CN107335847B - 一种切削效能约束刀具姿态的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铣削加工制造领域，并公开了一种切削效能约束刀具姿态的加工方法。该加工方法包括(a)设定刀具加工中参数，分别计算刀具在不同姿态下的最大切削宽度；(b)计算刀具旋转一周的最大切削力和切削材料体积，然后计算切削效能；(c)分别计算刀具在不同姿态下各自对应的切削效能确定最优刀具姿态，并生成相应的加工刀路，待加工工件在最优刀具姿态下按照加工刀路加工待加工工件。通过本发明，弱刚性多轴工艺系统在无需添加辅助硬件设备情况下，实现切削效能约束下的高效率加工，节约经济成本，且该方法适用于球头刀和非球头刀端铣加工，适用范围广。

Description

一种切削效能约束刀具姿态的加工方法

技术领域

本发明属于铣削加工制造领域，更具体地，涉及一种切削效能约束刀具姿态的加工方法。

背景技术

弱刚性铣削加工系统，如机器人铣削系统、整体式螺旋桨叶片等薄壁类零件、深腔模具加工中必须使用的细长型刀具等，在加工过程中由于切削力的作用，加工系统产生的挠曲变形是影响加工精度和效率的关键因素，变形量预测与补偿是改善加工精度问题的有效措施，减小加工过程中工艺系统的变形量是提高加工效率有效方法，减小变形量的方法主要有两种，一种是改善工艺系统的结构并提升其刚度特性，另一种是减小加工过程中的切削力的方法。

通过改善工艺系统结构的方式提升其刚度特性，需要对加工设备进行改进，成本高昂；通过减小加工过程中的切削力减小变形量，只需要改进加工工艺方法，具有很好的经济性；对现有技术的文献检索发现，Lacalle等人发表的《Toolpath selection based onthe minimum deflection cutting forces in the programming of complex surfacesmilling》(刊物《International Journal of Machine Tools&Manufacture》,2007,47(2):388-400)通过最小变形力规划刀路和刀具姿态，用于改善模具型腔加工的成型误差，具体方法是在自由曲面五轴加工中，使用切削力阈值控制刀具变形力选择刀具姿态和切削方向，最小变形力对球头刀的刀具姿态优化取得较好的加工效果，但是不同姿态下圆角刀的切触区域及其在进给方向的投影面积变化巨大，切削力会随着不同姿态的瞬时切削量变化而变化，通过切削力优化得到的圆角刀刀具姿态可能是切削量最小的刀具姿态；Geng L等人发表的《Optimization of cutter posture based on cutting force prediction forfive-axis machining with ball-end cutters》(《The International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology》,2015,78(5):1289-1303)通过识别不同刀具姿态下产生的最小变形切削力，获取球头刀只有球头区域参与切削时的最佳刀具姿态。基于Ozturk等人的研究《Investigation of lead and tilt angle effects in 5-axis ball-end milling processes》(《International Journal of Machine Tools&Manufacture》,2009,49(14):1053-1062)和Budak等人的研究《Improving 5-Axis Milling OperationsUsing Process Models》(《Mm Science Journal》,2012,2012(4):359-365)，非球头刀切削力约束的刀具姿态优化需要在等材料去除率的条件下进行，总之，目前为止，没有一种既适用于球形刀也适用于非球形刀的约束方法优化刀具姿态。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种切削效能约束刀具姿态的加工方法，通过对计算切削效能选取最优刀具姿态，由此解决适用于球形刀和非球形刀的刀具姿态优化的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种切削效能约束刀具姿态的加工方法，其特征在于，该加工方法包括下列步骤：

(a)设定刀具加工中的切削深度a_p、切削残留高度h、初始进给速度f₀,根据所述残留高度h，分别计算不同刀具姿态下各自的最大切削宽度a_e；

(b)一种刀具姿态下切削效能的计算

计算刀具旋转一周的最大切削力F_0max和相应的切削材料体积V_chip，然后按照下列表达式计算切削效能I_SCF，

(c)重复步骤(b)，计算刀具在不同姿态下各自对应的切削效能，以最小切削效能对应的刀具姿态为最优刀具姿态，根据该最优刀具姿态生成相应的加工刀路,刀具在该最优刀具姿态下按照所述加工刀路加工待加工工件，从而完成待加工工件的加工。

