CN104850061A - 外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置及预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置及预测方法。汽车外覆盖件模具是汽车生产的关键工艺装备，其制造难度大、加工质量及精度要求很高，凹、凸模部分结构复杂，在自由形面上又存在大量的诸如沟槽、转角、凸起、凹陷等包含曲率的型面。本发明组成包括:单点激光扫描装置（8）、立式加工中心（9），所述的单点激光扫描装置底部一侧具有垂直孔，所述的孔内有激光束（5）穿过，所述的单点激光扫描装置下方安装有轿车外覆盖件模具（6），所述的单点激光扫描装置按照预设路径通过所述的激光束扫描采集整个待加工件型面各处关键点。本发明用于外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置。

Description

外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置及预测方法

技术领域：

本发明涉及高精度模具加工技术领域，具体涉及一种外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置及预测方法。

背景技术：

汽车外覆盖件模具是汽车生产的关键工艺装备，其制造难度大、加工质量及精度要求很高，凹、凸模部分结构复杂，在自由形面上又存在大量的诸如沟槽、转角、凸起、凹陷等包含曲率的型面。在淬硬钢复杂曲面区域，由于铣削特性的复杂，剧烈的铣削振动影响工件的加工质量并使其加工成本增加，由此可见通过复杂曲面铣削过程稳定性分析来指导选取加工参数以避免自激振动（颤振）发生的从而提高生产效率是十分必要的。

  

发明内容：

本发明的目的是提供一种外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置及预测方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，其组成包括：单点激光扫描装置、立式加工中心，所述的单点激光扫描装置底部一侧具有垂直孔，所述的孔内有激光束穿过，所述的单点激光扫描装置下方安装有轿车外覆盖件模具，所述的单点激光扫描装置按照预设路径通过所述的激光束扫描采集整个待加工件型面各处关键点。

所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，所述的单点激光扫描装置包括激光位移传感器基座，所述的激光位移传感器基座上方具有孔，所述的孔内安装有测头柄，所述的激光位移传感器基座两侧通过旋钮与激光位移传感器连接板连接，所述的激光位移传感器连接板通过连接轴与本体连接，所述的本体上方具有垂直孔。

所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，所述的立式加工中心包括主轴、机床工作台，所述的主轴下方安装有刀柄，所述的刀柄外侧安装有激光测距仪，所述的激光测距仪侧面通过数据输出线与数据输出装置连接，所述的数据输出装置通过数据线与移动工作站连接。

所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，所述的机床工作台上方安装有工件夹具，所述的工件夹具上安装有工件，所述的工件上平面与所述的刀柄轴线垂直。

一种外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置及预测方法，该方法包括如下步骤：首先对模具待加工区域表面进行具体分析，运用激光扫描装置采集模具型面各处关键点，获取关键点联结而成的曲线，并得到曲线的曲率；

其次是针对复杂型面模具铣削加工过程中的切屑厚度进行几何分析并建立数学模型，计算瞬时切屑厚度；

然后构建复杂曲面铣削力预测模型，运用瞬时切屑厚度计算出瞬时切削力，而后建立通过瞬时切削力与铣削加工稳定域两者间的转换模型达到预测稳定域的目的；

最后通过铣削稳定域来分析加工过程中的稳定性，指导修正加工参数，优化刀具进给路径。

有益效果：

1.本发明主要涉及外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测方法及应用，主要针对汽车外覆盖件模具复杂曲面铣削加工进行稳定域预测，通过对复杂曲面铣削稳定域的分析计算，对铣削加工过程中各种复杂形面的铣削颤振稳定域进行了预测以及修正加工参数、优化刀具进给方向。

本发明是通过对汽车外覆盖件模具复杂曲面铣削加工稳定性进行分析，通过采集装置提取出复杂曲面曲率数值，运用瞬时切屑厚度分析模型计算出复杂曲面瞬时铣削力，再通过瞬时铣削力与稳定域之间的转换计算算法，计算出不同曲率形面情况下不同的铣削稳定域，最终指导走刀路径的优化和加工参数的修正，从而使被加工的模具表面质量得到提高。

本发明主要针对汽车外覆盖件模具加工，由于其尺寸较大且表面复杂特征较多，加工难度极大的特点设计的，利用单点激光扫描装置，对未知加工表面进行型面特征进行快速扫描，获取整个加工区域及加工路径的曲率。

本发明通过计算受曲面曲率影响的瞬时切屑厚度来获得瞬时铣削力，最终建立瞬时铣削力和铣削加工稳定域的预测模型，计算出待加工形面任意区域的铣削颤振稳定域，最终通过分析铣削颤振稳定域的具体情况，指导加工参数修正和刀具运动轨迹的规划。

