CN109917752B - 一种球头铣刀五轴加工瞬时切削厚度求解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球头铣刀五轴加工瞬时切削厚度求解方法，包括如下步骤：(1)、根据球头铣刀参数建立三维球头铣刀模型，根据工件参数建立三维工件模型；以球头铣刀模型为工具体，以工件模型为目标体，设定铣削参数两者布尔减运算得到真实的三维已加工表面模型；(2)、基于瞬时切削厚度理论创建辅助实体；(3)、求相同铣削参数下辅助实体与已加工表面模型布尔交运算后的瞬时切削厚度实体；(4)、利用基准面离散根据切削厚度实体模型求解球头铣刀瞬时切削厚度。本发明通过布尔运算方法建立辅助实体与已加工表面的相交实体三维模型，获取瞬时切削厚度，理论简单，求解效率高，具有较高的工程应用价值。

Description

一种球头铣刀五轴加工瞬时切削厚度求解方法

技术领域

本发明涉及加工领域的加工切削厚度求解方法，尤其涉及一种球头铣刀五轴加工瞬时切削厚度求解方法。

背景技术

作为铣削加工物理仿真研究的核心内容，对加工过程中球头铣刀的切削力进行预测是保证加工精度、提高切削稳定性的重要基础，而对球头铣刀瞬时切削厚度进行精确的建模则是准确预测切削力的关键。然而球头铣刀铣削加工过程非常复杂，存在相互关联的加工参数，并且球头铣刀球头部分的复杂几何形状、沿切削刃不断变化的切削特性、铣刀沿切削路径切削时刀具与工件之间不断变化的接触面、刀具与接触面的振动等，使得对球头铣刀瞬时切削厚度的准确建模变得困难。目前，已有基于刀具和工件接触区域建模的瞬时切削厚度求解方法，但该类方法仅考虑了当前参与切削的刀刃，忽略了之前的刀刃对切削厚度的影响，无法精准的求解五轴加工中的瞬时切削厚度。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的提供一种基于布尔运算的球头铣刀五轴加工瞬时切削厚度求解方法，从瞬时切削厚度理论出发，采用创建辅助实体模型的方法求解刀刃切除后已加工工件的瞬时切削厚度，求解准确性较高。

本发明公开了一种球头铣刀五轴加工瞬时切削厚度求解方法，包括如下步骤：

(1)、根据球头铣刀参数建立三维球头铣刀模型，根据工件参数建立三维工件模型；以球头铣刀模型为工具体，以工件模型为目标体，设定铣削参数两者布尔减运算得到真实的三维已加工表面模型；其中得到真实的三维已加工表面模型的具体步骤包括：

(1.1)建立三维球头铣刀模型：

针对球头铣刀的几何结构，其三维模型的建立主要通过球头铣刀周刃螺旋线、球刃螺旋线及退刀槽扫掠线的参数方程实现；在三维建模软件中，绘制球头铣刀模型的步骤为：旋转、拉伸形成棒料；根据参数方程绘制周刃、球刃螺旋线及退刀槽曲线；绘制周刃截面曲线，沿周刃螺旋线、退刀槽曲线扫掠切除，然后阵列，形成周刃螺旋槽及退刀槽；绘制两条球刃截面曲线，分别沿球刃螺旋线扫掠切除，形成球刃前、后刀面；缝合曲面，形成完成的三维球头铣刀模型；

(1.2)、定义球头铣刀五轴加工的坐标系为：

整体坐标系Ra(Oa，Xa，Ya，Za)固定在工件模型上，对于铣削加工，刀具加工初始点在Oa上，Xa轴为刀具进给方向，

局部坐标系Rc(Oc，Xc，Yc，Zc)定义在球头铣刀模型上，随着球头铣刀的运动在工件平面进行运动，铣削加工时为沿着Xa轴方向的直线运动，Oc点固定于球头铣刀主轴上，Zc轴与球头铣刀主轴方向重合；

