CN110253341B - 一种微铣削加工刀具跳动参数的快速识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微铣削加工刀具跳动参数的快速识别方法，其步骤包括：1分别建立刀具坐标系、工件坐标系和机床主轴坐标系；2定义刀具跳动参数；3对工件进行槽铣加工试验，并记录工件在工件坐标系中承受的铣削力；4数据处理并得到最大铣削力合力；5识别刀具跳动参数。本发明能采用单个参数对刀具跳动进行定义，从而基于槽铣试验实现对刀具跳动参数的快速识别，并提高识别效率。

Description

一种微铣削加工刀具跳动参数的快速识别方法

技术领域

本发明涉及微铣削加工过程铣削力建模方法领域，具体为一种微铣削加工刀具跳动参数定义及快速识别方法方法。

背景技术

微铣削具有优异的三维曲面加工能力，在航空航天、医疗、电子等行业微小复杂零部件高性能加工领域有广泛的应用前景。然而，由于尺度的急剧缩小，微铣削加工面临尺寸效应、刀具快速磨损等问题，解决这些问题的关键在于建立精确的微铣力预测模型，进而实现对微铣削过程的智能监控。不同于传统宏观铣削，微铣削加工过程中刀具跳动对铣削力的影响不可忽略，且由于制造、安装等误差的存在，刀具跳动不可避免，因此，在铣削力建模之前，对刀具跳动进行评价以及定量描述，对于微铣削加工铣削力精确建模具有重要意义。然而，目前，微铣削刀具跳动通常采用3个或4个参数进行定义，并采用迭代方法对参数进行识别，识别效率较低。

发明内容

为解决现有方法无法满足微铣削加工刀具跳动快速识别的问题，本发明提出了一种微铣削加工刀具跳动参数的快速识别方法，以期能采用单个参数对刀具跳动进行定义，从而基于槽铣试验实现对刀具跳动参数的快速识别，并提高识别效率。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种微铣削加工刀具跳动参数的快速识别方法的特点包括以下步骤：

步骤1：建立刀具坐标系X_TY_TZ_T-O_T，且刀具为整体硬质合金螺旋铣刀：

所述刀具坐标系X_TY_TZ_T-O_T的原点O_T为刀具轴线垂直与刀尖所在的平面之间的交点，以刀具轴线为Z_T轴，且指向刀柄的方向，以任意一个刀尖与所述原点O_T的连线作为Y_T轴，并使得X_T轴与Y_T轴和Z_T轴构成笛卡尔坐标系；

步骤2：建立工件坐标系X_wY_wZ_w-O_w，且工件为正六面体：

X_w轴与刀具直线进给路径平行，且指向进给方向，Z_w轴垂直于正六面体工件的加工表面，并指向远离工件加工表面的方向，并使得Y_w轴与X_w轴和Z_w轴构成笛卡尔坐标系，工件坐标平面X_wO_wZ_w与刀具坐标平面X_TO_TZ_T重合；

步骤3：建立机床主轴坐标系X_SY_SZ_S-O_S：

Z_S轴与机床主轴轴线重合，且指向工作台反方向，X_S轴与刀具直线进给路径平行，且指向进给方向，并使得Y_S轴与X_S轴和Z_S轴构成笛卡尔坐标系；

步骤4：定义刀具跳动参数：

将刀具坐标系原点O_T在机床主轴坐标系X_SY_SZ_S-O_S中，与机床坐标平面X_SO_SZ_S之间的距离定义为刀具跳动参数，记为r_out；

步骤5：对工件进行槽铣加工试验，并测量加工过程中工件在工件坐标系X_wY_wZ_w-O_w中三个方向上承受的铣削力，记为Fx、Fy、Fz；

步骤6：对试验测量获得的三个方向上铣削力Fx、Fy、Fz进行数据处理，获得n个刀齿对应的最大铣削力合力，记为{F_i|i＝1,2,…n}，并从n个刀齿对应的最大铣削力合力{F_i|i＝1,2,…n}中选出最大值F_max和最小值F_min，其中，F_i表示第i个刀齿对应的最大铣削力合力；

步骤7：利用式(1)识别刀具跳动参数ro_ut：

式(1)中，f_z为刀具每旋转360°所进给的距离。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明提出一种刀具跳动单参数定义方法，同时提出根据不同刀齿对应的最大铣削合力对该参数进行快速识别的方法，具有高效性，适合各种齿数的微铣刀在微铣削加工过程中铣削力的建模与仿真，采用单个参数定义刀具跳动，并理论推导出求解该参数的函数表达式，使用该方法在微铣削加工过程中求解的刀具跳动在精度和速度上有大大的提高，经实际验证，该方法计算精度高，通用性好，在微铣削加工领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明刀具跳动参数识别过程；

图2为本发明刀具坐标系；

图3为本发明工件坐标系；

图4为本发明微铣削刀具跳动参数定义图；

图5为本发明考虑跳动预测铣削力与实际铣削力对比图。

具体实施方式

本实施例中，一种微铣削加工刀具跳动参数的快速识别方法以采用MIKRONHSM600U机床微铣削加工AISI4340为例，刀具选用平头整体螺旋立铣刀，其直径为0.5mm，螺旋角为30°，铣削试验为槽铣，采用Kistler 9119AA2传感器采集铣削力，采样频率为24KHz，刀具转速为24000rpm，轴向切削深度为0.08mm，没转进给为0.012mm。该刀具跳动参数识别过程如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：建立刀具坐标系X_TY_TZ_T-O_T，且刀具为整体硬质合金螺旋铣刀：