本发明对于汽车覆盖件模具，运用激光扫描装置采集型面特征对模具待加工区域表面进行具体分析，通过运算待加工区域曲率依次联系瞬时切屑厚度，瞬时铣削力，最终运用瞬时铣削与加工稳定域的数学关系，根据上文建立的数学模型和具体算法预测出复杂型面铣削加工的稳定域，从而对切削路径和加工参数进行优化。

附图说明：

附图1是本发明的单点激光扫描装置工作示意图。

附图2是本发明的单点激光扫描装置结构示意图。

附图3是附图2的右视图。

附图4是附图2的俯视图。

附图5是附图2的立体图。

附图6是本发明的切削过程示意图。

附图7是本发明的切屑过程示意图。

附图8是本发明的瞬时切屑厚度示意图。

附图9是本发明的曲率影响因素示意图。

附图10是本发明的刀具系统动力学模型示意图。

附图11是本发明的激光扫描路径示意图。

附图12是本发明的待加工型面三维稳定域预测图。

附图13是本发明的立式加工中心示意图。

附图14是本发明的系统工作示意图。

附图15是本发明的流程图。

具体实施方式：

实施例1：

一种外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，其组成包括: 单点激光扫描装置8、立式加工中心9，所述的单点激光扫描装置底部一侧具有垂直孔，所述的孔内有激光束5穿过，所述的单点激光扫描装置下方安装有轿车外覆盖件模具6，所述的单点激光扫描装置按照预设路径通过所述的激光束扫描采集整个待加工件型面各处关键点。

实施例2：

实施例1所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，所述的单点激光扫描装置包括激光位移传感器基座2，所述的激光位移传感器基座上方具有孔，所述的孔内安装有测头柄1，所述的激光位移传感器基座两侧通过旋钮3与激光位移传感器连接板4连接，所述的激光位移传感器连接板通过连接轴与本体7连接，所述的本体上方具有垂直孔。

实施例3：

实施例1所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，所述的立式加工中心包括主轴11、机床工作台15，所述的主轴下方安装有刀柄12，所述的刀柄外侧安装有激光测距仪13，所述的激光测距仪侧面通过数据输出线与数据输出装置16连接，所述的数据输出装置通过数据线与移动工作站17连接。

实施例4：

实施例1所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，所述的机床工作台上方安装有工件夹具14，所述的工件夹具上安装有工件10，所述的工件上平面与所述的刀柄轴线垂直。

实施例5：

一种利用实施例1-4所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置的预测方法，本方法是首先对模具待加工区域表面进行具体分析，运用激光扫描装置采集模具型面各处关键点，获取关键点联结而成的曲线，并得到曲线的曲率；

其次是针对复杂型面模具铣削加工过程中的切屑厚度进行几何分析并建立数学模型，计算瞬时切屑厚度；

然后构建复杂曲面铣削力预测模型，运用瞬时切屑厚度计算出瞬时切削力，而后建立通过瞬时切削力与铣削加工稳定域两者间的转换模型达到预测稳定域的目的；

最后通过铣削稳定域来分析加工过程中的稳定性，指导修正加工参数，优化刀具进给路径。

实施例6：

实施例1-5所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置的预测步骤如下：

1、模具型面特性分析

在模具坐标系下，运用单点激光扫描装置按照预设路径扫描采集整个待加工型面各处关键点，然后通过NUBRS算法构造曲面沿采集进给方向的曲线，从而得到对应曲线的各部分曲率k。曲率采集装置如图1所示。

复杂型面瞬时切屑厚度分析、计算模型

针对复杂型面建立瞬时切屑厚度模型，计算出待加工表面任意位置处瞬时切屑厚度。切削过程示意如图6、切屑过程示意如图7所示。

如图8所示，设L为刀具轴心位置到瞬态切削基准面间的总长度，现通过测量L值来计算材料的瞬时切削层中的任意位置的切屑厚度h。如图8所示为瞬态切屑厚度计算示意图，用O1代表铣刀第一刀齿开始切入工件时刀具中心位置，用O2代表第二刀齿开始切入工件时刀具中心位置。以O1点为坐标原点建立坐标系，Z轴方向竖直向上，Y轴方向沿刀具进给方向，X轴方向与Y-Z轴构成右手系。则O2点坐标为(0，fz，0)，其中fz为进给量，A点为瞬时切削基准截面与第一刀齿铣削后工件表面边界线的交点，过O ₂ 与A点做垂直于XO1Y的剖面，如图8中阴影面，即瞬态切削基准截面。O为O ₁ 点在所做剖面的投影，其中k为当前采样点所在模具曲面的瞬时曲率。图中切屑断面上BC长度即为瞬时切削厚度，且，R为刀具的半径。图8中e为∠O ₂ O ₁ O，为CO ₂ 与O ₂ 所在向XY平面投影线间的夹角。