(1.3)、布尔减运算得到三维已加工表面模型：球头铣刀是工具体，工件是目标体，首先球头铣刀移动到铣削过程的起始位置，然后沿着工件的边沿线一步步的移动并伴随旋转运动，且每一步的运动后进行一次布尔减运算，设定铣削参数直到铣削加工过程完成；铣削加工可获得已加工工件，球头铣刀真实的刀刃痕迹体现在工件表面；

(2)、基于瞬时切削厚度理论创建辅助实体；其中创建辅助实体模型的具体步骤包括：

(2.1)、首先根据球刃曲线构建辅助面，计算球头铣刀瞬时切削厚度：

点Oc1和点Oc2分别代表第i个切削刃和第i+1个切削刃相对应的球头中心，设N点为第i个切削刃的瞬时位置，M点为第i+1个连续的切削刃上的点，则Oc2M的连接线通过第i个切削刃上的点N，MN即球头铣刀的瞬时切削厚度h；

由于第i+1个球刃曲线上存在无数个M点，将Oc2M的连线作为辅助线；在第i+1个刀刃上，连接i个辅助线Oc2M_i形成当前刀刃的辅助面；该辅助面与第i个刀刃切削之后留下的工件的相交面积，即第i+1个刀刃的瞬时切削厚度；

(2.2)、根据当前刀刃的辅助面创建辅助实体三维模型：

对辅助面赋值厚度，将辅助面转化为辅助实体三维模型，通过布尔运算模块来获取辅助实体与已加工工件的相交部分面积，即瞬时切削厚度；

(3)、求相同铣削参数下辅助实体与已加工表面模型布尔交运算后的瞬时切削厚度实体；其中得到切削厚度实体模型的具体步骤包括：为获得切削厚度实体，首先对辅助实体赋予和球头铣刀相同的平移和旋转的铣削参数，然后以辅助实体作为布尔交运算的工具体，已加工工件模型为目标体；保持已加工工件位置不变，辅助实体每旋转一个角度，便沿Xa轴向前移动相应的距离，并在平移后与已加工工件做一次布尔交运算从而获得该位置的相交实体；因相交部分的面积为当前位置刀刃的瞬时切削厚度，该相交实体即为切削厚度实体；进行循环可得到铣削过程中不同旋转角度下的切削厚度实体模型；

(4)、利用基准面离散根据切削厚度实体模型求解球头铣刀瞬时切削厚度；其中求解球头铣刀瞬时切削厚度的具体包括如下步骤：

(4.1)、离散切削厚度实体：

首先以辅助实体的中心点Oc为基准，创建平行于XOY平面的基准面；其次对基准面进行等角度阵列，可形成角度间隔相等的数个平面；然后通过修剪体命令，对切削厚度实体进行离散分割，形成数个瞬时切削厚度实体；

(4.2)、提取瞬时切削厚度的值：

球头铣刀的瞬时切削厚度是瞬时切削厚度实体的侧面表面积，通过测量提取瞬时切削厚度实体的体积获得瞬时切削厚度。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明的瞬时切削厚度求解方法具有通用性和高效性，适合多刃球头铣刀在铣削过程中对于切削厚度的提取；本发明通过布尔运算方法建立辅助实体与已加工表面的相交实体三维模型，获取瞬时切削厚度，理论简单，求解效率高，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中球头铣刀三维模型；

图3为本发明中坐标系示意图；

图4为本发明中已加工表面示意图；

图5为本发明中瞬时切削厚度示意图；

图6为本发明中辅助实体示意图；

图7为本发明中切削厚度实体示意图；

图8为本发明中离散分割示意图；

图9为本发明中瞬时切削厚度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种球头铣刀五轴加工瞬时切削厚度求解方法，包括以下步骤：

