CN111241707A - 一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法。所述计算方法为：提取刀位点文件的刀具中心点和刀轴矢量序列，并计算刀具与曲面的切触点及其法矢；将刀轴矢量序列按预设的步距和进退刀条件排列成有序序列；计算有序序列中刀具外形与曲面接触线，放样成切削区域；计算有序序列中刀具各条切削区域；建立微元切削力模型，采用微元法对切削刃进行积分和叠加，求得瞬态铣削力。本发明方法可以根据每一个位置上瞬态铣削力计算出该位置的铣削力，然后将所有的瞬态铣削力全部按照上述方法计算出来便实现了对复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算，解决复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力精确预测的难题。

Description

一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，特别是涉及一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法。

背景技术

铣削力是影响加工过程稳定性、引起零件加工变形的关键因素。通常，铣削力的计算主要是将铣刀切削刃沿其轴线方向逐层划分为若干微元，通过建立微元上的切削力模型并沿轴线方向积分来求得铣削力。

航空发动机叶片、整体叶盘类复杂曲面零件加工的主要方法是五轴联动铣削。与平面或斜面铣削相比，曲面加工最显著的特点是加工过程中铣刀的几何切触情况是沿着加工路径不断变化的。然而现有的铣削力计算方法主要基于恒定切削条件，无法识别变切触条件下实际参与铣削过程的切削刃，进而造成铣削力计算不准确、不符合实际情况。因此，如何提供一种能实现对对复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力进行计算的方法是本领域技术人员亟需解决的技术难题。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法。包括：提取刀位点文件的刀具中心点和刀轴矢量序列，将刀轴矢量序列排列成有序序列，计算有序序列中刀具外形与曲面接触线，放样成切削区域，计算有序序列中刀具各条切削区域；建立微元切削力模型，采用微元法对切削刃进行积分和叠加，求得瞬态铣削力。本发明方法解决复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力精确预测的难题。

(2)技术方案

本发明的实施例提出了一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法，其特征在于，所述计算方法为：

提取刀位点文件的刀具中心点和刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}，并计算刀具T与曲面S的切触点P_i及其法矢n_i；

将刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}按预设的步距和进退刀条件排列成有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}；

计算有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具外形与曲面接触线，放样成切削区域{R_i ^cut}；

计算有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具各条切削区域；

建立微元切削力模型，采用微元法对切削刃进行积分和叠加，求得瞬态铣削力。

进一步地，有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具外形与曲面接触线的计算方法为：取有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}的任一列C_i中任一点(Q_i,j,m_i,j)，根据当前刀位点对应的切触点P_i和单位法失n_i，建立切平面PL_i,j ^t；提取下一刀位点对应的切触点P_i+1和单位法失n_i+1，计算矢量P_i+1－P_i在切平面PL_t上的投影，记为x_i,j轴；根据切触点P_i和x_i,j轴，建立截平面PL_i,j ^r；计算截平面PL_i,j ^r与刀具外形的交线B_i,j ¹和B_i,j ²，根据运动方向和有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}排列顺序确定材料去除侧，根据材料去除侧的方向，保留在材料去除侧的交线，记为B_i,j ^r；根据预设的切削深度，将曲面S偏置为S'，根据偏置曲面S'，将交线B_i,j ^r截断为B_i,j；遍历刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}中所有点，得到C_i对应的交线集合{B_i,j}。

进一步地，所述切削区域的放样方法为曲面放样方法。

进一步地，所述曲面放样方法为：将交线集合{B_i,j}生成为已切削表面S_i ^cut；进而得到得到{C_i}对应的已切削表面集合{S_i ^cut}；将已切削表面集合{S_i+1 ^cut}前后两个已切削表面填充为已切削区域集合{R_i ^cut}。

进一步地，有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具各条切削区域的计算方法为：根据预设的主轴转速和进给速度，将序列{C_i}中前后两个刀位点按旋转角增量Δθ线性插值，计算每个旋转角θ_i,j下刀具T每个刀齿切削刃E_k与已切削区域R_i ^cut的交线E_i ^a,k；根据截平面PL_i,j ^r和x_i,j轴，截取和判断交线E_i ^a,k在进给方向的切削刃E_i ^k；计算切削刃E_i ^k的切入角Φ_i ^st,k和切出角Φ_i ^ex,k；以当前旋转角θ_i,j和下一旋转角θ_i,j+1的刀具中心点连线为x轴、前旋转角θ_i,j的刀轴矢量为z轴，建立局部坐标系LCS，计算切入角Φ_i ^st,k和切出角Φ_i ^ex,k对应的切削刃上下限z_low ^k和z_up ^k。

