CN107831730B - 一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法 - Google Patents

一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法 Download PDF

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CN107831730B CN201711049646.9A CN201711049646A CN107831730B CN 107831730 B CN107831730 B CN 107831730B CN 201711049646 A CN201711049646 A CN 201711049646A CN 107831730 B CN107831730 B CN 107831730B
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Abstract

本发明公开了一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法，具体包括步骤一：输入刀轨和工件信息，获取内拐角参数；步骤二：优化内拐角最内层切削层；步骤三：优化剩余切削层；步骤四：计算另一侧切削层轮廓半径；步骤五：确定所有切削刀轨的的位置和起终点；步骤六：加入非切削移动刀轨，生成完整的局部循环；步骤七：结合原始刀轨，输出优化后的刀轨；本发明采用局部循环分层切削的加工方式，使得切削力热均衡化，减小了载荷冲击；本发明优化刀轨由圆弧与直线组成，切入切出平滑过渡，有效减小振动，提高加工表面质量；本发明通过约束最大切宽，避免了力热载荷过大。

Description

一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化 方法
技术领域
本发明涉及一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法，属于数控加工技术领域。
背景技术
在飞机壁板、梁、框以及模具型腔加工中，广泛存在拐角特征的加工。在内拐角的加工过程中，由于切入切出角的变化，使得拐角处的实际切削宽度大于直边的设计切宽。拐角处刀轨突变，切屑厚度与径向切深增大，造成切削力的突然增大，振动加剧，对刀具造成冲击，易产生崩刃断刀现象，加工质量降低，零件精度不能满足要求。为避免切削用量增加，切削力增大所产生的影响，需要对拐角处实际切削力进行仿真并进行刀轨优化。
拐角加工中，切削力直接影响刀具磨损和已加工表面质量，也是引发振动和颤振的重要原因，基于切削力仿真可以在数控加工之前对刀轨、切削参数进行优化。Xiong Han在学术期刊《International Journal of Machine Tools&Manufacture》发表论文“Precise prediction of forces in milling circular corners”研究了拐角加工中，瞬时切屑厚度变化，并基于单位切削力系数的力学模型，进行切削力仿真计算。但是，该方法需要数值迭代求解，而且并没有基于切削力仿真对切削用量进行约束优化。Shaochun Sui在学术期刊《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》发表论文“Tool path generation and optimization method for pocket flank milling ofaircraft structural parts based on the constraints of cutting force anddynamic characteristics of machine tools”提出了一种变螺旋曲线的型腔加工刀规优化方法，该方法考虑了切削力与机床动态特性的约束，但需在拐角处单独循环走刀。
因此，针对型腔内拐角数控铣削加工，需要对内拐角切削力进行仿真预适应，对刀轨形状进行优化，提出一种新的内拐角连续刀轨生成方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法，对于拐角处的切削过程，本方法基于瞬时切削力模型，仿真拐角加工过程中的最大瞬时切削力，在拐角加工中，最大瞬时切削力随刀轨实际切削宽度的变化而变化。故利用拐角切削过程中的最大实际切宽来评价拐角加工过程中切削力的变化程度，并以最大实际切宽小于等于名义切宽为优化目标，来分层优化拐角处的局部刀轨，使得加工过程中切削力变化均匀，避免切削力的过度变大以及由切宽变大引起的颤振现象。
