基于微元离散的通用刀具五轴加工切削力预测方法及应用技术

本发明专利技术属于机械制造加工相关技术领域，其公开了一种基于微元离散的通用刀具五轴加工切削力预测方法及应用，包括以下步骤：(1)计算切触区域离散微元的坐标信息及工件坐标系的变换矩阵信息；(2)计算得到每个微元处的切入切出角；(3)根据刀刃转角与切入切出角之间的大小关系来判断切削刃微元是否参与切削；(4)根据刀具几何参数及工件材料属性解析计算剪切力系数和边缘力系数；(5)计算微元切削刃长度、微元切削宽度及厚度进而计算每一个微元处的切削力的大小，并在切触区域边界中进行微元求和，进而得到整个刀具对工件的切削力。本发明专利技术解决了现有技术中对于复杂曲面五轴加工刀具与工件啮合区域难以快速、准确获取的问题。准确获取的问题。准确获取的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于微元离散的通用刀具五轴加工切削力预测方法及应用


[0001]本专利技术属于机械制造加工相关
，更具体地，涉及一种基于微元离散的通用刀具五轴加工切削力预测方法及应用。

技术介绍

[0002]在机械加工领域，切削力的存在时刻影响着加工过程中的加工稳定性，表面加工质量以及表面粗糙度，这些对于零件的性能都是至关重要的。不同的加工刀具、不同的切削条件下的切削力预测一直以来都是研究人员所关注的，尤其对于切削力的精准、高效预测更是研究中的难点所在。一直以来针对通用刀具的五轴加工切削力预测并没有十分便捷、快速的求解方法。
[0003]随着计算机算力的提升，对于复杂曲面加工的仿真技术也日益成熟，能够在保证效率的同时获取到刀具工件切触区域以及切触边界信息，这对于切削力的预测是十分重要的。切削力的变化将直接影响到被加工零件的形状误差及表面质量，也会间接影响到刀具颤振以及刀具磨损，如果能够高效准确的进行切削力预测，就能够对加工过程中的工艺参数进行调优、对加工刀具状态进行监测，以保证加工过程的稳定性以及加工零件的质量。在早期对于切削力的预测研究理论较为完备，但是多数基于简单曲面加工或者单一刀具复杂曲面加工，这些理论能够有效的预测力，但是并没有得到广泛应用以及推广，很多方法受限于加工场景或者预测效率。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于微元离散的通用刀具五轴加工切削力预测方法及应用，其利用微元离散获取到切触区域以及切触边界，通过计算刀刃转角和切入切出角判断参与切削的微元，进而计算微元瞬时力，实现通用立铣刀曲面切削力预测。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于微元离散的通用刀具五轴加工切削力预测方法，所述预测方法主要包括以下步骤：
[0006](1)根据刀轴方向和进给方向建立加工过程中的刀具坐标系及加工应用中的通用立铣刀几何刃线模型，并采用APT七个几何参数确定立铣刀几何包络；
[0007](2)利用八叉树体素求交算法和距离场算法计算加工过程中的切触区域离散微元的坐标信息及工件坐标系的变换矩阵信息；
[0008](3)基于得到的坐标信息计算得到每个微元处的切入切出角；
[0009](4)根据刀刃转角与切入切出角之间的大小关系来判断切削刃微元是否参与切削，以得到参与切削的微元；
[0010](5)建立通用螺旋立铣刀微元切削力模型，并根据刀具几何参数及工件材料属性解析计算剪切力系数和边缘力系数；其中，所述通用螺旋立铣刀微元切削力模型的数学表达式为：
[0011]dF
t
＝K
tc
h
e
db+K
te
dS
[0012]dF
r
＝K
rc
h
e
db+K
re
dS
[0013]dF
a
＝K
ac
h
e
db+K
ae
dS
[0014]式中，dF
t
、dF
r
、dF
a
分别为切向、径向、轴向微元力分量；F
t
、F
r
、F
a
分别为切向、径向、轴向力；K
tc
、K
rc
、K
ac
分别为微元切向、径向、轴向剪切力系数；h
e
为切削微元厚度；db为切削微元宽度；K
te
、K
re
、K
ae
分别为微元切向、径向、轴向边缘力系数；dS为切削刃微元长度；
[0015](6)计算微元切削刃长度、微元切削宽度及厚度进而计算每一个微元处的切削力的大小，并在切触区域边界中进行微元求和，进而得到整个刀具对工件的切削力。
[0016]进一步地，通用立铣刀包络划分为三个区域，由APT七参数所确定立铣刀几何特征为：
[0017][0018]M
z
＝M
r tanα
[0019][0020]N
r
＝u+N
z
tanβ
[0021]式中，Mr为立铣刀底部圆锥部分半径；R为立铣刀圆弧部分半径；z为铣刀切削刃上的一点P的纵坐标；α为底部圆锥部分锥角(圆锥母线与水平方向夹角)；M
z
为底部圆锥部分高度；N
z
