CN101791770A - 一种自由轮廓曲面铣削加工的让刀误差补偿方法 - Google Patents

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Abstract

一种自由轮廓曲面铣削加工的让刀误差补偿方法，属于铣削加工制造技术领域。其特征是通过规划半精加工的刀具轨迹，优化精加工的加工余量，使得精加工过程中法向等效接触切削力保持恒定，进而保持法向让刀误差恒定。让刀误差通过法向等距偏置精加工刀具轨迹实现补偿。加工余量优化考虑了自由轮廓曲面加工过程中刀具的实际切削进给速度和切触角的变化。本发明的效果和益处是实现方法简单可靠，无需繁琐的测量和迭代计算，可以模块化实现，易于形成软件产品。

Description

一种自由轮廓曲面铣削加工的让刀误差补偿方法
技术领域
本发明属于铣削加工制造技术领域，涉及到让刀误差补偿方法，特别涉及到一种自由轮廓曲面铣削加工的让刀误差补偿方法。
背景技术
铣削加工过程中由于切削载荷的作用，加工系统特别是刀具系统不可避免地存在一定的挠曲变形，致使加工后工件的尺寸和形状存在误差。随着机床设备运动、定位精度的提高，加工过程中的让刀误差已经成为高刚度工件铣削加工误差的最主要组成部分，特别是在使用大长径比刀具加工时尤为明显。自由轮廓曲面铣削加工在航空航天、汽车、模具等加工制造工业中应用广泛。对于尺寸精度和形状精度要求较高的配合曲面铣削加工，比如模具分型曲面、涡轮蜗杆啮合面等，由于加工过程中让刀误差的存在，配合曲面间无法做到很好地贴合，需要大量的手工研磨工作，致使加工效率低下，制造成本增加。当前关于让刀误差补偿的研究还主要集中在航空薄壁件直面铣削加工，对于曲面加工误差补偿技术鲜有报道。经对现有技术的文献检索发现，Cho，M.-W.等人发表的《Integrated Error Compensation Method Using OMM System for ProfileMilling Operation》(刊物Journal of Materials Processing Technology)2003.136(1-3)：p.88-99.)《Integrated Machining Error Compensation MethodUsing OMM Data and Modified PNN Algorithm》(刊物《Int.J.Mach.ToolsManuf》2006.46(12-13)：p.1417-1427.)，提出了一种基于测量系统的轮廓加工误差补偿方法。该方法通过测量试切加工后工件的尺寸，评估误差分布情况，修正加工文件，然后再试切加工，再测量、评估误差、修正加工文件，直到加工误差落在允许的范围之内。该方法建立在试切加工测量的基础之上，实现成本高昂，适合于大批量制造的场合。Rao.V.S.and P.V.M.Rao发表的《ToolDeflection Compensation in Peripheral Milling of Curved Geometries》(刊物《Int.J.Mach.Tools Manuf.》2006.46(15)：p.2036-2043.)提出了一种基于让刀误差预测的误差补偿方法：针对每一刀具位置计算其让刀误差值，通过修改精加工刀具轨迹的方式进行补偿。该方法需要大量的迭代计算来确定各刀具位置的让刀误差补偿值，实现效率不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对自由轮廓曲面铣削加工过程中存在的让刀误差问题，提供一种实用的误差补偿工艺方法。
本发明的技术方案：在对自由轮廓曲面铣削过程分析的基础上，通过规划半精加工的刀具轨迹，优化精加工的加工余量，使得精加工过程中刀具所承受的法向等效接触切削力保持恒定，进而使得加工过程中的刀具偏差保持恒定。
让刀误差通过法向等距偏置精加工刀具轨迹来实现。
本发明具体实施步骤如下：
步骤1.规划半精加工刀具轨迹，优化精加工加工余量：
(1)构建法向等效接触切削力搜索曲面，针对某设定的等效接触切削力大小，提取等切削力曲线，建立法向等效接触切削力恒定条件下刀触点进给速度和刀具的切触包角之间的关系：
a.基于现有的切削力模型，在某一个较大的进给速度和刀具切触角范围内仿真计算法向等效接触切削力，构建等效法向接触切削力的三维搜索曲面；
b.依据设定的法向等效接触切削力，在三维搜索曲面上提取等高线，建立法向等效接触切削力恒定条件下切削进给速度与刀具切触角之间的对应关系。
(2)依据工件轮廓几何和刀具中心进给速度计算加工过程中各位置的刀触点进给速度。并根据步骤(1)得到的法向等效接触切削力恒定条件下刀触点进给速度和刀具的切触包角之间的关系，计算加工过程中各位置的刀具切触角：
a.按照精度要求充分离散加工轨迹；
b.计算每个离散节点位置的法向量；
c.计算各刀具位置对应的刀触点，得到刀触点进给速度；
d.依据步骤c得到的实际切削速度和步骤(1)得到的对应关系，计算精加工过程的刀具切触角。
(3)规划半精加工刀具轨迹，优化精加工加工余量：
a.由步骤(2)得到的离散节点的轨迹法向量和对应位置刀具切触角，计算各刀具位置点对应的加工余量；
b.基于上述的加工余量信息，规划半精加工的刀具轨迹。按照该轨迹加工后，所留下的材料残余即为所期望的精加工余量。
步骤2.自由轮廓曲面补偿加工：
(1)根据设定的等效接触切削力大小，计算精加工刀具轨迹法向偏置量，偏置精加工刀具轨迹；
(2)执行规划好的半精加工刀具轨迹，完成精加工余量优化。半精加工之前的材料去除工作按照传统的加工方法完成。
(3)执行偏置的精加工刀具轨迹，完成自由轮廓曲面的让刀误差补偿加工。
本发明的效果和益处是，实施方法简单有效，不需要繁琐地测量和迭代计算，大大简化了自由轮廓曲面的让刀误差补偿过程。同时，本发明能够模块化实现，易于与现有的软件集成。
附图说明
附图1是自由轮廓曲面让刀误差补偿的流程图。
附图2是法向平均接触切削力搜索曲面及等切削力曲线示意图。
附图3是轮廓曲面加工过程中实际切削进给速度图。
附图4是计算得到的刀具切触角度图。
附图5是自由轮廓曲面让刀误差补偿加工的示意图。
附图6是自由轮廓曲面让刀误差补偿效果示意图。
具体实施方案
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例刀具中心每齿进给量为0.1mm；预设的法向等效接触切削载荷为80N；工件材料为7075铝合金；使用涂层硬质合金刀具，刀具直径8mm；安装后刀具伸出刀柄长度为70mm；工件轮廓为4次NURBS自由曲线；附图1为让刀误差补偿的流程图。如图所示，具体实施步骤如下：
步骤1.规划半精加工刀具轨迹，优化精加工加工余量；
(1)基于现有的切削力模型，在每齿进给量0.02~0.25mm，刀具切触角0~85°的范围内，仿真法向等效接触切削力，构建法向等效接触切削力的三维搜索曲面，如附图2。在三维搜索曲面上提取法向等效接触切削力为80N的等高线，建立法向等效接触切削力恒定条件下进给速度与刀具切触角之间的对应关系；
(2)刀具轨迹的离散精度取0.1mm，计算各节点位置的法向量和各对应位置的刀触点，得到实际加工的每齿进给量，如附图3所示。再结合步骤(1)得到的法向等效接触切削力恒定条件下进给速度和刀具切触包角之间的关系，计算加工过程中各位置的刀具切触角，如附图4所示；
(3)根据步骤(1)得到的离散节点的法向量和步骤(2)得到的对应位置刀具切触角，计算每一刀具位置对应的加工余量点；基于上述的加工余量信息，规划半精加工的刀具轨迹。按照该轨迹加工后，所留下的材料残余即为所期望的精加工余量，如附图5所示；
步骤2.自由轮廓曲面补偿加工：
根据设定的等效接触切削力大小，计算精加工刀具轨迹法向偏置量，偏置精加工刀具轨迹；执行规划的半精加工刀具轨迹，完成精加工余量优化。半精加工之前的材料去除工作按照传统的加工方法完成；执行偏置的精加工刀具轨迹，完成曲面让刀误差补偿加工。附图6为本实施例让刀误差补偿效果图。