(1)、根据球头铣刀参数建立三维球头铣刀模型，根据工件参数建立三维工件模型；以球头铣刀模型为工具体，以工件模型为目标体，设定铣削参数两者布尔减运算得到真实的三维已加工表面模型；具体步骤包括：

(1.1)建立三维球头铣刀模型：

球头铣刀三维模型如图2所示，球头铣刀三维模型包括刀柄1、周刀螺旋槽2、S形主沟槽3、S形副沟槽4和退刀槽5。具体参数为球头直径R₀＝10mm，铣刀总长L＝100mm，刀刃长度L₁＝40mm，螺旋角β＝30°，前刀面深度D＝3mm，容屑槽半径R₁＝0.7mm，前角γ＝8°，后角α＝8°，；针对球头铣刀的几何结构，其三维模型的建立主要通过球头铣刀周刃螺旋线、球刃螺旋线及退刀槽扫掠线的参数方程实现；在三维建模软件中，绘制球头铣刀模型的步骤为：旋转、拉伸形成棒料；根据参数方程绘制周刃、球刃螺旋线及退刀槽曲线；绘制周刃截面曲线，沿周刃螺旋线、退刀槽曲线扫掠切除，然后阵列，形成周刃螺旋槽及退刀槽；绘制两条球刃截面曲线，分别沿球刃螺旋线扫掠切除，形成球刃前、后刀面；缝合曲面，形成完成的三维球头铣刀模型。

(1.2)、定义球头铣刀五轴加工的坐标系为：

如图3所示，整体坐标系Ra(Oa，Xa，Ya，Za)固定在工件模型上，对于铣削加工，刀具加工初始点在Oa上，Xa轴为刀具进给方向，

局部坐标系Rc(Oc，Xc，Yc，Zc)定义在球头铣刀模型上，随着球头铣刀的运动在工件平面进行运动，铣削加工时为沿着Xa轴方向的直线运动，Oc点固定于球头铣刀主轴上，Zc轴与球头铣刀主轴方向重合；

(1.3)、布尔减运算得到三维已加工表面模型：球头铣刀的铣削过程是刀具沿着工件走刀并伴随着材料去除的过程，该过程可以看作是布尔减运算的结果，球头铣刀是工具体，工件是目标体，首先球头铣刀移动到铣削过程的起始位置，然后沿着工件的边沿线一步步的移动并伴随旋转运动，且每一步的运动后进行一次布尔减运算，设定铣削参数直到铣削加工过程完成，其中，铣削参数为：切削宽度0.125mm、切削深度0.25mm，进给量0.18mm/r，刀刃每转1°，刀具移动0.0005mm；铣削加工可获得已加工工件，如图3所示，球头铣刀真实的刀刃痕迹体现在工件表面，如图4所示。

(2)、基于瞬时切削厚度理论创建辅助实体；具体步骤包括：

(2.1)、首先根据球刃曲线构建辅助面，计算球头铣刀瞬时切削厚度：

如图5所示，DI为第i个切削刃，DI+1为第i+1个切削刃，DIS为第i个切削刃的轨迹，ae代表切削深度，Vs代表切削速度；球头铣削厚度是在切线方向和轴线方向沿着切削刃不断变化的，在三维模型中，瞬时切削厚度可以通过刀具中心的位置来计算；点Oc1和点Oc2分别代表第i个切削刃和第i+1个切削刃相对应的球头中心，设N点为第i个切削刃的瞬时位置，M点为第i+1个连续的切削刃上的点，则Oc2M的连接线通过第i个切削刃上的点N，MN即球头铣刀的瞬时切削厚度h；

由于第i+1个球刃曲线上存在无数个M点，将Oc2M的连线作为辅助线；在第i+1个刀刃上，连接i个辅助线Oc2M_i形成当前刀刃的辅助面；该辅助面与第i个刀刃切削之后留下的工件的相交面积，即第i+1个刀刃的瞬时切削厚度；本发明通过Siemens NX10.0软件的布尔运算模块来获取辅助面与已加工工件的相交部分面积，即瞬时切削厚度；如图6所示，过点Oc作轴线L1，过Mi点作垂直于轴线L1的辅助线L2，i个M点形成刀刃D，辅助面由i条连接刀具中心点Oc的辅助线所形成。