进一步优选地，在步骤(c)中，对于刀具加工待加工工件时的进给速度而言，优选按照下列步骤进行进一步的优化：

(1)根据当前进给速度f计算相应的当前最大切削力F_max；

(2)判断该当前最大切削力F_max是否满足下列条件，其中，F_thr为预设阈值，A为预设可接受偏差，F_thr和A均为预设值，根据经验值确定，

F_max-F_thr≤A

若满足所述条件，刀具按照当前进给速度f加工待加工工件；

若不满足所述条件，按照下列表达式调整当前进给速度f：f'为调整后的进给速度，将调整后的进给速度f'作为当前进给速度返回步骤(1)，直至满足所述条件。

进一步优选地，在步骤(a)中，计算最大切削宽度时，刀具在不同姿态下对应不同的刀具扫掠面特征曲线，该特征曲线在工件表面的两个切触点之间的距离即为切削宽度。

进一步优选地，在步骤(b)中，计算刀具旋转一周的最大切削力F_0max时，预测刀具旋转一周的切削力时，首先将刀刃沿刀具轴向离散为若干个刀刃微元，计算该刀刃微元的微元切削力，然后积分得到如下列表达式的切削力预测模型，由此计算得到刀具旋转一周的切削力F，该切削力中的最大值为最大切削力，

其中，n是刀具主轴转速，θ_L是刀具前倾角，和P_k是中间参数，j＝1,2,3...N,j是刀具刀刃的数量，N表示刀刃总数量，K_q是刀刃微元的切削力系数，A是从刀刃微元坐标系到刀具坐标系的变换矩阵，z₁和z₂分别是参与切削的刀刃微元在刀具轴线方向上的最低点坐标和最高点坐标，κ分别是刀刃微元的径向位置角和轴向位置角。

5、如权利要求1-4任一项所述的一种切削效能约束的加工刀具姿态优化方法，其特征在于，在步骤(b)中，计算刀具旋转一周所去除的切削材料体积V_chip按照下列表达式进行，

V_chip＝a_p*a_e*f₀。

进一步优选地，在步骤(a)中，分别计算刀具在不同姿态下各自对应的切削效能，该不同姿态包括顺铣和逆铣各自的不同姿态，在所述加工刀路的生成中，

(I)当进给方式为单向走刀方式时，根据顺铣或逆铣的最优刀具姿态确定加工刀路；

(II)当进给方式是往复式走刀方式时，分别使用顺铣和逆铣各自的最优刀具姿态确定加工刀路。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:

1、本发明通过采用切削效能约束优化刀具姿态的方法，该方法通过计算切削材料体积和最大切削力来计算切削效能，该切削效能反映的是去除单位体积材料的最大切削力，相关刀具姿态优化方法和五轴加工工艺方法，不仅适用于球形刀，同时也适用于非球形刀，限制条件少，适用范围广；

2、本发明通过将进给速度不断调整的方法，使得加工过程中刀具以最优进给速度加工，刀具在该最优进给速度的情况下实现待工件的加工，加工效率高，加工时间短，降低加工成本；

3、本发明通过采用刀具扫略面特征曲线的方法计算切削宽度范围，该方法计算效率高，便于参数化表达的特点；

4、本发明通过采用对切削力建立预测模型得到刀具旋转一周的切削力波形，从而达到最大切削力，该预测方法简单，计算速度快，效率高，缩短计算时间，快速得到所需结果；

5、本发明提供的切削效能约束优化刀具姿态的方法，步骤简单，易于操作，在无需添加辅助硬件设备的情况下得到的刀具姿态最优，加工效果好，经济成本低。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的加工方法流程图；

图2(a)是按照本发明的优选实施例所构建的计算切削宽度的示意图；

图2(b)是按照本发明的优选实施例所构建的残留高度0.08mm不同刀具姿态加工平面时的切削宽度示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的不同刀具姿态顺铣加工的切削效能的图谱；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的不同刀具姿态逆铣加工的切削效能的图谱；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的螺旋桨模型粗加工的应用刀路；

图6(a)是按照本发明的优选实施例所构建的螺旋桨模型加工示意图；

图6(b)是按照本发明的优选实施例所构建的螺旋桨模型三轴加工的切削力示意图；

图6(c)是按照本发明的优选实施例所构建的螺旋桨模型五轴加工的切削力示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实施例为螺旋桨模型的粗加工。工件材料为高锰铝青铜；使用SandvikR216.24-10050EAK22H 1620涂层整体硬质合金铣刀(标称螺旋角50°，直径D＝10mm，圆角半径2mm，4条切削刃)；采用分层加工的方式，每个切削层深度为1.5mm，主轴转速为1500转/min；预设加工过程中切削力峰值的阈值为270N，预设初始进给速度为400mm/min；图1是按照本发明的优选实施例所构建的加工方法流程图，结合图1所示的流程，具体实施步骤如下：

