摘要】
一种确定超声椭圆振动切削技术可加工几何结构的算法
本专利技术涉及一种可加工几何结构的算法，具体涉及一种确定超声椭圆振动切削技术可加工几何结构的算法，属于超精密切削加工

技术介绍
超声椭圆振动切削技术是一种具有潜力与良好应用前景的加工技术。在加工材料方面，超声椭圆振动切削技术既可以加工高强度塑性材料，又可以切削高硬度脆性材料。该技术不仅可以使用单晶金刚石刀具在模具钢表面加工出高精度微型直槽，而且还能有效提升硬脆材料的塑脆转变临界切深。在切削作用方面，超声椭圆振动切削技术有效降低了切削力、切削热并减少了工件与刀具的接触时间，从而延长了刀具使用寿命、提高了加工精度。鉴于上述加工优点，超声椭圆振动切削技术已被认可并逐渐应用于难加工材料的超精密切削加工领域。在现阶段，超声椭圆振动切削技术常用于在难加工材料表面加工几何结构较为简单的表面结构，鲜见复杂的几何结构，如正弦网格、微透镜阵列等。然而上述复杂的几何结构能够使加工表面表现出特定的功能，进而缩小功能器件的体积，因此随着超声椭圆振动切削技术应用深度的增加与应用广度的扩展，该技术必将在难加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定超声椭圆振动切削技术可加工几何结构的算法，其特征在于：它包括以下步骤：/n步骤一：在待加工曲线上提取离散点创建微直线段以拟合待加工曲线；/n在原点建立固定坐标系OY

【技术特征摘要】
1.一种确定超声椭圆振动切削技术可加工几何结构的算法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：在待加工曲线上提取离散点创建微直线段以拟合待加工曲线；
在原点建立固定坐标系OYtZt(1)，在待加工曲线上选取某一点Qi(yi,zi)，以Qi为圆心、d为半径创建位于点Qi左侧的半圆弧，
其中，半径d的数量级为亚微米级，半圆弧与待加工曲线的交点取为点Qi+1(yi+1,zi+1)，其中，两点的y坐标应满足yi+1<yi；连接点Qi和点Qi+1构成微直线段(2)li,i+1，li,i+1的斜率为ki(i＝1,2,…,n)，其计算公式为



步骤二：创建微直线段(2)li,i+1所对应的超声椭圆振动切削技术运动轨迹(3)；当超声椭圆振动切削技术的椭圆轨迹中心Ovi(yOi,zOi)依次经过点Qi和点Qi+1时，其运动轨迹的方程为



式中，Av和Bv分别为超声椭圆振动切削技术在y向和z向的简谐运动的幅值；ω(ω＝2πf)为简谐运动的角频率，其中，为超声椭圆振动切削装置的工作频率；φ为两向简谐运动的相位差；vyi和vzi分别为椭圆中心沿微直线段(2)li,i+1运动的分速度，其中，vyi＝(yi+1-yi)/T、vzi＝(zi+1-zi)/T；yv和zv为超声椭圆振动切削技术运动轨迹(3)在坐标系OYtZt(1)中的y坐标和z坐标；
步骤三：在超声椭圆振动切削技术运动轨迹(3)上计算与微直线段(2)li,i+1平行的切线和切点Ti(yti,zti)，微直线段(2)li,i+1所对应的超声椭圆振动切削技术运动轨迹(3)的切线斜率为



式中，dzv和dyv为超声椭圆振动切削技术运动轨迹(3)在两方向的运动速度，令kvi＝ki，则



上式是关于时间变量t的方程，经三角函数化简可得



式中，C1＝ω(Avki-Bvcosφ)，C2＝ωBvsinφ，C3＝kivyi-vzi，进而可得到该方程的两个解，分别为



取位于区间[0,0.5T]的解为切点Ti(yti,zti)所对应的时刻t0，进而得出切点Ti的坐标为



微直线段(2)l6,7所对应的超声椭圆振动切削技术运动轨迹(3)，过超声椭圆振动切削技术运动轨迹(3)的切点T6的切线平行于微直线段(2)l6,7；
步骤四：通过坐标平移变换使得超声椭圆振动切削技术运动轨迹(3)与微直线段(2)li,i+1相切于点Qi，并且计算出新的椭圆轨迹中心坐标O′vi(y′Oi,z′Oi)；坐标平移变换的过程是以超声椭圆振动切削技术运动轨迹(3)原椭圆轨迹中心Ovi，即点Qi，为起点，沿向量路径移动至O′vi，即进而得出新的椭圆轨迹中心坐标O′vi(y′Oi,z′Oi)