Claims (1)

1.一种自由轮廓曲面铣削加工的让刀误差补偿方法，其特征是，通过规划半精加工的刀具轨迹，优化精加工的加工余量，使得精加工过程中法向让刀误差保持恒定；让刀误差补偿通过法向等距偏置精加工的刀具轨迹来实现；补偿方法步骤如下：
(1)规划半精加工刀具轨迹，优化精加工加工余量：
a.构建法向等效接触切削力搜索曲面，针对某设定的等效接触切削力值，提取等切削力曲线，建立法向等效接触切削力恒定条件下刀触点进给速度和刀具的切触包角之间的对应关系；
b.依据工件轮廓几何和刀具中心进给速度计算加工过程中各位置的刀触点进给速度；并根据步骤a得到的法向等效接触切削力恒定条件下刀触点进给速度和刀具的切触包角之间的关系，计算加工过程中各位置的刀具切触角；
c.根据步骤b得到的刀具切触角信息，规划半精加工刀具轨迹，优化精加工的加工余量；
(2)补偿加工：
a.根据设定的等效接触切削力大小，计算让刀误差值，并据此偏置精加工刀具轨迹；
b.执行规划好的半精加工刀具轨迹，完成精加工余量优化；半精加工之前的材料去除工作按照传统的加工方法完成；
c.执行偏置的精加工刀具轨迹，完成曲面让刀误差补偿加工。
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