【技术实现步骤摘要】
摆线铣削中的瞬时三维未变形切屑几何建模方法
[0001]本专利技术属于多轴数控铣削几何仿真及摆线铣削建模相关领域，涉及在摆线铣削中求解任意瞬时刀具各切削刃切除材料的未变形切屑三维几何模型的方法。
技术介绍
[0002]近年来随着我国航空航天工业的持续高速发展，难加工材料，如钛合金、镍基高温合金等，因其强重比大，耐腐蚀性优良在航空航天业应用愈加广泛。然而，在航空航天领域为了提升运载效率，对零件重量要求苛刻，零件的材料去除体积大，部分零件可达90％以上，这导致零件的切削效率低、加工成本高。
[0003]针对上述问题，学术界提出了摆线铣削策略，以提高切削效率、降低切削成本。研究表明摆线铣削可以降低切削力、避免满槽铣和切削力的激变、提升零件加工表面质量、降低切削温度、排屑性能优良、切削稳定性好、减小刀具磨损、延长刀具寿命、节约能源以及特别适用于铣削难加工材料和高速加工。
[0004]文献“Pleta A,Niaki F A,Mears L.Investigation of chip thickness and force modelling of trochoidal milling[J].Procedia Manufacturing,2017,10:612
‑
621.”中基于次摆线模型研究了摆线铣削中的二维未变形切屑几何，并提出了二维未变形切屑厚度的数值计算方法。然而，该文献公开的方法并未建立摆线铣削中的瞬时三维未变形切屑几何模型，难以直观展示未变形切屑生成过程和多齿切削现象。此外，其在建...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.摆线铣削中的瞬时三维未变形切屑几何建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于层切思想，采用多个垂直于刀轴的平行平面同时切割刀具和工件得到多个切削层；步骤2：判断各切削层的切削类型，求解任意瞬时各个切削层上的瞬时二维未变形切屑几何：对于仅单齿切削的切削层，求解参与切削的切削刃在任意瞬时生成的瞬时二维未变形切屑几何；对于发生多齿切削的切削层，分别求解参与切削的单个切削刃在任意瞬时生成的瞬时二维未变形切屑几何；步骤3：将所有切削层上的瞬时二维未变形切屑几何，沿与刀轴平行的方向堆叠，得到瞬时三维未变形切屑几何。2.根据权利要求1所述的摆线铣削中的瞬时三维未变形切屑几何建模方法，其特征在于：所述步骤2中单个切削刃在任意瞬时生成的瞬时二维未变形切屑几何的求解步骤如下：步骤2.1：求解摆线铣削中任意瞬时刀心点、前一个摆线切削周期材料切除边界曲面，以及当前摆线切削周期即将生成的材料切除边界曲面；步骤2.1.1：建立用于描述摆线刀轨的参考坐标系CSO
r
和CSO
q
；所述参考坐标系CSO
r
的原点O
r
处在当前摆线切削周期摆线刀轨圆弧段的圆心处，x
r
轴与摆线刀轨的直线段平行且指向刀具的进给方向，z
r
轴与刀轴方向平行且垂直指向上方，y
r
由右手螺旋定则确定；所述参考坐标系CSO
q
的原点O
q
处在前一个摆线切削周期摆线刀轨圆弧段的圆心处，各坐标轴与所述参考坐标系CSO
r
方向一致；步骤2.1.2：计算当前摆线切削周期中任意瞬时刀心点O
c
(x
c
,y
c
,z
c
)、在所述坐标系CSO
r
中的坐标，前一摆线周期切除的材料边界S1(x
s1
,y
s1
,z
s1
)以及当前摆线周期即将切削的材料生成的边界曲面S2(x
s2
,y
s2
,z
s2
)和S3(x
s3
,y
s3
,z
s3
)在所述坐标系CSO
r
中的表达式；步骤2.2：在所述坐标系CSO
r
中建立用于描述瞬时二维未变形切屑几何的局部坐标系CSO
ci,j
；步骤2.2.1：对于某一切削层Π
i
，计算其上第k个刀尖点C
i,k
的运动轨迹圆S
ei,j
在所述坐标系CSO
r
中圆心O
ci,j
的坐标(x
ci,j
,y
ci,j
,z
ci,j
)；步骤2.2.2：在所述切削层Π
i
上，以所述圆心O
ci,j
为圆点建立q个局部坐标系CSO
ci,j
；所述局部坐标系CSO
ci,j
的x
ci,j
轴与刀具沿摆线刀轨在所述圆心O
ci,j
处的进给方向平行且同向，z
ci,j
轴与所述z
r
轴平行且同向，y
ci,j
轴由右手定则确定；所述q为一个摆线周期刀具切削工件的总次数；步骤2.3：计算各切削层上各切削刃的刀尖点在坐标系CSO
r
中的瞬时位置；步骤2.4：求解各切削层上任意瞬时产生的瞬时二维未变形切屑几何的参数表达式；步骤2.5：求解步骤2.4得到的所述参数表达式中的参数，从而得到瞬时二维未变形切屑几何。3.根据权利要求2所述的摆线铣削中的瞬时三维未变形切屑几何建模方法，其特征在于：所述步骤2中，判断各切削层的切削类型的方法是：若某个切削层是否发生多齿切削的方法是：在任意瞬时，在某切削层上，如果有大于1个刀尖点的瞬时位置角处在对应的切入
角和切出角的区间内，则该切削层上发生多齿切削；否则，该切削层仅发生单齿切削。4.根据权利要求2或3所述的摆线铣削中的瞬时三维未变形切屑几何建模方法，其特征在于：步骤2.1.2中：当前摆线切削周期中任意瞬时刀心点O