进一步地，所述微元切削力模型为：

式中，dE为切削刃长度微元；dz为切削刃高度微元；h(Φ)为切削厚度；K_te,K_re,K_ae为摩擦力系数；K_tc,K_rc,K_ac为剪切力系数。

进一步地，按切削刃上下限z_low和z_up进行积分，得到切削力F_t、F_r和F_a；根据局部坐标系LCS和全局坐标系MCS的对应关系，将F_t、F_r和F_a转换为F_x、F_y和F_z。

(3)有益效果

本发明方法首先根据刀位点文件中刀具中心点的位置以及刀具行进时刀轴矢量序列的方向，将刀轴矢量序列按预设的步距和进退刀条件排列成有序序列，这样根据有序序列形成时刻变化的切削区域，并计算计算有序序列中刀具各条切削区域；最后，再建立微元切削力模型，采用微元法对切削刃进行积分和叠加，求得瞬态铣削力。

本发明方法提出的一种根据瞬时切削刃的瞬态铣削力识别的铣削力计算方法，可以根据每一个位置上瞬态铣削力计算出该位置的铣削力，然后将所有的瞬态铣削力全部按照上述方法计算出来便实现了对复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算，解决复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力精确预测的难题。

除此之外，通过本发明的方法计算的复杂曲面全路径铣削力可用于刀具磨损、加工变形分析；其刀具形式可覆盖平底刀、环形刀和球刀，应用范围广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提出的一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法流程图。

图2是本发明一实施例中计算切触点Pi的曲面参数方向单位切失和单位法失的矢量图。

图3是本发明一实施例中刀轴矢量序列按预设的步距和进退刀条件排列成有序序列的矢量图。

图4是本发明一实施例根据切触点P_i和x_i,j轴，建立截平面PL_i,j ^r的矢量图。

图5是本发明一实施例计算截平面PL_i,j ^r与刀具外形的交线B_i,j ¹和B_i,j ²的矢量图。

图6是本发明一实施例根据预设的切削深度，将曲面S偏置为S'，根据偏置曲面S'，将交线B_i,j ^r截断为B_i,j的矢量图。

图7是本发明一实施例将已切削表面集合{S_i+1 ^cut}前后两个已切削表面填充为已切削区域集合{R_i ^cut}的矢量图。

图8是本发明一实施例每个旋转角θ_i,j下刀具T每个刀齿切削刃E_k与已切削区域R_i ^cut的交线E_i ^a,k的矢量图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参阅附图1所示，根据本发明的实施例的一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法，所述计算方法为：

首先，提取刀位点文件的刀具中心点和刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}，并计算刀具T与曲面S的切触点P_i及其法矢n_i；

然后，将刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}按预设的步距和进退刀条件排列成有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}；

接着，计算有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具外形与曲面接触线，放样成切削区域{R_i ^cut}；

再次，计算有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具各条切削区域；

最后，建立微元切削力模型，采用微元法对切削刃进行积分和叠加，求得瞬态铣削力。

在本发明实施例中，首先根据刀位点文件中刀具中心点的位置以及刀具行进时刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}的方向，将刀轴矢量序列{(Q_i,m_i)按预设的步距和进退刀条件排列成有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}，这样根据有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}形成时刻变化的切削区域{R_i ^cut}，并计算计算有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具各条切削区域；最后，再建立微元切削力模型，采用微元法对切削刃进行积分和叠加，求得瞬态铣削力。本发明实施例提出的一种根据瞬时切削刃的瞬态铣削力识别的铣削力计算方法，可以根据每一个位置上瞬态铣削力计算出该位置的铣削力，然后将所有的瞬态铣削力全部按照上述方法计算出来便实现了对复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算，解决复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力精确预测的难题；通过本发明实施例的方法计算的复杂曲面全路径铣削力可用于刀具磨损、加工变形分析；其刀具形式可覆盖平底刀、环形刀和球刀，应用范围广泛。

具体地，有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具外形与曲面接触线的计算方法为：取有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}的任一列C_i中任一点(Q_i,j,m_i,j)，根据当前刀位点对应的切触点P_i和单位法失n_i，建立切平面PL_i,j ^t；提取下一刀位点对应的切触点P_i+1和单位法失n_i+1，计算矢量P_i+1－P_i在切平面PL_t上的投影，记为x_i,j轴；根据切触点P_i和x_i,j轴，建立截平面PL_i,j ^r；计算截平面PL_i,j ^r与刀具外形的交线B_i,j ¹和B_i,j ²，根据运动方向和有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}排列顺序确定材料去除侧，根据材料去除侧的方向，保留在材料去除侧的交线，记为B_i,j ^r；根据预设的切削深度，将曲面S偏置为S'，根据偏置曲面S'，将交线B_i,j ^r截断为B_i,j；遍历刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}中所有点，得到C_i对应的交线集合{B_i,j}。

