一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法技术

本发明专利技术提供一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法。该方法首先对复杂曲面摆线铣削进行区域划分，并建立三维空间与平面等参数域的映射关系；然后，基于摆线铣削动力学稳定性预测模型，通过控制刀具加工过程中刀具

【技术实现步骤摘要】
一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法


[0001]本专利技术属于机械加工制造领域，具体涉及一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法。

技术介绍

[0002]航空机匣等复杂曲面零件具有表面形态特征多样、余量分布无规则、加工精度要求高以及材料去除率大等特性，在加工该类零件时，环切、行切等传统加工刀轨中含有大量凹凸拐角，易加剧刀具和工件之间啮合角的波动起伏，导致切削载荷突变、切削温度升高、刀具磨损严重、表面质量差等问题。摆线铣削是解决上述问题的有效手段，摆线加工以平滑过渡的曲线轨迹分多次逐步去除材料，切削合力变化较平稳，能较好地降低刀具负载，有效地避免了对机床的剧烈冲击。
[0003]查阅现有技术与文献发现，文献“M,Otkur,and,et al.Trochoidal milling[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2007.”提出了一种摆线铣削建模方法，并公开了一种双摆线铣削轨迹规划方法，有效提高了摆线铣削的加工效率；文献“Wang C,Li B,Wu S,et al.Trochoidal machining for the high
‑
speed milling of pockets[J].Journal of Materials Processing Technology,2016.”提出了一种适合型腔余摆线铣削加工的控制策略，指出通过增加切削轴向深度，余摆线铣削法的铣削效率和刀具磨损均优于进给率调节法；专利技术专利CN108845541A公开了一种自由曲线边界型腔粗加工摆线铣轨迹规划方法,使得刀具
‑
工件的啮合角在摆线加工过程中始终较小值，进而保证刀具负载的平稳并减小刀具磨损。但是，以上研究和技术主要集中在刀具进给速度优化和切削力阈值设定方面，而很少关注摆线铣削加工的稳定性问题，不合理的摆线步距、半径等轨迹参数会诱发甚至导致颤振等问题；现有的摆线模型的单个切削周期内，刀具
‑
工件啮合角随着加工进程不断变化，啮合角仅在一个点达到最大值，而大部分切削位置啮合角都低于最大值，由于刀具径向切深与啮合角存在一定的对应关系，刀具的径向切深也呈周期性变化，影响切削稳定性；此外，传统摆线路径不仅对复杂加工区域适应性差，而且每个摆线周期都有不小的空切行程，使得加工轨迹增加，容易出现刀具轨迹重叠、冗余，影响加工效率。因此，如何有效地控制加工过程中刀具
‑
工件啮合角与空切行程，是生成具有高切削稳定性刀轨亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供了一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法，结合摆线铣削动力学模型，采用迭代延长轨迹优化方法，控制刀具加工过程中刀具
‑
工件啮合角恒定，在单个刀具轨迹周期内分段规划摆线铣削轨迹，在保证加工稳定性的前提下，保持稳定的材料去除率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、获取复杂曲面形貌特征信息，划分类摆线加工区域。
[0008]步骤2、建立三维空间与平面等参数域之间的空间映射关系，获得等参数域内加工区域边界，并以加工边界П的偏置曲线作为轨迹引导线Ι。
[0009]步骤3、建立摆线铣削动力学模型，获得三维稳定边界，预设主轴转速n、轴向切深a
p
和径向切深a
e
等动力学参数，求解实现稳定切削的摆线步距阈值Str[Str
min
,Str
max
]。然后在等参数域内规划单周期变半径摆线铣削轨迹，具体如下：
[0010](1)在所求摆线步距阈值Str中选定期望步距Str0，获取刀具位置角摆线半径R与刀具
‑
工件啮合角的关系；考虑刀具寿命、加工精度等因素，以减少加工时间为目标，优化动力学切削参数，确定临界刀具
‑
工件啮合角θ0。
[0011](2)从切入段切削轨迹L
r
、中间段切削轨迹L
z
、切出段切削轨迹L
c
三段对类摆线铣削段轨迹进行规划：
[0012]①
切入段切削轨迹L
r
[0013]切入段切削轨迹L
r