(2.2)、根据当前刀刃的辅助面创建辅助实体三维模型：

因布尔运算模块不能使片体与工件实体相交，对辅助面赋值为0.1mm的厚度，将辅助面转化为辅助实体三维模型，通过布尔运算模块来获取辅助实体与已加工工件的相交部分面积，即瞬时切削厚度。

(3)、求相同铣削参数下辅助实体与已加工表面模型布尔交运算后的瞬时切削厚度实体；具体步骤包括：在五轴球头铣刀的铣削过程中，伴随着刀具的平移和旋转，当刀刃参与切削时，即存在与该刀刃对应的辅助实体；而该刀刃对应的辅助实体与前一个刀刃切除之后的工件即已加工工件，所形成的布尔交实体的面积为该刀刃的瞬时切削厚度；为获得切削厚度实体，首先对辅助实体赋予和球头铣刀相同的平移和旋转的铣削参数，，即切削宽度0.125mm、切削深度0.25mm；然后以辅助实体作为布尔交运算的工具体，已加工工件模型为目标体；如图7所示，其中辅助实体7，工件8，切削厚度实体9，Di+1为刀刃；保持已加工工件位置不变，辅助实体每旋转一个角度，便沿Xa轴向前移动相应的距离，为0.0005mm，即旋转360°，平移约0.18mm；并在平移后与已加工工件做一次布尔交运算对应函数为UF_MODL_intersect_bodies，从而获得该位置的相交实体；因相交部分的面积为当前位置刀刃的瞬时切削厚度，该相交实体即为切削厚度实体；对上述操作进行循环可得到铣削过程中不同旋转角度下的切削厚度实体模型。

(4)、利用基准面离散根据切削厚度实体模型求解球头铣刀瞬时切削厚度，具体包括如下步骤：

(4.1)、离散切削厚度实体：

如图8所示，首先以辅助实体的中心点Oc为基准，创建平行于XOY平面的基准面L3；其次以△θ对基准面进行等角度阵列，可形成角度间隔相等的数个平面；然后通过修剪体命令，对切削厚度实体进行离散分割，形成数个瞬时切削厚度实体；

(4.2)、提取瞬时切削厚度的值：

球头铣刀的瞬时切削厚度是瞬时切削厚度实体的侧面表面积，通过测量提取瞬时切削厚度实体的体积获得瞬时切削厚度。因此，本发明通过Siemens NX10.0软件自带的函数UF_MODL_ask_mass_props_3d获取瞬时切削厚度实体的体积数值，并将数值通过函数UF_UI_open_listing_window呈现在信息窗口。已知体积数值，求得相应面积的值，则可得出相应的瞬时切削厚度，生成瞬时切削厚度曲线图，如图9所示。

Claims (1)

1.一种球头铣刀五轴加工瞬时切削厚度求解方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、根据球头铣刀参数建立三维球头铣刀模型，根据工件参数建立三维工件模型；以球头铣刀模型为工具体，以工件模型为目标体，设定铣削参数两者布尔减运算得到真实的三维已加工表面模型；其中得到真实的三维已加工表面模型的具体步骤包括：

(1.1)建立三维球头铣刀模型：

针对球头铣刀的几何结构，其三维模型的建立主要通过球头铣刀周刃螺旋线、球刃螺旋线及退刀槽扫掠线的参数方程实现；在三维建模软件中，绘制球头铣刀模型的步骤为：旋转、拉伸形成棒料；根据参数方程绘制周刃、球刃螺旋线及退刀槽曲线；绘制周刃截面曲线，沿周刃螺旋线、退刀槽曲线扫掠切除，然后阵列，形成周刃螺旋槽及退刀槽；绘制两条球刃截面曲线，分别沿球刃螺旋线扫掠切除，形成球刃前、后刀面；缝合曲面，形成完成的三维球头铣刀模型；