具体地，所述切削区域的放样方法为曲面放样方法，所述曲面放样方法为：将交线集合{B_i,j}生成为已切削表面S_i ^cut；进而得到得到{C_i}对应的已切削表面集合{S_i ^cut}；将已切削表面集合{S_i+1 ^cut}前后两个已切削表面填充为已切削区域集合{R_i ^cut}。

具体地，有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具各条切削区域的计算方法为：根据预设的主轴转速和进给速度，将序列{C_i}中前后两个刀位点按旋转角增量Δθ线性插值，计算每个旋转角θ_i,j下刀具T每个刀齿切削刃E_k与已切削区域R_i ^cut的交线E_i ^a,k；根据截平面PL_i,j ^r和x_i,j轴，截取和判断交线E_i ^a,k在进给方向的切削刃E_i ^k；计算切削刃E_i ^k的切入角Φ_i ^st,k和切出角Φ_i ^ex,k；以当前旋转角θ_i,j和下一旋转角θ_i,j+1的刀具中心点连线为x轴、前旋转角θ_i,j的刀轴矢量为z轴，建立局部坐标系LCS，计算切入角Φ_i ^st,k和切出角Φ_i ^ex,k对应的切削刃上下限z_low ^k和z_up ^k。

具体地，所述微元切削力模型为：

式中，dE为切削刃长度微元；dz为切削刃高度微元；h(Φ)为切削厚度；K_te,K_re,K_ae为摩擦力系数；K_tc,K_rc,K_ac为剪切力系数。按切削刃上下限z_low和z_up进行积分，得到切削力F_t、F_r和F_a；根据局部坐标系LCS和全局坐标系MCS的对应关系，将F_t、F_r和F_a转换为F_x、F_y和F_z。

下面，以另一个具体的实施例来说明本发明实施例。

本发明实施例的一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力计算方法，包括以下步骤：

1.提取刀位点文件中的刀具中心点和刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}；

2.遍历刀轴矢量序列{(Q_i,m_i)}，结合铣刀几何外形，计算刀具T与曲面S的切触点P_i及其曲面参数u_i、v_i；

3.计算切触点P_i的曲面参数方向单位切失P_i ^u、P_i ^v和单位法失n_i，如附图2所示；

4.将刀轴矢量序列{(Q_i,m_i)}按照预设的步距变换为有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}，如附图3所示；

5.取有序序列{C_i}的某一列C_i；

6.取C_i中的某一点(Q_i,j,m_i,j)；

7.提取当前刀位点对应的切触点P_i和单位法失n_i，建立切平面PL_i,j ^t；

8.提取下一刀位点对应的切触点P_i+1和单位法失n_i+1，计算矢量P_i+1－P_i在切平面PL_t上的投影，记为x_i,j轴；

9.根据切触点P_i和x_i,j轴，建立截平面PL_i,j ^r，如附图4所示；

10.计算截平面PL_i,j ^r与刀具外形的交线B_i,j ¹和B_i,j ²(B_i,j ¹和B_i,j ²由切触点P_i断开)，根据运动方向和有序序列{C_i}排列顺序确定材料去除侧，根据材料去除侧的方向，保留在材料去除侧的交线，记为B_i,j ^r，如附图5所示；

11.根据预设的切削深度，将曲面S偏置为S'，根据偏置曲面S'，将交线B_i,j ^r截断为B_i,j，如附图6所示；

12.重复步骤7，得到C_i对应的交线集合{B_i,j}；

13.采用曲面放样方法，将交线集合{B_i,j}生成为已切削表面S_i ^cut；

17.重复步骤6，得到有序序列{C_i}对应的已切削表面集合{S_i ^cut}；

18.将已切削表面集合{S_i+1 ^cut}前后两个已切削表面填充为已切削区域集合{R_i ^cut}，如附图7所示；

19.根据预设的主轴转速和进给速度，将有序序列{C_i}中前后两个刀位点按旋转角增量Δθ线性插值，计算每个旋转角θ_i,j下刀具T每个刀齿切削刃E_k与已切削区域R_i ^cut的交线E_i ^a,k，如附图8所示；

20.根据截平面PL_i,j ^r和x_i,j轴，截取和判断交线E_i ^a,k在进给方向的切削刃E_i ^k；

21.计算切削刃E_i ^k的切入角Φ_i ^st,k和切出角Φ_i ^ex,k；

22.以当前旋转角θ_i,j和下一旋转角θ_i,j+1的刀具中心点连线为x轴、前旋转角θ_i,j的刀轴矢量为z轴，建立局部坐标系LCS，计算切入角Φ_i ^st,k和切出角Φ_i ^ex,k对应的切削刃上下限z_low ^k和z_up ^k；