一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法，具体的优化步骤如下：
步骤一：输入刀轨和工件信息，获取内拐角参数；
步骤二：优化内拐角最内层切削层；
步骤三：优化剩余切削层；
步骤四：计算另一侧切削层轮廓半径；
步骤五：确定所有切削刀轨的的位置和起终点；
步骤六：加入非切削移动刀轨，生成完整的局部循环；
步骤七：结合原始刀轨，输出优化后的刀轨；
本发明的优点在于：
(1)采用局部循环分层切削的加工方式，使得切削力热均衡化，减小了载荷冲击；
(2)优化刀轨由圆弧与直线组成，切入切出平滑过渡，有效减小振动，提高加工表面质量；
(3)通过约束最大切宽，避免了力热载荷过大；
附图说明
图1是本发明的一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法流程图。
图2是内拐角特征加工示意图；
图3是本发明的内拐角刀轨最后一层加工示意图。
图4是本发明的内拐角刀轨剩余切削层加工示意图。
图5是本发明的内拐角切削层圆弧半径计算示意图。
图6是本发明的内拐角刀轨位置点计算示意图。
图2、3、4、5、6中R0为加工前拐角圆弧半径，Rc为加工后拐角圆弧半径，R为刀具半径，拐角夹角为2θ，B点、D点为拐角直线圆弧相接点，ae为名义切宽，aem为最大实际切宽。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法，流程如图1所示，具体的优化步骤如下：
步骤一：输入刀轨和工件信息，获取内拐角参数；
假设切削过程中切深和进给速度保持不变，根据刀轨和工件信息得到拐角参数，如图2所示，拐角夹角为2θ，加工前圆弧半径R0，拐角圆弧半径Rc，刀具半径R，刀轨名义切宽ae，L为切入刀轨直线长度，即直线AB的长度。切宽分层阈值λ,λ≥1，Rc＞R。
以轮廓圆弧圆心为原点、以拐角角平分线为Y轴作直角坐标系，则拐角部分起点为：
Figure BDA0001452927060000031
拐角部分终点为：
Figure BDA0001452927060000032
刀轨圆弧部分为：圆心起点
Figure BDA0001452927060000034
终点的圆弧。
通过以上计算，可得到内拐角加工，输入数控系统的G代码如下：
Figure BDA0001452927060000036
Figure BDA0001452927060000037
Figure BDA0001452927060000038
步骤二：优化内拐角最内层切削层；
按照实际的刀轨和加工前轮廓进行切削时，刀尖在对角线上时实际切宽达到最大，实际最大切宽aem为：
Figure BDA00014529270600000310
若aem＞λae，则需要对刀轨进行优化。为保证分层切削后最后一层切削时最大切削力与DE,D′E′保持一致，故采用如附图3所示的分层方法，首先将切削层分为两层，即最后切削层与第一个剩余切削层。最后切削层切削前左侧轮廓与D′E′相切，右侧轮廓与AB相切，且左右轮廓圆弧圆心同在Y轴，两圆弧相切于Y轴上一点。其中拐角夹角为2θ，加工前圆弧半径R0，拐角圆弧半径Rc，刀具半径R，刀轨名义切宽ae。同时，约束最大切宽aem等于名义切宽ae。根据拐角半径Rc确定最后一层切削前D′E′侧轮廓半径Rc′，解下面关于Rc′的一元二次方程组：
Figure BDA0001452927060000041
一元二次方程的判别式为：
Figure BDA0001452927060000042
方程解为
Figure BDA0001452927060000043
若aem≤λae，则不需要优化，转步骤五。
步骤三：优化剩余切削层；
步骤二优化之后剩余的切削部分采用由外而内的分层方式，以保证第1层切削层与进入拐角前部分的铣削力变化均匀。如附图4所示。
第i个剩余切削层在D′E′侧由Ri-1,Rc′组成月牙形切削层(i＝1,2,···)，假设计算第i层剩余切削层最大实际切宽aei，由下式计算当前剩余切削层实际最大切宽
Figure BDA0001452927060000044
当aei＞λae时，新增第i个切削层，构造外侧轮廓半径为Ri-1，内轮廓半径为Ri的月牙形切削层，根据当前层外侧轮廓半径Ri-1和切宽ae求得内轮廓圆弧半径Ri，关于Ri的一元二次方程组如下：