A、根据加工余量和残留高度约束，使用切削效能优化刀具姿态；

(a)设置主轴转速1500转/分钟，待加工深度1.5mm，残留高度0.08mm，给定初始进给速度400mm/分钟；

求取刀具在不同刀具姿态下，残留高度约束对应的最大切削宽度；

螺旋桨粗加工每个切削层均为平面，局部表面曲率为0，基于现有的残留高度和最大切削宽度参数化预测模型，计算相应刀具姿态切削的最大切削宽度，计算切削宽度方法如下：

图2(a)是按照本发明的优选实施例所构建的计算切削宽度的示意图，如图2(a)所示，h加工残留高度，u′₁为前一刀路加工时刀具扫掠面特征曲线在进给方向上的投影，u′₂为当前刀路加工时刀具扫掠面特征曲线在进给方向上的投影，由于在行距方向上刀具姿态相同，因此u′₁与u′₂曲线形状相同。由于工件表面局部区域的曲率很小，工件表面曲线p₁可以直接按照直线处理，C₁与C₂分别为两条特征曲线投影上的切触点，C₁与C₂的距离即为切削宽度，当给定加工残留高度h后，曲线p₁沿其法向偏离h的距离得到曲线p′₁,p′₁与u′₁的两个交点分别为H₁与H₂。由图中几何关系可知，H₁与H₂的距离等于C₁与C₂的距离，即切削宽度，另外，不同的刀具姿态对应不同的刀具扫掠面特征曲线，因此，给定加工残留高度h后，不同的刀具姿态对应不同的切削宽度。图2(b)是按照本发明的优选实施例所构建的残留高度0.08mm不同刀具姿态加工平面时的切削宽度示意图。

(b)切削效能的计算

基于现有的五轴切削力参数化预测模型，预测不同刀具姿态和切削宽度时的切削力波形，该波形中的切削力取最大值得到最大切削力；

预测刀具旋转一周的切削力时，简化未变形切屑厚度，仅考虑平移进刀未变形切屑厚度，提取切削力模型中的前倾角和侧倾角，首先将刀刃沿刀具轴向离散为若干个刀刃微元，计算该刀刃微元的微元切削力，然后积分得到如下列表达式的切削力预测模型，由此计算得到刀具旋转一周的切削力F，该切削力中的最大值为最大切削力，

其中，n是刀具主轴转速，θ_L是刀具前倾角，和P_k是中间参数，j是刀具刀刃的数量，N表示刀刃总数量，K_q是刀刃微元的切削力系数，A是从刀刃微元坐标系到刀具坐标系的变换矩阵，z₁和z₂分别是参与切削的刀刃微元在刀具轴线方向上的最低点坐标和最高点坐标，参与切削的刀刃微元不是指整个刀具上刀刃的最高最低点，κ分别是刀刃微元的径向位置角和轴向位置角，其参数化的五轴切削力模型为：

n是刀具主轴转速，θ_L是刀具前倾角，和P_k是中间参数，j＝1,2,3...N,j是刀具刀刃的数量，N表示刀刃总数量，K_q是刀刃微元的切削力系数，A是从刀刃微元坐标系到刀具坐标系的变换矩阵，z₁和z₂分别是参与切削的刀刃微元在刀具轴线方向上的最低点坐标和最高点坐标，κ分别是刀刃微元的径向位置角和轴向位置角。

根据预设切削深度a_p和所述最大切削宽度a_e计算刀具旋转一周所去除的切削材料体积V_chip，其按照下列表达式进行，

V_chip＝a_p*a_e*f₀；

(c)根据刀具旋转一周切削力的最大值和去除的材料体积，计算相关刀具姿态参数和切削参数的切削效能I_SCF。图3是按照本发明的优选实施例所构建的不同刀具姿态顺铣加工的切削效能的图谱，图4是按照本发明的优选实施例所构建的不同刀具姿态逆铣加工的切削效能的图谱，如图3和4所示顺铣和逆铣的切削效能，切削效能图中的最低点即为最小切削效能，该最小切削效能对应的姿势为最优刀具姿势。

分别获取顺铣和逆铣时切削效能最小的刀具姿态作为最优刀具姿态，如图3和图4所示，顺铣和逆铣加工的切削效能最小的前倾角和侧倾角分别为(5°,-15°)和(5°,15°)，螺旋桨型腔粗加工采用分层加工，往复式走刀方式，相邻刀路的进给方向是相反的，分别使用顺铣(5°,-15°)和逆铣(5°,15°)的加工方式规划相邻刀路的刀具姿态。