23.建立微元切削力模型：

式中，dE为切削刃长度微元；dz为切削刃高度微元；h(Φ)为切削厚度；K_te,K_re,K_ae为摩擦力系数；K_tc,K_rc,K_ac为剪切力系数；

24.进行多组不同切削参数下的切削力系数标定试验，得到切削力系数经验公式；

25.对式(1)按切削刃上下限z_low和z_up进行积分，得到切削力F_t、F_r和F_a；根据局部坐标系LCS和全局坐标系MCS的对应关系，将F_t、F_r和F_a转换为F_x、F_y和F_z。

在本发明实施例中，首先根据刀位点文件中刀具中心点的位置以及刀具行进时刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}的方向，将刀轴矢量序列{(Q_i,m_i)按预设的步距和进退刀条件排列成有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}，这样根据有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}形成时刻变化的切削区域{R_i ^cut}，并计算计算有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具各条切削区域；最后，再建立微元切削力模型，采用微元法对切削刃进行积分和叠加，求得瞬态铣削力。本发明实施例提出的根据瞬时切削刃的瞬态铣削力识别的铣削力计算方法，可以根据每一个位置上瞬态铣削力计算出该位置的铣削力，然后将所有的瞬态铣削力全部按照上述方法计算出来便实现了对复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算，解决复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力精确预测的难题。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法，其特征在于，所述计算方法为：

提取刀位点文件的刀具中心点和刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}，并计算刀具T与曲面S的切触点P_i及其法矢n_i；

将刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}按预设的步距和进退刀条件排列成有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}；

计算有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具外形与曲面接触线，放样成切削区域{R_i ^cut}；

计算有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具各条切削区域；

建立微元切削力模型，采用微元法对切削刃进行积分和叠加，求得瞬态铣削力。

2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法，其特征在于，有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具外形与曲面接触线的计算方法为：取有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}的任一列C_i中任一点(Q_i,j,m_i,j)，根据当前刀位点对应的切触点P_i和单位法失n_i，建立切平面PL_i,j ^t；提取下一刀位点对应的切触点P_i+1和单位法失n_i+1，计算矢量P_i+1－P_i在切平面PL_t上的投影，记为x_i,j轴；根据切触点P_i和x_i,j轴，建立截平面PL_i,j ^r；计算截平面PL_i,j ^r与刀具外形的交线B_i,j ¹和B_i,j ²，根据运动方向和有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}排列顺序确定材料去除侧，根据材料去除侧的方向，保留在材料去除侧的交线，记为B_i,j ^r；根据预设的切削深度，将曲面S偏置为S'，根据偏置曲面S'，将交线B_i,j ^r截断为B_i,j；遍历刀轴矢量序列{(Q_i,m_i):(x_i,y_i,z_i,i_i,j_i,k_i)}中所有点，得到C_i对应的交线集合{B_i,j}。

3.根据权利要求2所述的一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法，其特征在于，所述切削区域的放样方法为曲面放样方法。

4.根据权利要求3所述的一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法，其特征在于，所述曲面放样方法为：将交线集合{B_i,j}生成为已切削表面S_i ^cut；进而得到得到{C_i}对应的已切削表面集合{S_i ^cut}；将已切削表面集合{S_i+1 ^cut}前后两个已切削表面填充为已切削区域集合{R_i ^cut}。

5.根据权利要求1所述的一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法，其特征在于，有序序列{C_i:{(Q_i，j,m_i，j)}}中刀具各条切削区域的计算方法为：根据预设的主轴转速和进给速度，将序列{C_i}中前后两个刀位点按旋转角增量Δθ线性插值，计算每个旋转角θ_i,j下刀具T每个刀齿切削刃E_k与已切削区域R_i ^cut的交线E_i ^a,k；根据截平面PL_i,j ^r和x_i,j轴，截取和判断交线E_i ^a,k在进给方向的切削刃E_i ^k；计算切削刃E_i ^k的切入角Φ_i ^st,k和切出角Φ_i ^ex,k；以当前旋转角θ_i,j和下一旋转角θ_i,j+1的刀具中心点连线为x轴、前旋转角θ_i,j的刀轴矢量为z轴，建立局部坐标系LCS，计算切入角Φ_i ^st,k和切出角Φ_i ^ex,k对应的切削刃上下限z_low ^k和z_up ^k。

6.根据权利要求1所述的一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法，其特征在于，所述微元切削力模型为：

式中，dE为切削刃长度微元；dz为切削刃高度微元；h(Φ)为切削厚度；K_te,K_re,K_ae为摩擦力系数；K_tc,K_rc,K_ac为剪切力系数。

7.根据权利要求6所述的一种复杂曲面五轴数控加工全路径铣削力的计算方法，其特征在于，按切削刃上下限z_low和z_up进行积分，得到切削力F_t、F_r和F_a；根据局部坐标系LCS和全局坐标系MCS的对应关系，将F_t、F_r和F_a转换为F_x、F_y和F_z。

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