由切点T6指向点Q6的箭头和由点Q6指向点O′v6的箭头分别代表了向量和向量
步骤五：重复步骤一至步骤四，计算出所有微直线段(2)所对应的新的椭圆轨迹中心点坐标，构成中心点序列{O′vi}(i＝1,2,…,n)；
步骤六：依据中心点序列{O′vi}(i＝1,2,…,n)使用步骤二中的运动轨迹的方程计算中心点序列{O′vi}(i＝1,2,…,n)所形成的超声椭圆振动切削技术运动轨迹，该轨迹即为超声椭圆振动切削技术切削轨迹(4)；
步骤七：依据“折返”判据创建关于可加工几何结构的二元不等式；
若下一椭圆轨迹中心O′vi+1的y坐标y′Oi+1小于当前椭圆轨迹中心O′vi的y坐标y′Oi，则在实际加工过程中将出现刀具向后运动，即切削刀具的后刀面与加工表面接触；
“折返”判据的公式和过程如下：
即对于中心点序列{O′vi}(i＝1,2,…,n)中任意相邻两中心点O′vi和O′vi+1(i<i+1)，其y坐标必须满足
y′Oi+1<y′Oi
则代入前述公式可得
yi+1+(yi+1-(AVcos(ωt0i+1)+vyi+1t0i+1+yi+1))<yi+(yi-(AVcos(ωt0i)+vyit0i+yi))
式中，t0i、t0i+1分别是对应切点Ti(yti,zti)和Ti+1(yti+1,zti+1)的时刻解，将不等式进一步化简可得
yi+1-AVcos(ωt0i+1)-vyi+1t0i+1<yi-AVcos(ωt0i)-vyit0i
再由步骤二中在y轴的分速度公式可得
AVcos(ωt0i+1)+vyi+1t0i+1>AVcos(ωt0i)+vyit0i+vyiT
由步骤三中的相关公式可知，切点Ti对应的时刻解t0i是斜率ki的函数，因此上述不等式转化为关于斜率ki和ki+1的不等式，即
F(ki,ki+1)＝f(ki)-g(ki+1)<0
因此，只要斜率ki和ki+1构成的二元不等式F(ki,ki+1)<0，则ki和ki+1所对应的两条微直线段(2)所构成的空间结构即可正常加工；
在不考虑刀具前角和后角限制条件下：
取斜率ki和ki+1的取值范围为[0°,89°]∪[91°,180°)，振动参数取为AV＝1.0μm、BV＝2.0μm、φ＝90°，则计算出该二元不等式计算结果；
步骤八：更换不同振动参数，按照上述计算过程得出不同振动参数下的可加工结构范围图。


2.根据权利要求1所述的一种确定超声椭圆振动切削技术可加工几何结构的算法，其特征在于：步骤二中的超声椭圆振动切削技术运动轨迹(3)的计算方法如下：
步骤二一：当超声椭圆振动切削装置未启动时，在刀具(11)的刀尖位置分别创建刀具坐标系Oyvzv(22)和固定坐标系Oyfzf(33)；
其中，刀具坐标系Oyvzv(22)为参考坐标系，将跟随超声椭圆振动切削装置沿着相关路径同步运动；
固定坐标系Oyfzf(33)为基准坐标系，其位置保持固定不变，作为超声椭圆振动切削运动轨迹的参考基准；
当超声椭圆振动切削装置启动而未发生移动时，在电激励作用下，超声椭圆振动切削装置工作于共振状态，刀具(11)的刀尖分别沿切削方向和切深方向，即刀具坐标系Oyvzv(22)的y轴和z轴，做简谐运动，合轨迹为椭圆；
两方向简谐运动轨迹为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王爱博，赵清亮，郭兵，高栋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23