Figure BDA0001452927060000045
解一元二次方程组可得当前层内轮廓圆弧半径Ri，更新剩余切削层最大切宽aei直至aei≤λae，不再新增切削层，此时共新增切削层m个。
最终结合步骤二的Rc′轮廓，步骤二、三共新增了m+1个切削层，最终给出新增的切削层轮廓半径R1,R2,…,Rn，其中Rn＝Rc′,n＝m+1。
步骤四：计算另一侧切削层轮廓半径；
n+1个新增的半径为R1,…,Rn圆弧为与D′E′相切的圆弧半径，还需要求出与对应的与AB相切的圆弧半径。如附图5所示
设第k层切削层D′E′侧圆弧半径为Rk,(k＝1,2,…,n)，AB侧圆弧半径为Rk0，且Rk0圆弧AB边和Rk圆弧同时相切，可得
Figure BDA0001452927060000051
由此可得AB侧圆弧半径R10,…,Rn0。
步骤五：确定所有切削刀轨的的位置和起终点；
如附图6所示，对于第k层切削刀轨，由D′E′侧切削圆弧半径Rk，AB侧切削圆弧半径Rk0以及刀具半径R可得：
AB侧刀轨圆弧圆心为
Figure BDA0001452927060000052
起点为
Figure BDA0001452927060000053
终点为
Figure BDA0001452927060000054
D′E′侧切削刀轨圆弧圆心为
Figure BDA0001452927060000055
起点为
Figure BDA0001452927060000056
终点为
Figure BDA0001452927060000057
将R1,…,Rn代入可得新增的各切削层的切削刀轨。
步骤六：加入非切削移动刀轨，生成完整的局部循环；
对于第1层切削层，构造与AB、D′E′同时相切且与AB切于AB侧圆弧起点
Figure BDA0001452927060000058
的圆弧，作为第1层切削后的非切削移动刀轨，可以得到：改移动刀轨的圆心为
Figure BDA0001452927060000059
起点
Figure BDA00014529270600000510
终点
Figure BDA00014529270600000511
的圆弧。
第k层切削刀轨均比第1层靠内，故非切削移动的圆弧采用与第1层相同的轨迹进行，其余部分以直线移动；然后与各切削层切削部分起终点相连接。
步骤七：结合原始刀轨，输出如下优化后的刀轨：
输入数控系统的G代码如下：
Figure BDA0001452927060000061
实施例：
如图所示，对于拐角特征为半径为29mm的内拐角，拐角角度为45°，加工前为圆弧轮廓，半径为30mm，刀轨切宽为5mm，刀具直径为D20的立铣刀，直线刀轨长20的刀轨实例，根据上述算法进行切削力均衡刀轨优化。
步骤一：输入刀轨和工件信息，获取内拐角参数：
根据刀轨和工件信息得到拐角夹角为2θ＝45°，加工前圆弧半径R0＝30，拐角圆弧半径Rc＝29，刀具半径R＝10，刀轨名义切宽ae＝5，直线刀轨部分长度L＝20，λ＝1。
以外轮廓圆弧(加工后轮廓圆弧)圆心为原点、拐角角平分线为Y轴作直角坐标系，则拐角起点终点为
Figure BDA0001452927060000063
刀轨圆弧部分为圆心
Figure BDA0001452927060000064
起点
Figure BDA0001452927060000065
终点
Figure BDA0001452927060000071
的圆弧。
原刀轨信息如下：
G01X25.207Y-11.207F1000
G01X17.554Y7.710
G03X-17.554Y7.710I-17.554J-7.710
G01X-25.207Y-11.207
步骤二：优化内拐角最内层切削层：
按照实际的刀轨和加工前轮廓进行切削时，刀具在对角线上时实际切宽达到最大，实际最大切宽aem
Figure BDA0001452927060000072
由于aem＞ae，则需要对刀轨进行优化。为保证分层切削后最后一层切削时最大切削力与DE,D′E′保持一致，故采用如附图2所示的分层方法，最后一层切削前轮廓与D′E′相切，根据拐角半径Rc、ae确定最后一层切削前D′E′侧轮廓半径Rc′，解下面关于Rc′的一元二次方程组
Figure BDA0001452927060000073
解方程组(6)得Rc′＝23.06
步骤三：优化剩余切削层：
剩余的切削部分采用由外而内的分层方式，以保证第1层切削层与进入拐角前部分的铣削力变化均匀。
1.第1层剩余切削层