沿用余摆线模型切削轨迹。设S为切入段切削轨迹起点，O点为刀具圆心，刀具轮廓与前一周期切削轨迹交于点D，与当前周期的切削轨迹切点为C
n
，与的夹角为刀具
‑
工件啮合角θ。d是过点D且与轨迹引导线Ι相平行的方向曲线与当前周期内切削轨迹的交点，将d作为切入段切削轨迹终点E
n
。根据(1)中所述临界刀具
‑
工件啮合角在当前周期内求解刀具
‑
工件啮合角为θ0时刀具位置角时刀具位置角表示切削轨迹L中刀具
‑
工件啮合角不小于θ0的刀具位置角范围，此时的切入段切削轨迹L
r
不能唯一确定，将当前加工区域最大内切圆半径R
max
预设为类摆线轨迹初始半径R1，在中间段切削轨迹L
z
中需要对R1进一步优化；
[0014]②
中间段切削轨迹L
z
[0015]设切削轨迹L
SEn
为过程切削轨迹L
i
(i为迭代次数)。为保证刀具在中间切削路径L
z
切削过程中啮合角尽可能接近临界值θ0，基于过程切削轨迹L
i
，采用迭代延长轨迹优化方法获得中间切削路径L
z
。其中，迭代延长轨迹优化方法步骤如下：
[0016]A.离散切削轨迹L
i
，获得刀具切触点集合U＝{u1,u2,...,u
i
‑1,u
i
}，将点E
n
引入U内生成新的点集合U＝{u1,u2,...,u
i
‑1,u
i
,E
n
}；
[0017]B.获取U中第一点与最后一点型值点坐标U(first)＝[S
xi
,S
yi
]、U(end)＝[E
xi
,E
yi
]，并求取两点处的切线向量：起点和终点切向量利用上述4组参数在S、E
n
两点之间通过样条插值获取切削轨迹L
g
；
[0018]C.建立切削轨迹L
g
的三次参数样条函数H，以U和H的拟合优度和均方差为优化目标，利用共轭方向法确定U(first)、U(end)、最优值组合参数，将求解出的参数代入三次参数样条函数中，构造新的过程切削轨迹L
i+1
；
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获取复杂曲面形貌特征信息，划分类摆线加工区域；步骤2、建立三维空间与平面等参数域之间的空间映射关系，获得等参数域内加工区域边界，并以加工边界П的偏置曲线作为轨迹引导线Ι；步骤3、建立摆线铣削动力学模型，获得三维稳定边界，预设主轴转速n、轴向切深a
p
和径向切深a
e
等动力学参数，求解实现稳定切削的摆线步距阈值Str[Str
min
,Str
max
]；然后在等参数域内规划单周期变半径摆线铣削轨迹；步骤4、将摆线铣削轨迹向刀轴方向偏置，获得类摆线刀具切削轨迹C
i
；以C
i
为单元刀轨，沿轨迹引导线Ι多次迭代生成等参类摆线轨迹X，覆盖等参数加工区域；步骤5、将所述等参类摆线轨迹X逆映射到三维加工表面Μ，并考虑机床的运动特性，尽量减少切削过程中对旋转轴的使用频率，同时兼顾包括切削振动的约束条件，优化类摆线刀轨中刀轴位姿变化，对局部刀轨进行调整，最终获得三维类摆线加工刀轨Z。2.根据权利要求1所述的一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法，其特征在于，所述的等参数域内规划单周期变半径摆线铣削轨迹，具体如下：(1)在所求摆线步距阈值Str中选定期望步距Str0，获取刀具位置角摆线半径R与刀具
‑
工件啮合角的关系；以减少加工时间为目标，优化动力学切削参数，确定临界刀具
‑
工件啮合角θ0；(2)从切入段切削轨迹L
r
、中间段切削轨迹L
z
、切出段切削轨迹L
c
三段对类摆线铣削段轨迹进行规划：
①
切入段切削轨迹L
r
切入段切削轨迹L
r
沿用余摆线模型切削轨迹；设S为切入段切削轨迹起点，O点为刀具圆心，刀具轮廓与前一周期切削轨迹交于点D，与当前周期的切削轨迹切点为C
n
，与的夹角为刀具
‑
工件啮合角θ；d是过点D且与轨迹引导线Ι相平行的方向曲线与当前周期内切削轨迹的交点，将d作为切入段切削轨迹终点E
n
；根据(1)中所述临界刀具
‑
工件啮合角在当前周期内求解刀具
‑
工件啮合角为θ0时刀具位置角时刀具位置角表示切削轨迹L中刀具
‑
工件啮合角不小于θ0的刀具位置角范围，此时的切入段切削轨迹L
r
不能唯一确定，将当前加工区域最大内切圆半径R
max
预设为类摆线轨迹初始半径R1，在中间段切削轨迹L
z
中需要对R1进一步优化；
②
中间段切削轨迹L
z
设切削轨迹为过程切削轨迹L
i
，i为迭代次数；为保证刀具在中间切削路径L
z
切削过程中啮合角尽可能接近临界值θ0，基于过程切削轨迹L
i
，采用迭代延长轨迹优化方法获得中间切削路径L
z
；
③
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉文，李兆亮，牛金波，徐金亭，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：