CN109725593B - 一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种难加工材料三轴转角特征高效加工方法，该方法针对难加工材料转角加工中切削力大，易导致刀具崩刃、弹刀、拉刀等事故的问题，通过控制转角加工时的刀具等效切宽，实现转角加工的切削力优化。首先依据轴向切深求解转角加工驱动几何；根据加工刀具及机床确定刀具最大等效切宽，采用循环铣策略生成转角加工刀轨。本发明提出的难加工材料转角加工刀轨可适用于各种三轴类型转角加工，可有效减少转角加工中的切削力及零件因转角加工问题导致的质量事故。

Description

一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法

技术领域

本发明涉及一种零件的数控加工方法，尤其是一种转角特征的高效数控加工方法，具体地说是一种针对难加工材料的零件三轴转角特征高效加工刀轨生成方法。

背景技术

在机械加工中，需要对一些结构件进行槽的加工。转角是槽特征的重要组成部分。钛合金等难加工材料的转角特征在加工中存在切削余量及切削力大、刀具振动明显等加工问题。由于切削力大，难加工材料转角加工时，会加剧刀具磨损，同时易引发刀具崩刃、弹刀、拉刀等问题，并最终引发产品质量事故。

为减少难加工材料转角加工时的刀具磨损，避免产生产品质量事故，目前的做法通常是采用保守的切削参数或插铣方式进行加工。采用保守的切削参数加工时会严重影响零件加工效率。采用插铣方式加工时，编程难度大，且需要多把插铣刀进行加工，并未解决转角加工效率低的问题。

针对难加工材料转角加工问题，查阅现有技术与文献发现，专利(专利号CN201310001740)公布了一种槽特征内型转角一体化精加工方法，该方法依据恒定接触角和最大接触角相结合的原则限制转角加工过程中的刀具接触角，保证了转角加工过程切削力的稳定。

专利(专利号CN201510708801.8)公布了一种槽特征侧铣加工刀轨生成方法，该方法综合考虑了切削力和机床动力学特性双重约束，通过限制转角加工中的刀具接触角，实现对切削力的约束。此外通过对刀轨曲率的优化，使加工刀轨符合机床动力学特性，达到优化转角加工的目的。

上述方法针对转角加工切削力大的问题都提出了相应的解决策略。针对难加工材料三轴转角特征，本发明提出了一种改进的高效加工刀轨。

发明内容

本发明的目的是针对难加工材料转角加工中存在切削力大、易引起刀具崩刃、弹刀、拉刀等事故，而采用传统加工方法加工效率低的问题，提出一种针对难加工材料三轴转角特征的高效加工刀轨生成方法，可有效减少转角加工中的切削力，避免弹刀、拉刀导致的零件产品质量事故。

本发明的技术方案是：

一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法，其特征在于，刀轨在转角处依据切深及切宽在刀具轴向和径向进行分层加工，转角径向层刀轨为多层刀轨组成。

所述的转角径向分层包含转角加工时的等效切宽约束。等效切宽依据选择的刀具及加工材料确定；

所述的转角径向层的等效切宽约束为采用多次圆弧刀轨去除转角余量。达到控制转角加工时等效切宽的目的。

所述的转角轴向的分层依据设定的切深进行分层，在轴向每层构建平面与转角面及转角侧面相交求解每层轴向加工刀轨的驱动几何。

所述的转角径向层加工刀轨计算方法如下：依据计算的转角等效切宽及当前转角半径计算当前转角上一径向加工层的余量圆弧，直至计算得到的余量圆弧半径大于或等于转角粗加工余量半径；第一次计算时，当前转角半径即为转角理论半径；后续计算时，依次将上次计算得到的余量圆弧半径设为当前转角半径；将径向每层计算得到的余量圆弧向转角外侧偏置刀具半径即可得到转角径向层加工刀轨。

所述的转角径向层加工的刀轴矢量为转角面轴向矢量。

本发明一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法的加工刀轨的转角侧面为平面或圆柱面等三轴曲面。

本发明一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法，通过限制转角加工等效切宽及转角处的轴向和径向分层，实现对转角加工切削力的控制。首先依据轴向切深求解转角加工驱动几何；根据加工刀具及机床确定刀具最大等效切宽，并计算刀轴矢量，采用循环铣策略生成转角高效加工刀轨。

