CN111590393B - 超精密车削刀具干涉校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刀具干涉校验方法，可基于此方法指导超精密车削刀具选择。可通过不等式约束预先分离求解区域，实现干涉校验。利用最优化等数值方法实现零度前角及非零前角刀具前刀面干涉校验；同时可实现刀具刃口曲线干涉校验以及复杂后刀面干涉校验，其中复杂后刀面包括圆柱形、圆锥形及含有多个后角的复合后刀面情形。采用本发明提供的刀具干涉校验方法，能够预先校核刀具参数，避免由于刀具干涉问题引起的加工碰撞、工件及刀具损伤等问题。

Description

超精密车削刀具干涉校验方法

技术领域

本发明属于超精密加工、复杂零件制造技术领域，涉及一种超精密加工刀具干涉校验方法。

背景技术

超精密加工技术广泛应用于先进光学、生物医疗、环境工程等领域，超精密车削技术由于高效的加工效率及确定性的材料去除，成为了首选的超精密加工方式之一。近些年来，超精密加工技术发展迅猛，可加工材料由传统的铝、铜等金属材料，拓展到红外晶体等硬脆性材料。加工此类硬脆性材料，使用负前角刀具可有效抑制加工表面碎裂，延缓刀具磨损，在企业批量生产中得到青睐。与此同时，随着光学产业生态日益丰富，加工工件面型趋于多样化，复杂化。在加工过程中，如刀具选择不当，极有可能引发刀具与被加工工件发生干涉，从而影响加工表面质量，损坏刀具、影响机床精度及稳定性。

目前，采用的刀具干涉校验方法大多采用截面法提取工件表面信息，并定位到凹陷位置利用凹陷处的最小曲率半径确认刀鼻半径最大值，利用表面法矢变化极差确定刀具刃口包括角最小角度，最终实现零度刀具刀鼻半径及包括角参数选择。但此类方法不能实现非零前角刀具干涉校验，且现有方法对于刀具特征面校核尚不完备。在加工小口径深凹器件时，工程中会用到第二后角副后刀面刀具，而此前方法未涵盖刀具副后刀面干涉校核。故有必要提出一种新的刀具干涉校验方法实现任意前角刀具全面干涉校核方法，以在加工前指导刀具参数选择。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种能实现非零前角刀具干涉校验，全面校核刀具特征面的超精密车削刀具干涉校验方法。

一种超精密车削刀具干涉校验方法，具体步骤如下：

⑴建立刀具、工件、机床坐标系并在相应坐标系下得到刀具及工件数学表达式；

⑵由工件及刀具几何信息得到刀具控制点加工轨迹；

⑶选取第i个加工控制点P，并在机床坐标系下确定此时待加工工件数学表达式，以及控制点P处的刀具前刀面、后刀面等特征方程；

⑷利用同一时刻前刀面方程及工件表面方程求解干涉深度

⑸利用同一时刻后刀面方程及工件表面方程求解干涉深度

如有多个副后刀面，可利用同一时刻多个副后刀面方程及工件表面方程求解最小距离

…；

⑹重复步骤3～5，遍历加工轨迹任意点，并得到

最小值Δz¹，

最小值Δz²，

最小值Δz³；

⑺对比Δz¹、Δz²与切深大小关系，以此判断刀具前后刀面是否干涉；通过判断Δz³是否大于零，判断副后刀面是否干涉；同时，由于刀具刃口为前后刀面交线，如前后刀面都未发生干涉，则可保证刀具刃口未发生过切现象。

上述的刀具干涉校验方法中，步骤2输入的刀具轨迹包含利用离散控制点驱动刀具的点集数据；该方法可校核的刀具前角任意；刀具后刀面为参数可表达形状且允许有一个或多个副后刀面；在数值计算过程中，可基于工件初始位姿确定工件初始表面方程，并根据工件运动形式，确定任意刀具控制点对应时刻的工件表面方程；根据刀具控制点与刀具的相对几何关系，利用刀具几何参量，得到任意控制点处的刀具特征面方程；并在线性不等式约束及非线性不等式约束下求解任意控制点对应的刀具特征面与工件的干涉深度及最小距离；

本发明的优点和有益效果：

1、本方法可实现刀具前刀面干涉校验，适用于零度前角及非零前角刀具；

2、本方法可实现刀具刃口曲线的干涉校验；

3、本方法可实现刀具复杂后刀面干涉校验，其中复杂后刀面包括圆柱形、圆锥形及含有多个副后刀面的复合后刀面情形。

附图说明

图1超精密切削刀具三维模型；(1、前刀面；2、后刀面；3、副后刀面)