刀具坐标系X_TY_TZ_T-O_T的原点O_T为刀具轴线垂直与刀尖所在的平面之间的交点，以刀具轴线为Z_T轴，且指向刀柄的方向，以任意一个刀尖与原点O_T的连线作为Y_T轴，并使得X_T轴与Y_T轴和Z_T轴构成笛卡尔坐标系，如图2所示；

步骤2：建立工件坐标系X_wY_wZ_w-O_w，且工件为正六面体：

X_w轴与刀具直线进给路径平行，且指向进给方向，Z_w轴垂直于正六面体工件的加工表面，并指向远离工件加工表面的方向，并使得Y_w轴与X_w轴和Z_w轴构成笛卡尔坐标系，工件坐标平面X_wO_wZ_w与刀具坐标平面X_TO_TZ_T重合，如图3所示；

步骤3：建立机床主轴坐标系X_SY_SZ_S-O_S：

Z_S轴与机床主轴轴线重合，且指向工作台反方向，X_S轴与刀具直线进给路径平行，且指向进给方向，并使得Y_S轴与X_S轴和Z_S轴构成笛卡尔坐标系；

步骤4：定义刀具跳动参数：

将刀具坐标系原点O_T在机床主轴坐标系X_SY_SZ_S-O_S中，与机床坐标平面X_SO_SZ_S之间的距离定义为刀具跳动参数，记为r_out，如图4所示；

步骤5：对工件进行槽铣加工试验，并测量加工过程中工件在工件坐标系X_wY_wZ_w-O_w中三个方向上承受的铣削力，记为Fx、Fy、Fz；

步骤6：对试验测量获得的三个方向上铣削力Fx、Fy、Fz进行数据处理，具体包括：选取100个刀具旋转周期，获得每个周期内n个刀齿对应的最大铣削力合力，然后对100个值取平均，从而获得n个刀齿对应的最大铣削力合力，记为{F_i|i＝1,2,…n}，其中，F_i表示第i个刀齿对应的最大铣削力合力，并从n个刀齿对应的最大铣削力合力{F_i|i＝1,2,…n}中选出最大值F_max和最小值F_min；本实施例中，以获得2个刀齿对应的最大铣削力合力为例，分别记为Fr1，Fr2，其中，Fr1＝7.24N，Fr2＝4.81N；

步骤7：利用式(1)识别刀具跳动参数ro_ut：

式(1)中，f_z为刀具每旋转360°所进给的距离。

本实施例中，跳动参数r_out可表示为：

即获得刀具跳动参数r_out的值为0.0003mm，将该跳动值带入铣削力计算模型，求得预测铣削力与真实铣削力如图5所示，其中两条实线分别代表X方向和Y方向的真实铣削力，方框表示的线为预测获得X方向铣削力，圆圈表示的线为预测获得Y方向铣削力。结果显示该方法可有效识别微铣削加工过程中的刀具跳动参数。

Claims (1)

1.一种微铣削加工刀具跳动参数的快速识别方法，其特征包括以下步骤：

步骤1：建立刀具坐标系X_TY_TZ_T-O_T，且刀具为整体硬质合金螺旋铣刀：

所述刀具坐标系X_TY_TZ_T-O_T的原点O_T为刀具轴线垂直与刀尖所在的平面之间的交点，以刀具轴线为Z_T轴，且指向刀柄的方向，以任意一个刀尖与所述原点O_T的连线作为Y_T轴，并使得X_T轴与Y_T轴和Z_T轴构成笛卡尔坐标系；

步骤2：建立工件坐标系X_wY_wZ_w-O_w，且工件为正六面体：

X_w轴与刀具直线进给路径平行，且指向进给方向，Z_w轴垂直于正六面体工件的加工表面，并指向刀具远离工件加工表面的方向，并使得Y_w轴与X_w轴和Z_w轴构成笛卡尔坐标系，工件坐标平面X_wO_wZ_w与刀具坐标平面X_TO_TZ_T重合；

步骤3：建立机床主轴坐标系X_SY_SZ_S-O_S：

Z_S轴与机床主轴轴线重合，且指向工作台反方向，X_S轴与刀具直线进给路径平行，且指向进给方向，并使得Y_S轴与X_S轴和Z_S轴构成笛卡尔坐标系；

步骤4：定义刀具跳动参数：

将刀具坐标系原点O_T在机床主轴坐标系X_SY_SZ_S-O_S中，与机床坐标平面X_SO_SZ_S之间的距离定义为刀具跳动参数，记为r_out；

步骤5：对工件进行槽铣加工试验，并测量加工过程中工件在工件坐标系X_wY_wZ_w-O_w中三个方向上承受的铣削力，记为Fx、Fy、Fz；

步骤6：对试验测量获得的三个方向上铣削力Fx、Fy、Fz进行数据处理，获得n个刀齿对应的最大铣削力合力，记为{F_i|i＝1,2,…n}，并从n个刀齿对应的最大铣削力合力{F_i|i＝1,2,…n}中选出最大值F_max和最小值F_min，其中，F_i表示第i个刀齿对应的最大铣削力合力；

步骤7：利用式(1)识别刀具跳动参数r_out：

式(1)中，f_z为刀具每旋转360°所进给的距离。

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