CN106650012B - 一种平头立铣刀五轴加工的刀刃接触判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平头立铣刀五轴加工刀刃接触判据，属于铣削加工技术领域。针对平头立铣刀斜平面五轴加工，判断刀刃上任一点是否参与切削，需要同时满足以下两个条件：该点位于前一条刀具轨迹扫略面形成的椭圆柱空间之外，该点位于加工表面之下。本发明通过数学解析模型判断刀刃点是否参与切削，具有判断依据简单，运行效率高，结果精度高的特点。基于微分离散思想，该方法可以拓展到曲面的五轴数控加工，在平头立铣刀切削动力学领域具有广阔应用前景。

Description

一种平头立铣刀五轴加工的刀刃接触判别方法

技术领域

本发明属于铣削加工技术领域，涉及到刀具与工件之间接触条件分析，特别涉及到一种平头立铣刀五轴加工的刀刃接触判别方法。

背景技术

随着高端数控机床，尤其是五轴数控加工中心的发展应用，以及复杂曲面加工方法的不断创新，实际生产中为提高加工效率，采用平头立铣刀五轴宽行加工复杂曲面已经成为发展趋势。复杂曲面平头立铣刀五轴加工过程中工件局部几何、刀具进给方向、刀轴矢量等通常都沿着曲线刀具轨迹不断变化，致使加工过程中刀具接触界面沿着刀具轨迹不断变化，刀刃接触区间也随之而改变。刀刃接触区间反映了加工过程中任意时刻刀刃实际参与切削的情况，界定了未变形切屑厚度模型的有效范围，是铣削力预报研究的重要参数。

平头立铣刀三轴立铣平面加工，其展开后的刀具接触界面几何形状为矩形，可以利用简单的窗口函数来确定刀刃接触区间。而五轴加工刀具接触界面的几何形状非常复杂，确定该条件下的刀刃接触区间，不能再利用简单的窗口函数来解决。

文献1“倪其民，李从心，阮雪榆.基于实体造型的球头铣刀三维铣削力仿真[j].上海交通大学学报、2001(02):347_352.”文献中倪其民等人基于UGII二次开发，对工件、刀具、切削刃、切屑实体进行描述、运算和显示。通过查询组成被切除材料实体模型的各个表面，然后，用表示刀具切削刃的NURBS曲线和这些曲面分别求交，可以得到和被切除材料实体的边界曲面重合的NURBS曲线片段，这些曲线段就是该时刻参与切削的切削刃片段。

文献2“Wei Z.C.,Wang M.J.,Cai Y.J.,Wang S.F.,Prediction of cuttingforce in ball-end milling of sculptured surface using improved Z-map[J].Theinternational journal of Advanced Manufacturing Technology,2013,68(5-8):1167-1177.”文献中魏兆成等人以二维方形逻辑数组来表示曲面铣削加工过程中刀具接触界面，在该二维数组中处于刀具与工件接触区域内的元素用“1”来表示，接触区域之外的元素用“0”来表示。提取切削刃微元所对应的数组元素值，来判断切削刃微元是否处于切削状态。

到目前为止，求解曲面多轴加工刀刃接触区间的问题，主要采用基于实体模型的布尔运算方法和基于离散仿真的Z-Map方法。但是，Z-map法无法应用于平头立铣刀五轴加工，而实体模型法计算量大，效率低，无法适应大尺寸曲面零件的加工建模，从而制约了其在实际曲面零件数控加工中的应用。

2013年，大连理工大学魏兆成等人基于解析建模法，通过判断球头铣刀刀刃采样点是否满足：位于上一条刀具轨迹扫略形成的圆柱面空间之外，位于过刀具中心垂直于进给方向的平面的进给方向侧，位于工件上表面之下，提出了球头铣刀平面加工刀刃接触区间的判别依据。但是，对于平头立铣刀五轴加工，刀轴与工件不垂直，两者的加工方式不同，刀具几何形状不同，上述所提出的解析建模方法和判别条件都不再适用。

最近，魏兆成等人基于解析建模法，又提出了平头立铣刀五轴加工刀刃接触区间判别方法，该方法首先要准确确定平头立铣刀五轴加工刀具接触区域解析模型，再依据刀刃采样点是否位于刀具接触区域内的条件，最终判断该刀刃点是否参与切削。而在切削力预报过程中只需界定刀刃接触区间，无需确定刀具接触区域。平头立铣刀五轴加工的刀具接触区域是由三条曲线构成的复杂空间曲面，求解过程繁琐，计算效率低。