本发明，一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成算法，具体包括以下步骤：

步骤1，获取零件转角特征信息，包括转角面、侧面、顶面、转角底面及转角当前的余量半径R_粗；

步骤2，设定转角加工切深参数，依据切深对转角底面进行偏置创建平面，并与转角面及侧面求交得到转角轴向层加工驱动几何；

步骤3，根据选择的转角加工刀具类型、零件材料确定转角加工最大等效切宽ε；

步骤4，计算步骤2中求解的平面与转角面交线两端点处切向矢量，沿切矢反方向得到两切矢交点，将该点设为原点，并以其中一条法矢为X轴，建立局部坐标系；

步骤5，将转角特征理论半径R_L设为当前转角半径值R，由里向外依次计算转角径向层加工刀轨；

步骤6，将转角径向层加工驱动几何中转角面截线端点设为当前转角余量点，并计算两端点处切矢夹角，设该夹角为当前转角夹角α；

步骤7，为提高计算效率，同时避免机床直线插补，采用圆弧作为转角径向层加工刀轨。依据当前转角夹角α、半径R与最大等效切宽计算满足最大等效切宽原则的上一径向层刀轨余量圆弧半径，计算方法如下：

在转角加工中，刀具等效切宽最大的位置发生在刀具切入点或刀具轴线位于转角角平分线处。针对两种情况，分别计算转角上一径向层刀轨余量圆弧半径，取其中的较小值为转角上一径向层刀轨余量圆弧半径。两种情况的计算方法如下：

刀具最大等效切宽发生在刀具切入点时，设余量圆弧上一点为(x₀,y₀)，余量圆弧半径为R′，则满足下列公式，其中r为刀具半径：

刀具最大等效切宽发生在刀具圆心位于转角角平分线上时，余量圆弧半径可用下式进行计算，其中r'为当前转角圆弧与计算的余量圆弧的圆心距：

步骤8，依据步骤7计算得到的上一径向层刀轨余量圆弧半径，计算偏置值μ＝(R′-R)/tan(α/2)，在步骤2中求解的转角径向层加工驱动几何上依据偏置值μ求解径向层加工刀具切入切出点，使得切入切出点在径向层加工驱动几何上同当前转角相应的余量点的距离为μ；依据切入切出点及余量圆弧半径，最终确定上一径向层刀轨余量圆弧曲线；

步骤9，将步骤8中得到的当前转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线向转角外侧偏置刀具半径r即可得到转角上一径向层加工刀轨；

步骤10，将局部坐标系下的转角径向层刀轨通过坐标变换，得到零件加工坐标系下的转角径向层加工刀轨；

步骤11，计算步骤8中得到的转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线与步骤2中得到的转角径向层加工驱动几何交点，并计算驱动几何在交点处的切矢。计算切矢夹角α′及切矢交点O'，将转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线与转角径向层加工驱动几何交点设为当前转角余量点，将α′设为当前转角夹角α，将转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线设为当前转角半径；

步骤12，以点O'设为原点，以步骤11中计算的一条切矢为X轴建立局部坐标系；

步骤13，重复步骤7-12依次计算转角径向各层加工刀轨，直至步骤7中计算得到的上一径向层刀轨余量圆弧半径大于等于余量半径R_粗；

步骤14，重复步骤2-13，得到转角所有轴向层加工刀轨，对不同轴向层和径向层加工刀轨，使用圆弧和直线进行连接，形成难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨。

本发明的有益效果：

本发明提出的难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨可适用于转角侧面为平面或圆柱面等三轴曲面的三轴转角特征的高效加工。该方法通过控制转角加工过程中等效切宽，实现对转角加工切削力及刀具振动的控制，同时减少了难加工材料转角加工中的刀具磨损，避免了弹刀、拉刀等事故造成的产品质量问题。此外通过采用圆弧刀轨可避免转角加工时的机床直线插补，有效提高了转角加工效率和加工质量。

附图说明

图1为难加工材料三轴转角径向层刀轨计算示意图；

其中1为当前转角圆弧；2为刀具最大等效切宽发生在刀具切入点时，计算得到的转角上一径向层刀轨余量圆弧；3为刀具最大等效切宽发生在刀具圆心位于转角角平分线上时，计算得到的转角上一径向层刀轨余量圆弧；4为转角上一径向层刀轨进刀圆弧；5为转角上一径向层刀轨圆弧；6为转角当前径向层刀轨圆弧；7为转角上一径向层刀轨退刀圆弧；R为当前转角半径值；R′为转角上一径向层刀轨余量圆弧半径；r为转角加工刀具半径；θ为转角加工刀具最大等效切宽时的刀具接触角；α为转角夹角；τ₁、τ₂分别为转角面交线两端点处切矢；XOY为转角局部坐标系。

