一种球头铣刀与工件接触区域解析计算方法技术

本发明专利技术涉及机械制造技术领域，尤其涉及一种球头铣刀与工件接触区域解析计算方法，包括以下步骤：通过B样条方法插值拟合得到叶片的模型，获得切削位置和几何参数文件；根据切屑形成的条件，考虑自由曲面的曲率，获得参切区域的几何条件限制；在[0,R]区间内寻找满足几何约束的纵坐标z1作为接触区域的下限，通过二分法寻找接触区域的上限，最终确定接触区域[z1,z2]。本发明专利技术提出的一种球头铣刀与工件接触区域解析计算方法，解决了现有的获取自由曲面接触区域的方法计算量大，计算效率低的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种球头铣刀与工件接触区域解析计算方法


[0001]本专利技术涉及机械制造
，尤其涉及一种球头铣刀与工件接触区域解析计算方法。

技术介绍

[0002]自由曲面薄壁件在航空航天、汽车、模具等行业应用广泛。薄壁件具有壁薄、刚度低和曲率大等特点，在加工过程中容易发生颤振和加工变形等问题。这些问题与切削力密切相关，而刀具工件接触区域的精确获取是自由曲面加工过程中准确预测削力的关键所在。目前对于自由曲面接触区域的获取主要采用解析法、Z-map法和实体法。采用实体法和Z-map法刀具扫掠体和加工的工件需要在每次计算中更新，导致计算量大，计算效率低，应用到实际加工中的效果不理想。解析法简化了实际加工条件，会产生计算误差。