(1.2)、定义球头铣刀五轴加工的坐标系为：

整体坐标系Ra(Oa，Xa，Ya，Za)固定在工件模型上，对于铣削加工，刀具加工初始点在Oa上，Xa轴为刀具进给方向，

局部坐标系Rc(Oc，Xc，Yc，Zc)定义在球头铣刀模型上，随着球头铣刀的运动在工件平面进行运动，铣削加工时为沿着Xa轴方向的直线运动，Oc点固定于球头铣刀主轴上，Zc轴与球头铣刀主轴方向重合；

(1.3)、布尔减运算得到三维已加工表面模型：球头铣刀是工具体，工件是目标体，首先球头铣刀移动到铣削过程的起始位置，然后沿着工件的边沿线一步步的移动并伴随旋转运动，且每一步的运动后进行一次布尔减运算，设定铣削参数直到铣削加工过程完成；铣削加工可获得已加工工件，球头铣刀真实的刀刃痕迹体现在工件表面；

(2)、基于瞬时切削厚度理论创建辅助实体；其中创建辅助实体模型的具体步骤包括：

(2.1)、首先根据球刃曲线构建辅助面，计算球头铣刀瞬时切削厚度：

点Oc1和点Oc2分别代表第i个切削刃和第i+1个切削刃相对应的球头中心，设N点为第i个切削刃的瞬时位置，M点为第i+1个连续的切削刃上的点，则Oc2M的连接线通过第i个切削刃上的点N，MN即球头铣刀的瞬时切削厚度h；

由于第i+1个球刃曲线上存在无数个M点，将Oc2M的连线作为辅助线；在第i+1个刀刃上，连接i个辅助线Oc2M_i形成当前刀刃的辅助面；该辅助面与第i个刀刃切削之后留下的工件的相交面积，即第i+1个刀刃的瞬时切削厚度；

(2.2)、根据当前刀刃的辅助面创建辅助实体三维模型：

对辅助面赋值厚度，将辅助面转化为辅助实体三维模型，通过布尔运算模块来获取辅助实体与已加工工件的相交部分面积，即瞬时切削厚度；

(3)、求相同铣削参数下辅助实体与已加工表面模型布尔交运算后的瞬时切削厚度实体；其中得到切削厚度实体模型的具体步骤包括：为获得切削厚度实体，首先对辅助实体赋予和球头铣刀相同的平移和旋转的铣削参数，然后以辅助实体作为布尔交运算的工具体，已加工工件模型为目标体；保持已加工工件位置不变，辅助实体每旋转一个角度，便沿Xa轴向前移动相应的距离，并在平移后与已加工工件做一次布尔交运算从而获得该位置的相交实体；因相交部分的面积为当前位置刀刃的瞬时切削厚度，该相交实体即为切削厚度实体；进行循环可得到铣削过程中不同旋转角度下的切削厚度实体模型；

(4)、利用基准面离散根据切削厚度实体模型求解球头铣刀瞬时切削厚度；其中求解球头铣刀瞬时切削厚度的具体包括如下步骤：

(4.1)、离散切削厚度实体：

首先以辅助实体的中心点Oc为基准，创建平行于XOY平面的基准面；其次对基准面进行等角度阵列，可形成角度间隔相等的数个平面；然后通过修剪体命令，对切削厚度实体进行离散分割，形成数个瞬时切削厚度实体；

(4.2)、提取瞬时切削厚度的值：

球头铣刀的瞬时切削厚度是瞬时切削厚度实体的侧面表面积，通过测量提取瞬时切削厚度实体的体积获得瞬时切削厚度。

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