切削力阈值约束的进给速度规划

(1)计算进给速度f₀对应的切削力峰值F_0max

(2)计算切削力峰值F_0max与切削力阈值F_thr＝270N的差值，并判断是否小于或者等于允许值±10N；

如果偏差大于允许值，使用式子对进给速度进行调整并重新计算切削力；

如果偏差小于允许值，则输出相应切削力和进给速度f。

按照规划的进给速度执行生成的刀具路径和刀具姿态，实现特定工件的多轴高效率加工。

图5是按照本发明的优选实施例所构建的螺旋桨模型粗加工的应用刀路，图6(a)是按照本发明的优选实施例所构建的螺旋桨模型加工示意图，图6(b)是按照本发明的优选实施例所构建的螺旋桨模型三轴加工的切削力示意图，图6(c)是按照本发明的优选实施例所构建的螺旋桨模型五轴加工的切削力示意图，如图5和6所示，三轴加工和五轴加工使用的切削宽度、切削深度和主轴转速与五轴加工参数相同，分别为：切削深度1.5mm，切削宽度平均2mm，主轴转速1500r/min，从图中可以看出，控制切削力合力小于270N时，由于五轴加工的允许进给速度为540mm/min，大于三轴加工的允许进给速度275mm/min，切削相当体积材料时，五轴加工的时间要小于三轴加工的时间。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种切削效能约束刀具姿态的加工方法，其特征在于，该加工方法包括下列步骤：

(a)设定刀具加工中的切削深度a_p、切削残留高度h、初始进给速度f₀,根据所述残留高度h，分别计算不同刀具姿态下各自的最大切削宽度a_e；

(b)一种刀具姿态下切削效能的计算

计算刀具旋转一周的最大切削力F_0max和相应的切削材料体积V_chip，然后按照下列表达式计算切削效能I_SCF，

(c)重复步骤(b)，计算刀具在不同姿态下各自对应的切削效能，以最小切削效能对应的刀具姿态为最优刀具姿态，根据该最优刀具姿态生成相应的加工刀路,刀具在该最优刀具姿态下按照所述加工刀路加工待加工工件，从而完成待加工工件的加工。

2.如权利要求1所述的一种切削效能约束刀具姿态的加工方法，其特征在于，在步骤(c)中，对于刀具加工待加工工件时的进给速度而言，按照下列步骤进行进一步的优化：

(1)根据当前进给速度f计算相应的当前最大切削力F_max；

(2)判断该当前最大切削力F_max是否满足下列条件，其中，F_thr为预设阈值，A为预设可接受偏差，F_thr和A均为预设值，根据经验值确定，

F_max-F_thr≤A

若满足所述条件，刀具按照当前进给速度f加工待加工工件；

若不满足所述条件，按照下列表达式调整当前进给速度f：f'为调整后的进给速度，将调整后的进给速度f'作为当前进给速度返回步骤(1)，直至满足所述条件。

3.如权利要求1或2所述的一种切削效能约束刀具姿态的加工方法，其特征在于，在步骤(a)中，计算最大切削宽度时，刀具在不同姿态下对应不同的刀具扫掠面特征曲线，该特征曲线在工件表面的两个切触点之间的距离即为切削宽度。

4.如权利要求1所述的一种切削效能约束刀具姿态的加工方法，其特征在于，在步骤(b)中，计算刀具旋转一周的最大切削力F_0max时，预测刀具旋转一周的切削力时，首先将刀刃沿刀具轴向离散为若干个刀刃微元，计算该刀刃微元的微元切削力，然后积分得到如下列表达式的切削力预测模型，由此计算得到刀具旋转一周的切削力F，该切削力中的最大值为最大切削力，

其中，n是刀具主轴转速，θ_L是刀具前倾角，和P_k是中间参数，j＝1,2,3...N,j是刀具刀刃的数量，N表示刀刃总数量，K_q是刀刃微元的切削力系数，A是从刀刃微元坐标系到刀具坐标系的变换矩阵，z₁和z₂分别是参与切削的刀刃微元在刀具轴线方向上的最低点坐标和最高点坐标，κ分别是刀刃微元的径向位置角和轴向位置角。

5.如权利要求1所述的一种切削效能约束刀具姿态的加工方法，其特征在于，在步骤(b)中，计算刀具旋转一周所去除的切削材料体积V_chip按照下列表达式进行，

V_chip＝a_p*a_e*f₀。

6.如权利要求1所述的一种切削效能约束刀具姿态的加工方法，其特征在于，在步骤(a)中，分别计算刀具在不同姿态下各自对应的切削效能，该不同姿态包括顺铣和逆铣各自的不同姿态，在所述加工刀路的生成中，

(I)当进给方式为单向走刀方式时，根据顺铣或逆铣的最优刀具姿态确定加工刀路；

(II)当进给方式是往复式走刀方式时，分别使用顺铣和逆铣各自的最优刀具姿态确定加工刀路。