第1个剩余切削层在D′E′侧由R0,Rc′组成月牙形切削层，计算第1层剩余切削层最大实际切宽ae1
Figure BDA0001452927060000074
新增第1个切削层，构造外侧轮廓半径为R0，内轮廓半径为R1的月牙形切削层，有关于R1的一元二次方程组如下
解一元二次方程组(7)得R1＝27.88
2.第2层剩余切削层
第2个剩余切削层在D′E′侧由R1,Rc′组成月牙形切削层，计算第2层剩余切削层最大实际切宽ae2
Figure BDA0001452927060000082
新增第2个切削层，构造外侧轮廓半径为R1，内轮廓半径为R2的月牙形切削层，有关于R2的一元二次方程组如下
Figure BDA0001452927060000083
解一元二次方程组(8)得R2＝25.85
3.第3层剩余切削层
第3个剩余切削层在D′E′侧由R2,Rc′组成月牙形切削层，计算第3层剩余切削层最大实际切宽ae3
新增第3个切削层，构造外侧轮廓半径为R2，内轮廓半径为R3的月牙形切削层，有关于R3的一元二次方程组如下
Figure BDA0001452927060000091
解一元二次方程组(9)得R3＝23.92
4.第4层剩余切削层
第4个剩余切削层在D′E′侧由R3,Rc′组成月牙形切削层，计算第4层剩余切削层最大实际切宽ae4
Figure BDA0001452927060000092
故对剩余切削层的分层完成，共新增了m＝3层，结合Rc′，步骤2、3共新增了n＝4个切削层，新增的切削层轮廓半径如下
R1＝27.88
R2＝25.85
R3＝23.92
R4＝23.06
步骤四：计算另一侧切削层轮廓半径：
4个新增的半径为R1,…,R4圆弧为与D′E′相切的圆弧半径，还需要求出与对应的与AB相切的圆弧半径。
第1层切削层AB侧圆弧半径
Figure BDA0001452927060000093
第2层切削层AB侧圆弧半径
Figure BDA0001452927060000094
第3层切削层AB侧圆弧半径
Figure BDA0001452927060000095
第4层切削层AB侧圆弧半径
Figure BDA0001452927060000101
步骤五：确定所有切削刀轨的的位置和起终点：
对于第k层切削刀轨，由D′E′侧切削圆弧半径Rk，AB侧切削圆弧半径Rk0以及刀具半径R可得AB侧刀轨圆弧圆心为
Figure BDA0001452927060000102
起点为
Figure BDA0001452927060000103
终点为
Figure BDA0001452927060000104
D′E′侧切削刀轨圆弧圆心为
起点为
Figure BDA0001452927060000106
终点为
Figure BDA0001452927060000107
将R1,…,Rn代入可得新增的各切削层的切削刀轨。
步骤六：加入非切削移动刀轨，生成完整的局部循环：
对于第1层切削层，构造与AB、D′E′同时相切且与AB切于AB侧圆弧起点
Figure BDA0001452927060000108
的圆弧，作为第1层切削后的非切削移动刀轨，可以得到改移动刀轨的圆心为
Figure BDA0001452927060000109
起点
Figure BDA00014529270600001010
终点
Figure BDA00014529270600001011
的圆弧。
第k层切削刀轨均比第1层靠内，故非切削移动的圆弧采用与第1层相同的轨迹进行，其余部分以直线移动；然后与各切削层切削部分起终点相连接。
步骤七：结合原始刀轨，输出如下优化后的刀轨：
输入数控系统的G代码如下
Figure BDA0001452927060000111

Claims (4)

1.一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法，具体的优化步骤如下：
步骤一：输入刀轨和工件信息，获取内拐角参数；
具体为：
假设切削过程中切深和进给速度保持不变，根据刀轨和工件信息得到拐角参数，设拐角夹角为2θ，加工前圆弧半径R0，拐角圆弧半径Rc，刀具半径R，刀轨名义切宽ae，L为切入刀轨直线长度；切宽分层阈值λ,λ≥1，Rc＞R；
以外轮廓圆弧圆心为原点、以拐角角平分线为Y轴作直角坐标系，则拐角部分起点为：
Figure FDA0002196186370000011
拐角部分终点为：
刀轨圆弧部分为：圆心
Figure FDA0002196186370000013
起点