技术实现思路

[0003]本专利技术提出一种球头铣刀与工件接触区域解析计算方法，以解决现有的获取自由曲面接触区域的方法计算量大，计算效率低的问题。
[0004]本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种球头铣刀与工件接触区域解析计算方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0005]S1：从切削位置和几何参数文件中读取指定刀位点的切削位置和曲率信息；
[0006]S2：建立全局坐标系O
g-X
g
Y
g
Z
g
、刀具坐标系O
t-X
t
Y
t
Z
t
和工件坐标系O
w-X
w
Y
w
Z
w
，其中全局坐标系是加工坐标系，刀具坐标系以刀尖点为原点，X
t
是进给方向在水平面的投影，Z
t
是刀轴矢量方向，根据笛卡尔坐标系右手准则确定Y
t
，在工件坐标系中，X
w
是进给方向，Z
w
是曲面法向；
[0007]S3：确定坐标系变换关系；
[0008]S4：根据曲面的曲率和切屑形成的条件，确定参切区域的几何限制条件；
[0009]S5：确定接触区域的下限；
[0010]S6：根据接触区域的下限，采用二分法得到接触区域的边界。
[0011]优选的是：所述步骤S1之前还包括：
[0012]构建球头铣刀曲面加工区域计算模型，设定加工工艺参数，计算刀具路径和曲面的几何参数，输出包含刀尖点、刀轴矢量、接触点曲率和法矢量的切削位置和几何参数文件。
[0013]优选的是：所述步骤构建球头铣刀曲面加工区域计算模型具体包括：根据初始的叶顶点和叶根点数据，通过B样条方法插值拟合得到叶片的模型。
[0014]优选的是：所述步骤S3具体包括：
[0015]刀具刃线上任意一点为Q，其在O
t-X
t
Y
t
Z
t
的坐标为[x1，y1，z1]T
，且有：
[0016][0017]其中，表示z1＝0时，刃线的切线与坐标x轴的夹角，θ为O
t-X
t
Y
t
Z
t
中对应的接触角，刃线的导程角为l，则诱导导程P为
[0018][0019]设O
t-X
t
Y
t
Z
t
和O
w-X
w
Y
w
Z
w
之间的变换矩阵为M
t
，那么Q在O
w-X
w
Y
w
Z
w
内的坐标[x2，y2，z2]T
满足
[0020][x2，y2，z2]T
＝M
t
[x1，y1，z1]T
。
[0021]优选的是：所述步骤S4具体包括：
[0022]根据曲面在x、y方向的曲率ρx、ρy和切屑形成的条件，参切区域内Q点坐标须满足的几何限制为：
[0023][0024]优选的是：所述步骤S5具体包括：
[0025]S501：设定计算精度；
[0026]S502：根据计算精度的将球头铣刀球头部分[0，R]离散为n份，记为z
S
，令z
S
＝z1；
[0027]S503：根据刃线方程计算z1在刀具坐标系中的坐标[x1，y1，z1]，通过变换矩阵M
t
，将其变换为工件局部坐标系中的[x2，y2，z2]；
[0028]S504：遍历判断z
S
中每个点[x2，y2，z2]是否满足参切区域的几何条件，确定接触区域的下限z1。
[0029]优选的是：所述步骤S6具体包括：
[0030]S601：在区间[z1，R]区间内采用二分查找算法对参切区域的上限进行搜索，令z2＝(z1+R)/2，并设定指定误差限δ；
[0031]S602：判断z2是否满足|z
2-z1|＞δ，若|z
2-z1|＞δ，则根据刃线方程计算z2在刀具坐标系中的坐标[x1，y1，z1]，通过变换矩阵M
t
，将其变换为工件局部坐标系中的[x2，y2，z2]；
[0032]S603：判断[x2，y2，z2]是否满足参切区域的几何条件，若满足则z2＝(z2+R)/2，重复判断|z
2-z1|＞δ；
[0033]S604：重复步骤S602、S603，当|z
2-z1|＜δ或[x2，y2，z2]不满足参切区域几何约束时，输出切触区域边界[z1，z2]。
[0034]相比于现有技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术根据原始数据点在CAM软件内生成叶片模型，并提取叶片模型的切削位置和几何参数数据，采用解析法计算自由曲面加工过程中球头铣刀与工件的接触区域，提高计算效率，并且考虑了自由曲面曲率的影响，计算结果与现有解析法相比更为准确。对于快速判断刀刃的切削状态，精确预测切削力和加工
仿真具有重要意义。
附图说明
[0035]图1为自由曲面加工过程中球头铣刀与工件接触区域计算流程图；
[0036]图2为叶片精加工刀位点；
[0037]图3为各个坐标系之间的关系；
[0038]图4为相邻刀位点切屑形成过程的三维模型；
[0039]图5为相邻刀轨切屑形成过程的三维模型；
[0040]图6为相邻刀位点接触区域几何限制解模型；
[0041]图7为相邻刀轨接触区域几何限制解模型；
[0042]图8为考虑曲面曲率的解析法与普通解析法求解铣削力的比较。
[0043]附图标记：1-全局坐标系，2-工件坐标系，3-刀具坐标系，4-相邻刀位点情况，5-相邻刀轨情况，6-普通解析法，7-考虑曲面曲率的解析法。
具体实施方式
[0044]为使本专利技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施方式中的附图，对本专利技术实施方式中的技术方案进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种球头铣刀与工件接触区域解析计算方法，其特征在于，包括以下步骤S1：从切削位置和几何参数文件中读取指定刀位点的切削位置和曲率信息；S2：建立全局坐标系O
g-X
g
Y
g
Z
g
、刀具坐标系O
t-X
t
Y
t
Z
t
和工件坐标系O
w-X
w
Y
w
Z
w
，其中全局坐标系是加工坐标系，刀具坐标系以刀尖点为原点，X
t
是进给方向在水平面的投影，Z
t
是刀轴矢量方向，根据笛卡尔坐标系右手准则确定Y
t
，在工件坐标系中，X
w
是进给方向，Z
w
是曲面法向；S3：确定坐标系变换关系；S4：根据曲面的曲率和切屑形成的条件，确定参切区域的几何限制条件；S5：确定接触区域的下限；S6：根据接触区域的下限，采用二分法得到接触区域的边界。2.根据权利要求1所述的一种球头铣刀与工件接触区域解析计算方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：构建球头铣刀曲面加工区域计算模型，设定加工工艺参数，计算刀具路径和曲面的几何参数，输出包含刀尖点、刀轴矢量、接触点曲率和法矢量的切削位置和几何参数文件。3.根据权利要求2所述的一种球头铣刀与工件接触区域解析计算方法，其特征在于，所述构建球头铣刀曲面加工区域计算模型具体包括：根据初始的叶顶点和叶根点数据，通过B样条方法插值拟合得到叶片的模型。4.根据权利要求1所述的一种球头铣刀与工件接触区域解析计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括刀具刃线上任意一点为Q，其在O
t-X
t
Y
t
Z
t
的坐标为[x1，y1，z1]
T
，且有：其中，表示z1＝0时，刃线的切线与坐标x轴的夹角，θ为O
t-X
t
Y
t
Z
t
中对应的接触角，刃线的导程角为l，则诱导导程P为设O
t-X
t
Y
t

【专利技术属性】
技术研发人员：王海同，杨宇伟，蔡永林，鞠楠，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：