图2为刀具最大等效切宽发生在刀具圆心位于转角角平分线上时，刀具加工等效示意图；

其中h为刀具最大等效切宽；h'为当前转角圆弧与上一径向层余量圆弧的圆心距；r'为等效计算时转角上一径向层余量圆弧半径。

图3为刀具最大等效切宽发生在刀具圆心位于转角角平分线上时，转角上一径向层余量圆弧计算示意图；

其中8为当前转角圆弧；9为待计算的转角上一径向层余量圆弧。

图4为难加工材料转角径向层加工刀轨示意图；

其中10为转角轴向层加工驱动几何；11为转角径向层加工刀轨；12为转角径向层加工刀轨进退刀；v₁、v₂为计算不同转角径向层刀轨时，转角径向层加工驱动几何在刀轨切入点处的切矢；μ为转角不同径向层切入点距离。

图5为难加工材料三轴转角高效加工刀轨示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

见图1至图5，以典型五轴转角特征为例说明本发明提出的难加工材料高效加工刀轨生成算法流程。该转角特征半径为6.5mm，选用Φ10mm刀具进行加工。转角高效加工刀轨生成流程如下：

步骤1，获取零件转角特征信息，包括转角面、侧面、顶面、转角底面，依据粗加工信息转角当前的余量半径R_粗＝11mm；

步骤2，设定转角加工切深参数为15mm，依据切深对转角底面进行偏置创建平面，并与转角面及侧面求交得到转角轴向层加工驱动几何；

步骤3，根据选择的转角加工刀具类型、零件材料确定转角加工最大等效切宽ε＝3mm；

步骤4，计算步骤2中求解的平面与转角面交线两端点处切向矢量，沿切矢反方向得到两切矢交点，将该点设为原点，并以其中一条法矢为X轴，建立局部坐标系；

步骤5，将转角特征理论半径R_L＝6mm设为当前转角半径值R，由里向外依次计算转角径向层加工刀轨；

步骤6，将转角径向层加工驱动几何中转角面截线端点设为当前转角余量点，并计算两端点处切矢夹角，设该夹角为当前转角夹角α＝85°；

步骤7，为提高计算效率，同时避免机床直线插补，采用圆弧作为转角径向层加工刀轨。依据当前转角夹角α、半径R与最大等效切宽ε计算满足最大等效切宽原则的上一径向层刀轨余量圆弧半径，计算方法如下：

在转角加工中，刀具等效切宽最大的位置发生在刀具切入点或刀具位于转角角平分线处。针对两种情况，分别计算转角上一径向层刀轨余量圆弧半径，取其中的较小值为转角上一径向层刀轨余量圆弧半径，计算方法如下：

刀具最大接触角发生在刀具切入点时，设余量圆弧上一点为(x₀,y₀)，余量圆弧半径为R′，则满足下列公式，其中r为刀具半径：

刀具最大接触角发生在刀具圆心位于转角角平分线上时，余量圆弧半径可用下式进行计算，其中r'为当前转角圆弧与计算的余量圆弧的圆心距：

经计算，转角上一径向层刀轨余量圆弧半径为6.96mm。

步骤8，依据步骤7计算得到的上一径向层刀轨余量圆弧半径，计算偏置值μ＝(R′-R)/tan(α/2)＝1.05mm，在步骤2中求解的转角径向层加工驱动几何上依据偏置值μ求解径向层刀轨切入切出点，使得切入切出点在径向层加工驱动几何上同当前转角相应的余量点的距离为1.05mm；依据切入切出点及余量圆弧半径，最终确定上一径向层刀轨余量圆弧曲线；

步骤9，将步骤8中得到的当前转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线向转角外侧偏置刀具半径5mm即可得到转角上一径向层加工刀轨；

步骤10，将局部坐标系下的转角径向层刀轨通过坐标变换，得到零件加工坐标系下的转角径向层加工刀轨；

步骤11，计算步骤8中得到的转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线与步骤2中得到的转角径向层加工驱动几何交点，并计算驱动几何在交点处的切矢。计算切矢夹角α′及切矢交点O'，其中α′＝81°。将转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线与转角径向层加工驱动几何交点设为当前转角余量点，将α′设为当前转角夹角α，将转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线设为当前转角半径；

步骤12，以点O'设为原点，以步骤11中计算的一条切矢为X轴建立局部坐标系；

步骤13，重复步骤7-12依次计算转角径向各层加工刀轨，直至步骤7中计算得到的上一径向层刀轨余量圆弧半径大于等于余量半径R_粗，经计算径向层包含3层刀轨，对应的刀轨余量圆弧分别为6mm、6.96mm和8.7mm。；

步骤14，重复步骤2-13，得到转角所有轴向层加工刀轨，对不同轴向层和径向层加工刀轨，使用圆弧和直线进行连接，形成难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法，其特征在于，刀轨在转角处依据切深及切宽在刀具轴向和径向进行分层加工，转角径向层刀轨为多层刀轨组成；