为立铣刀上N点高度；R
r
为圆弧部分中心点的半径；u为顶部圆锥反向延长线与刀具半径方向交点的横向距离；β为顶部圆锥部分锥度角(圆锥母线与垂直方向夹角)；R
z
为圆弧部分中心点的高度；N
r
为立铣刀上N点半径。
[0022]进一步地，切削刃半径r(z
l
)的公式为：
[0023][0024]式中，z
l
为立铣刀母线长度；OM为底部圆锥部分母线长度；D为圆锥部分延长线交点处的直径；MN为圆弧部分母线长度；h为刀具刃线高度。
[0025]进一步地，步骤(2)中，利用八叉树体素求交算法计算得到切触区域微元信息，离散在刀具z方向上离散，得到离散微元中每个离散区间在刀具坐标系中的左侧边缘点坐标
T
p
l
、右侧边缘点坐标
T
p
r
，进给方向在刀具坐标系中的表达
T
f，刀具坐标系到工件坐标系的变换矩阵
[0026]进一步地，切入切出角θ
se
为点P与刀具坐标系中的x方向的夹角，计算方式为：
[0027]θ
se
＝atan2(
T
p
l
,
T
p
r
)
[0028]式中，θ
se
为切入切出角；
T
p
l
为离散微元中每个离散区间在刀具坐标系中的左侧边缘点坐标；
T
p
r
为离散微元中每个离散区间在刀具坐标系中的右侧边缘点坐标。
[0029]进一步地，刀刃转角的计算方式为：
[0030][0031]式中，θ为刀具在实际加工过程中的转动角度，θ＝Ωt，其中Ω为主轴转速，t为加工时间，为相邻切削刃之间的夹角，N
f
为刀具刃数，ψ(z)为径向滞后角。
[0032]进一步地，将刀刃转角转换到
‑
π～π之间，如果当前刀刃转角在切入切出角范围内，即为参与切削；反之，则未参与切削。
[0033]进一步地，剪切力系数是根据斜角切削模型进行计算的，对应的计算公式为：
[0034][0035][0036][0037]式中，τ是剪切面内的剪应力，i是倾斜角，γ
n
是法向前角，β
n
是摩擦本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微元离散的通用刀具五轴加工切削力预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)根据刀轴方向和进给方向建立加工过程中的刀具坐标系及加工应用中的通用立铣刀几何刃线模型，并采用APT七个几何参数确定立铣刀几何包络；(2)利用八叉树体素求交算法和距离场算法计算加工过程中的切触区域离散微元的坐标信息及工件坐标系的变换矩阵信息；(3)基于得到的坐标信息计算得到每个微元处的切入切出角；(4)根据刀刃转角与切入切出角之间的大小关系来判断切削刃微元是否参与切削，以得到参与切削的微元；(5)建立通用螺旋立铣刀微元切削力模型，并根据刀具几何参数及工件材料属性解析计算剪切力系数和边缘力系数；其中，所述通用螺旋立铣刀微元切削力模型的数学表达式为：dF
t
＝K
tc
h
e
db+K
te
dSdF
r
＝K
rc
h
e
db+K
re
dSdF
a
＝K
ac
h
e
db+K
ae
dS式中，dF
t
、dF
r
、dF
a
分别为切向、径向、轴向微元力分量；F
t
、F
r
、F
a
分别为切向、径向、轴向力；K
tc
、K
rc
、K
ac
分别为微元切向、径向、轴向剪切力系数；h
e
为切削微元厚度；db为切削微元宽度；K
te
、K
re
、K
ae
分别为微元切向、径向、轴向边缘力系数；dS为切削刃微元长度；(6)计算微元切削刃长度、微元切削宽度及厚度进而计算每一个微元处的切削力的大小，并在切触区域边界中进行微元求和，进而得到整个刀具对工件的切削力。2.如权利要求1所述的基于微元离散的通用刀具五轴加工切削力预测方法，其特征在于：通用立铣刀包络划分为三个区域，由APT七参数所确定立铣刀几何特征为：M
z
＝M
r tanαN
r
＝u+N
z
tanβ式中，Mr为立铣刀底部圆锥部分半径；R为立铣刀圆弧部分半径；z为铣刀切削刃上的一点P的纵坐标；α为底部圆锥部分锥角，即圆锥母线与水平方向之间的夹角；M
z
为底部圆锥部分高度；N
z
为立铣刀上N点高度；R
r
为圆弧部分中心点的半径；u为顶部圆锥反向延长线与刀具半径方向交点的横向距离；β为顶部圆锥部分锥度角，即圆锥母线与垂直方向之间的夹角；R
z
为圆弧部分中心点的高度；N
r
为立铣刀上N点半径。3.如权利要求2所述的基于微元离散的通用刀具五轴加工切削力预测方法，其特征在于：切削刃半径r(z
l
)的公式为：
式中，z
l
为立铣刀母线长度；OM为底部圆锥部分母线长度；D...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄涛，葛立才，黄明坤，张小明，丁汉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：