Figure FDA0002196186370000014
终点
Figure FDA0002196186370000015
的圆弧；
步骤二：优化内拐角最内层切削层；
具体为：
按照实际的刀轨和加工前轮廓进行切削时，刀具在对角线上时实际切宽达到最大，实际最大切宽aem为：
Figure FDA0002196186370000016
若aem＞λae，对刀轨进行优化，首先将切削层分为两层，即最后切削层与第一个剩余切削层；最后切削层切削前左侧轮廓与退刀侧内轮廓直线段相切，右侧轮廓与优化前原切削层退刀侧外轮廓直线段相切，且左右轮廓圆弧圆心同在Y轴，两圆弧相切于Y轴上一点；其中拐角夹角为2θ，加工前圆弧半径R0，拐角圆弧半径Rc，刀具半径R，刀轨名义切宽ae；同时，约束最大切宽aem等于名义切宽ae；根据拐角半径Rc确定最后一层切削前D′E′侧轮廓半径R′c，解下面关于R′c的一元二次方程组：
Figure FDA0002196186370000021
一元二次方程的判别式为：
Figure FDA0002196186370000022
方程解为
Figure FDA0002196186370000023
若aem≤λae，则不需要优化，转步骤五；
步骤三：优化剩余切削层；
具体为：
步骤二优化之后剩余的切削部分采用由外而内的分层方式；
第i个剩余切削层在D′E′侧由Ri-1,R′c组成月牙形切削层，假设计算第i层剩余切削层最大实际切宽aei，由下式计算当前剩余切削层实际最大切宽
Figure FDA0002196186370000024
当aei＞λae时，新增第i个切削层，构造外侧轮廓半径为Ri-1，内轮廓半径为Ri的月牙形切削层，根据当前层外侧轮廓半径Ri-1和切宽ae求得内轮廓圆弧半径Ri，关于Ri的一元二次方程组如下：
Figure FDA0002196186370000025
解一元二次方程组可得当前层内轮廓圆弧半径Ri，更新剩余切削层最大切宽aei直至aei≤λae，不再新增切削层，此时共新增切削层m个；
最终结合步骤二的R′c轮廓，步骤二、三共新增了m+1个切削层，最终给出新增的切削层轮廓半径R1,R2,…,Rn，其中Rn＝R′c,n＝m+1；
步骤四：计算另一侧切削层轮廓半径；
步骤五：确定所有切削刀轨的的位置和起终点；
步骤六：加入非切削移动刀轨，生成完整的局部循环；
步骤七：结合原始刀轨，输出优化后的刀轨。
2.根据权利要求1所述的一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法，所述的步骤四具体为：
n+1个新增的半径为R1,…,Rn圆弧为与D′E′相切的圆弧半径，还需要求出对应的与AB相切的圆弧半径；
设第k层切削层D′E′侧圆弧半径为Rk,k＝1,2,…,n，AB侧圆弧半径为Rk0，且Rk0圆弧AB边和Rk圆弧同时相切，可得
Figure FDA0002196186370000031
由此可得AB侧圆弧半径R10,…,Rn0。
3.根据权利要求1所述的一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法，所述的步骤五具体为：
对于第k层切削刀轨，由D′E′侧切削圆弧半径Rk，AB侧切削圆弧半径Rk0以及刀具半径R可得：
AB侧刀轨圆弧圆心为
Figure FDA0002196186370000032
起点为
Figure FDA0002196186370000033
终点为
Figure FDA0002196186370000034
D′E′侧切削刀轨圆弧圆心为
起点为
Figure FDA0002196186370000036
终点为
将R1,…,Rn代入可得新增的各切削层的切削刀轨。
4.根据权利要求1所述的一种切削力仿真预适应的型腔内拐角数控铣削加工刀轨优化方法，所述的步骤六具体为：
对于第1层切削层，构造与AB、D′E′同时相切且与AB切于AB侧圆弧起点
Figure FDA0002196186370000041
的圆弧，作为第1层切削后的非切削移动刀轨，得到改移动刀轨的圆心为
Figure FDA0002196186370000042
起点终点
Figure FDA0002196186370000044
的圆弧；
第k层切削刀轨均比第1层靠内，故非切削移动的圆弧采用与第1层相同的轨迹进行，其余部分以直线移动，然后与各切削层切削部分起终点相连接。
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