所述刀轨的计算步骤如下：

步骤1，获取零件转角特征信息，包括转角面、侧面、顶面、转角底面及转角当前的余量半径R_粗；

步骤2，设定转角加工切深参数，依据切深对转角底面进行偏置创建平面，并与转角面及侧面求交得到转角轴向层加工驱动几何；

步骤3，根据选择的转角加工刀具类型、零件材料确定转角加工最大等效切宽ε；

步骤4，计算步骤2中求解的平面与转角面交线两端点处切向矢量，沿切矢反方向得到两切矢交点，将该点设为原点，并以其中一条法矢为X轴，建立局部坐标系；

步骤5，将转角特征理论半径R_L设为当前转角半径值R，由里向外依次计算转角径向层加工刀轨；

步骤6，将转角径向层加工驱动几何中转角面截线端点设为当前转角余量点，并计算两端点处切矢夹角，设该夹角为当前转角夹角α；

步骤7，为提高计算效率，同时避免机床直线插补，采用圆弧作为转角径向层加工刀轨；依据当前转角夹角α、半径R与最大等效切宽计算满足最大等效切宽原则的上一径向层刀轨余量圆弧半径，计算方法如下：

在转角加工中，刀具等效切宽最大的位置发生在刀具切入点或刀具轴线位于转角角平分线处；针对两种情况，分别计算转角上一径向层刀轨余量圆弧半径，取其中的较小值为转角上一径向层刀轨余量圆弧半径；两种情况的计算方法如下：

刀具最大等效切宽发生在刀具切入点时，设余量圆弧上一点为(x₀,y₀)，余量圆弧半径为R′，则满足下列公式，其中r为刀具半径：

刀具最大等效切宽发生在刀具圆心位于转角角平分线上时，余量圆弧半径可用下式进行计算，其中r'为当前转角圆弧与计算的余量圆弧的圆心距：

步骤8，依据步骤7计算得到的上一径向层刀轨余量圆弧半径，计算偏置值μ＝(R′-R)/tan(α/2)，在步骤2中求解的转角径向层加工驱动几何上依据偏置值μ求解径向层加工刀具切入切出点，使得切入切出点在径向层加工驱动几何上同当前转角相应的余量点的距离为μ；依据切入切出点及余量圆弧半径，最终确定上一径向层刀轨余量圆弧曲线；

步骤9，将步骤8中得到的当前转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线向转角外侧偏置刀具半径r即可得到转角上一径向层加工刀轨；

步骤10，将局部坐标系下的转角径向层刀轨通过坐标变换，得到零件加工坐标系下的转角径向层加工刀轨；

步骤11，计算步骤8中得到的转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线与步骤2中得到的转角径向层加工驱动几何交点，并计算驱动几何在交点处的切矢；计算切矢夹角α′及切矢交点O'，将转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线与转角径向层加工驱动几何交点设为当前转角余量点，将α′设为当前转角夹角α，将转角上一径向层刀轨余量圆弧曲线设为当前转角半径；

步骤12，以点O'设为原点，以步骤11中计算的一条切矢为X轴建立局部坐标系；

步骤13，重复步骤7-12依次计算转角径向各层加工刀轨，直至步骤7中计算得到的上一径向层刀轨余量圆弧半径大于等于余量半径R_粗；

步骤14，重复步骤2-13，得到转角所有轴向层加工刀轨，对不同轴向层和径向层加工刀轨，使用圆弧和直线进行连接，形成难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨。

2.根据权利要求1所述一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法，其特征在于，所述的转角径向层包含转角加工时的等效切宽约束。

3.根据权利要求2所述一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法，其特征在于，所述的转角径向层的等效切宽约束为采用多次圆弧刀轨去除转角余量。

4.根据权利要求1所述一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法，其特征在于，所述的转角轴向的分层依据设定的切深进行分层，在轴向每层构建平面与转角面及转角侧面相交求解每层轴向加工刀轨的驱动几何。

5.根据权利要求1所述一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法，其特征在于，所述的转角径向层加工刀轨计算方法如下：依据计算的转角等效切宽及当前转角半径计算当前转角上一径向加工层的余量圆弧，直至计算得到的余量圆弧半径大于或等于转角粗加工余量半径；第一次计算时，当前转角半径即为转角理论半径；后续计算时，依次将上次计算得到的余量圆弧半径设为当前转角半径；将径向每层计算得到的余量圆弧向转角外侧偏置刀具半径即可得到转角径向层加工刀轨。

6.根据权利要求5所述一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法，其特征在于，所述的转角径向层加工的刀轴矢量为转角面轴向矢量。

7.根据权利要求1所述一种难加工材料三轴转角特征高效加工刀轨生成方法，其特征在于，加工刀轨的转角侧面为平面或圆柱面等三轴曲面。

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