发明内容

本发明的目的，针对现有技术所存在的不足，提出了一种平头立铣刀斜平面五轴加工的刀刃接触判别方法，克服现有方法在求解效率方面的不足。基于微分离散思想，该发明也可适用于一般曲面的五轴加工。

本发明的技术方案：针对平头立铣刀斜平面五轴加工，判断刀刃上一点是否与参与切削，需要同时满足以下两个条件。该点位于前一条刀具轨迹扫略面形成的椭圆柱空间之外，该点位于工件的加工表面之下。详细步骤如下：

(1)建立坐标系：如附图2所示，刀具坐标系O-XYZ以刀具端面中心点为原点，沿刀轴背离刀具端面方向为Z轴，刀轴矢量与平面法向的叉乘方向定义为X轴，Y轴按右手系自动获得；定义刀轴矢量与平面法向的夹角为斜面倾斜角ε；

(2)判断刀刃点是否与参与切削：如附图1所示，M为前一条刀具轨迹形成的椭圆柱面，W为工件加工表面，s为轨迹间距，d_n为刀具法向切削深度，R为刀具半径。判断刀刃上P(x₀,y₀,z₀)点是否与参与切削，需同时满足以下两个条件：

1)该点位于M椭圆柱面界定的空间之外，表达式为：

式中，正号表示顺铣，负号表示逆铣。

2)该点位于加工表面W的下侧，表达为：

对刀刃上若干采样点逐一判断，即可确定刀刃的接触区间。

基于微分的思想，将曲面五轴加工看成是一系列微小斜平面五轴加工的组合，针对各微小斜平面五轴加工应用上述刀刃接触判别方法，即可将该方法拓展应用到曲面加工领域。

本发明的有益效果：本发明提出的平头立铣刀斜平面五轴加工的刀刃接触判据与现有方法相比，具有更简单的判断条件，在一般曲面的五轴数控加工应用中具有更高的运行效率。

附图说明

图1平头立铣刀斜平面五轴加工刀刃接触判据示意图。

图2平头立铣刀斜平面五轴加工刀刃接触区间仿真结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例的条件设置为：平头立铣刀斜平面五轴加工，顺铣，刀具直径8mm，刀齿数为3，刀具螺旋角30°，刀具轨迹行距2mm，刀具法向切深1mm，斜面倾斜角25°。具体实施步骤如下：

(1)建立坐标系：

刀具坐标系O-XYZ以刀具端面中心点为原点，沿刀轴背离刀具端面方向为Z轴，刀轴矢量与平面法向的叉乘方向定义为X轴，Y轴按右手系自动获得。

定义刀轴矢量与平面法向的夹角为斜面倾斜角ε；

(2)判断刀刃点是否参与切削：

如附图1所示，M为前一条刀具轨迹形成的椭圆柱面，W为工件加工表面，s为轨迹间距，d_n为刀具法向切削深度，R为刀具半径。判断刀刃上P(x₀,y₀,z₀)点是否与参与切削，需同时满足以下两个条件：

1)该点位于M椭圆柱面界定的空间之外，表达式为：

式中，正号表示顺铣，负号表示逆铣。

2)该点位于加工表面W的下侧，表达为：

若同时满足上述两个条件，则刀刃采样点P参与切削。对刀刃上若干采样点逐一判断，确定刀刃的接触区间，结果如附图2所示。

Claims (1)

1.一种平头立铣刀五轴加工的刀刃接触判别方法，其特征在于，

该点位于前一条刀具轨迹扫略面形成的椭圆柱空间之外，该点位于工件的加工表面之下，步骤如下：

(1)建立坐标系：刀具坐标系O-XYZ以刀具端面中心点为原点，沿刀轴背离刀具端面方向为Z轴，刀轴矢量与平面法向的叉乘方向定义为X轴，Y轴按右手系自动获得；定义刀轴矢量与平面法向的夹角为斜面倾斜角ε；

(2)判断刀刃点是否与参与切削：M为前一条刀具轨迹形成的椭圆柱面，W为工件加工表面，s为轨迹间距，d_n为刀具法向切削深度，R为刀具半径；判断刀刃上P(x₀,y₀,z₀)点是否与参与切削，同时满足以下两个条件：

1)该点位于M椭圆柱面界定的空间之外，表达式为：

式中，正号表示顺铣，负号表示逆铣；

2)该点位于加工表面W的下侧，表达为：

对刀刃上若干采样点逐一判断，即可确定刀刃的接触区间。