c
(x
c
,y
c
,z
c
)在坐标系CSO
r
中的坐标按照下式计算：其中：c为摆线步长；r为摆线半径；t是时间参数，单位为s；f为进给速度，单位为mm/min；时间参数t
l
＝60c/f，t
t
＝60(c+2πr)/f；前一摆线周期切除的材料边界S1(x
s1
,y
s1
,z
s1
)以及当前摆线周期即将切削的材料生成的边界曲面S2(x
s2
,y
s2
,z
s2
)和S3(x
s3
,y
s3
,z
s3
)在坐标系CSO
r
中的表达式分别如下：中的表达式分别如下：S3＝{(x
s3
,y
s3
,z
s3
)x
s3
∈[
‑
c,0],y
s3
＝
‑
(R+r),z
s3
∈[0,a
p
]}其中，θ
s1
是曲面S1的弧度参数且θ
s1
∈[0,π
‑
arcsin(c/2(R+r))]，R为刀具半径；当θ
s1
∈[π
‑
arcsin(c/2(R+r)),2π]时，曲面S1不存在，即曲面S1代表的材料边界被上一个摆线切削周期去除；S2为刀具沿摆线刀轨的直线段切削生成的曲面，S3为刀具沿摆线刀轨的圆弧段切削生成的曲面；θ
s2
是曲面S2的弧度参数，其从y
r
轴的负半轴沿逆时针方向算起，且θ
s2
∈[0,π+arcsin(c/2(R+r))]；a
p
为轴向切深，单位为mm。5.根据权利要求4所述的摆线铣削中的瞬时三维未变形切屑几何建模方法，其特征在于：所述步骤2.2.1中：所述某一切削层Π
i
上第k个刀尖点C
i,k
的运动轨迹圆S
ei,j
在所述坐标系CSO
r
中圆心O
ci,j
的坐标(x
ci,j
,y
ci,j
,z
ci,j
)按照下式计算：
其中：t
ci,j
为时间参数，n为主轴转速，单位为rpm；q为一个摆线周期刀具切削工件的总次数，t
di
为由于刀具螺旋角β而引入的时间滞后参数，其表示处在同一个切削刃上的刀尖点在切削层Π1上开始切削材料的t
di
时间后将在切削层Π
i
上开始切削材料；Z
i
为切削层Π
i
在CSO
r
中的z
r
坐标。6.根据权利要求5所述的摆线铣削中的瞬时三维未变形切屑几何建模方法，其特征在于：所述步骤2.3中任意一个切削层Π
i
上各切削刃的刀尖点在坐标系CSO
r
中的瞬时位置按照下述方法计算：2.3.1第一个刀尖点C
i,1
在参考坐标系CSO
r
中的瞬时位置O
pi,1
(x
pi,1
,y
pi,1
,z
pi,1
)按照下式计算：其中：j＝int(t/t1)
·
N+1，int为取整运算符；ω为角速度，ω＝2πn/60；令θ
fi,j
＝ω
·
(t
‑
int(t/t1)
·
t1)，θ
fi,j
为第一个刀尖点C
i,1
在局部坐标系CSO
ci,j
中的瞬时位置角，(x
ci,j
,y
ci,j
,z
ci,j
)为圆心O
ci,j
在参考坐标系CSO
r
中的坐标；2.3.2第k个刀尖点C
i,k
在参考坐标系CSO
r
中的瞬时位置按照下述情况计算，k≠1：情形1、若ω
·
t<(k
‑
1)
·
ψ
p
，在切削层Π
i
上第k个刀尖点C
i,k
的运动轨迹不存在；情形2、若ω
·
t≥(k
‑
1)
·
ψ
p
并且θ
fi,j
<(k
‑
1)
·
ψ
p
，切削层Π
i
上第k个刀尖点C
i,k
在坐标系CSO
r
中的瞬时位置O
pi,k
(x
pi,k
,y
pi,k
,z
pi,k
)按照下式计算：令θ
fi,j
‑
N+k
‑1＝θ
fi,j
‑
(k
‑
1)
·
ψ
p
+2π，θ
fi,j
‑
N+k
‑1为瞬时t第k个刀尖点C
i,k
在坐标系CSO
ci,j
‑
N+k
‑1中的瞬时位置角；(x
ci,j+k
‑1,y
ci,j+k
‑1,z
ci,j+k
‑1)为第k个刀尖点C
i,k
的运动轨迹圆S
ei,j
‑
N+k
‑1的圆心O
ci,j+k
‑1在参考坐标系CSO
r
中的坐标；情形3、若ω
·
t≥(k
‑
1)
·
ψ
p
并且θ
fi,j
≥(k
‑
1)
·
ψ
p
，在瞬时t，切削层Π
i
上第k个刀尖点C
i,k
在参考坐标系CSO
r
中的瞬时位置O
pi,k
(x
pi,k
,y
pi,k
,z
pi,k
)由下式计算：
令θ
fi,j+k
‑1＝θ
fi,j
‑
(k
‑
1)
·
ψ
p
，θ
fi,j+k
‑1为瞬时t第k个刀尖点C
i,k
在局部坐标系CSO
ci,j+k
‑1中的瞬时位置角；(x
ci,j+k
‑1,y
ci,j+k
‑1,z
ci,j+k
‑1)为第k个刀尖点C
i,k
的运动轨迹圆S
ei,j+k
‑1的圆心O
ci,j+k
‑1在参考坐标系CSO
r
中的坐标。7.根据权利要求6所述的摆线铣削中的瞬时三维未变形切屑几何建模方法，其特征在于：步骤2.4中任意一个切削层Π
i<...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓奇，刘源，盖京波，孙鸣鹤，叶飞，常智勇，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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