如果r为曲率k对应的圆半径，由曲率计算公式可知k=1/r，曲率变化会导致的瞬时切厚轴向发生变化。设模具瞬时曲率对应的圆如图9所示，已知模具瞬时曲率半径为r，刀具半径为R，在图中表示为EG，则可知，，V即是由模具曲率导致切削A点轴向切屑厚度的影响量，则A点坐标如公式1所示。

                     （1）

在三角形△OO ₁ O ₂ 中，采用余弦定理可得：

        （2）

式中，

于是，得

3.复杂曲面铣削加工稳定域建模与预测

（1）复杂曲面瞬时铣削力

复杂曲面瞬时铣削力可以用作用在第j个刀齿第i个切削刃微元上轴向高度为dz的切削力为：

             （3）

式中，、、分别为切向力、径向力和轴向力微元。K _te 、K _re 、K _ae 分别为微元的切向、径向、轴向的犁耕力系数；K _tc 、K _rc 、K _ac 分别为微元的切向、径向、轴向剪切力系数；为切削宽度；为瞬时切屑厚度；为切削刃微元弧长，—每齿进给量；—第j个刀齿上第个切削刃微元处的瞬时径向接触角；—刃线上任意一点至球心连线与刀具轴线之间的夹角。

（2）加工稳定域预测

由于外覆盖件模具相对于刀具刚度较高，并且刀具具有悬臂梁特征等，刀具系统的动态响应分量将在铣削系统动态响应中占有主导地位，此时系统描述为柔性刀具系统。由于刀具悬臂系统的弱刚度方向共面于刀具横截面，建立坐标系坐标系来描述刀具在系统铣削过程中的动力学特性。此时，铣削动力学系统可以近似为刀具沿坐标轴X _t 与Y _t 的二维振动模型。

在刀具坐标系下，柔性刀具系统的动力学模型的空间状态方程可表述为：

                                                 （4）  

式中，v _t =[v _x   v _y ]=[x  x  y  y] ^T 为描述柔性刀具系统振动时的状态变量，分别由刀具在X _t 与Y _t 方向振动的位移分量与速度分量组合而成；P _t 为铣削系统的输出变量[v y z] ^T ，为柔性刀具系统在X _t 、Y _t 与Z _t 方向的振动位移；F _x,y,z 为系统输入变量，代表铣削系统产生的复杂曲面瞬时铣削力，而A，B和C分别为复杂曲面铣削系统的系统矩阵、输入矩阵与输出矩阵，可通过模态测试获得系统质量矩阵（M _x 、M _y ）、阻尼矩阵（C _x 、C _y ）与刚度矩阵（K _x 、K _y ）:

根据状态方程（4），基于全离散法求解复杂型面铣削加工颤振稳定域。从而根据铣削加工颤振稳定域对切削路径和加工参数进行优化，指导模具无颤振加工。

Claims (5)

1.一种外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，其组成包括：单点激光扫描装置、立式加工中心，其特征是：所述的单点激光扫描装置底部一侧具有垂直孔，所述的孔内有激光束穿过，所述的单点激光扫描装置下方安装有轿车外覆盖件模具，所述的单点激光扫描装置按照预设路径通过所述的激光束扫描采集整个待加工件型面各处关键点。

2.根据权利要求1所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，其特征是：所述的单点激光扫描装置包括激光位移传感器基座，所述的激光位移传感器基座上方具有孔，所述的孔内安装有测头柄，所述的激光位移传感器基座两侧通过旋钮与激光位移传感器连接板连接，所述的激光位移传感器连接板通过连接轴与本体连接，所述的本体上方具有垂直孔。

3.根据权利要求1所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，其特征是：所述的立式加工中心包括主轴、机床工作台，所述的主轴下方安装有刀柄，所述的刀柄外侧安装有激光测距仪，所述的激光测距仪侧面通过数据输出线与数据输出装置连接，所述的数据输出装置通过数据线与移动工作站连接。

4.根据权利要求3所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置，其特征是：所述的机床工作台上方安装有工件夹具，所述的工件夹具上安装有工件，所述的工件上平面与所述的刀柄轴线垂直。

5.一种利用权利要求1-4所述的外覆盖件模具复杂曲面铣削稳定域预测装置的预测方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

首先对模具待加工区域表面进行具体分析，运用激光扫描装置采集模具型面各处关键点，获取关键点联结而成的曲线，并得到曲线的曲率；

其次是针对复杂型面模具铣削加工过程中的切屑厚度进行几何分析并建立数学模型，计算瞬时切屑厚度；

然后构建复杂曲面铣削力预测模型，运用瞬时切屑厚度计算出瞬时切削力，而后建立通过瞬时切削力与铣削加工稳定域两者间的转换模型达到预测稳定域的目的；

最后通过铣削稳定域来分析加工过程中的稳定性，指导修正加工参数，优化刀具进给路径。