图2刀具几何参数示意图；

图3加工刀具轨迹图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

在实施例中，工件装夹在机床主轴上，可随机床C轴旋转，刀具在导轨驱动下可沿机床X轴及Z轴平移，在XZC三轴联动下实现刀具相对于工件表面沿螺旋线轨迹运动，实现材料去除及超精密加工。以刀尖点为坐标原点，建立刀具坐标系O_T-X_TY_TZ_T，如图1所示。以工件几何中心为原点建立机床坐标系O-XYZ，保证机床坐标系X，Z轴与机床实际X，Z导轨平行。同时在工件上建立工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W，并假设初始时刻工件坐标系与机床坐标系完全重合。

在实施例中，工件表面形状在工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W下可表达为：

z_w＝f(x_w,y_w)

刀具由前刀面，圆柱形后刀面，副后刀面及刀具多个侧面所组成，如图1所示。同时可根据刀具参数在刀具坐标系下得到刀具刃口曲线、前刀面、后刀面及副后刀面表达式。

选定刀尖点为刀具控制点，利用CAM软件或自编程程序得到刀具加工轨迹控制点轨迹，如图3所示。选择第i个控制点P，其坐标为P(x_i,y_i,z_i)，此时工件旋转角度为θ，在机床坐标系下工件表达式为：

同时，当刀具移动到控制点P处，刀具特征面在机床坐标系下面型可以描述为：

刃口曲线：

前刀面：

z＝y·cotα+z_i

后刀面：

副后刀面：

z＝y·tanγ+z_i+h₂(tanβ-tanγ)

其中上式中的符号意义分别为：刀具前角α，刀具后角β，第二后角γ，刀鼻半径r，刀具刃口包括角

以及前刀面刀高h₁，后刀面刀高h₂，副后刀面刀高h₃，刀具几何参数如图2所示。

在线性不等式约束及非线性不等式约束下预先选取判断范围，并利用最优化等数值方法求解前刀面与工件表面最大干涉距离

其中φ代表刀具刃口包括角。同样地，可也求解得到后刀面及副后刀面与工件表面最大干涉距离

遍历加工轨迹上的所有控制点，得到：

根据切削深度a进行刀具干涉校核，校核判定条件如下所示：

如计算校核结果同时满足以上三个条件，可判定刀具与工件不存在干涉情况，满足加工使用条件。如条件中有一项不满足，并分别根据条件1，2，3不满足项可具体分析得到是由前刀面，后刀面，副后刀面中的哪一个特征面干涉引起，并指导后续刀具参数优化。

在具体实施例中，工件材料选用红外单晶硅材料。工件表面设计口径为6.5mm，曲率半径为6mm的凹球面。刀具刀鼻半径为0.3mm，刀具刃口包括角φ＝120°，前角α＝-35°，第一后角β＝20°，第二后角γ＝40°。当前刀面高度h₁＝0.2mm，后刀面高度h₂＝0.3mm，副后刀面高度h₃＝0.3mm，并以2.9μm切深加工时。经干涉校验，刀具前刀面与工件最小距离为-2.9μm，刀具后刀面与工件最小距离为-2.9μm，刀具第二后刀面与工件的最小距离为0.1017mm。经过校验满足上述三个条件，可判断未发生刀具干涉情形，当前刀具参数可用于加工此面型工件。

Claims (4)

1.一种超精密加工刀具干涉校验方法，包括以下步骤：

建立刀具、工件、机床坐标系并在相应坐标系下得到刀具及工件数学表达式；

由工件及刀具几何信息得到刀具控制点加工轨迹；

选取第i个加工控制点P(x _i ,y _i ,z _i )，并在机床坐标系下确定此时待加工工件数学表达式，以及控制点P处的刀具前刀面、后刀面特征方程；

利用同一时刻前/后刀面方程及工件表面方程在线性不等式约束及非线性不等式约束下预先选取判断范围，并利用最优化数值方法求解前刀面与工件表面最大干涉距离

，后刀面与工件表面最大干涉距离

，副后刀面与工件表面最大干涉距离

；

重复步骤4，遍历加工轨迹任意点，并得到

最小值

，

最小值

，

最小值

；

对比

、

、

与切深大小关系，判断刀具前、后刀面是否干涉；

其中，控制点P(x _i ,y _i ,z _i )处的刀具特征方程为：

刃口曲线：

前刀面：

后刀面：

副后刀面：

式中：刀具前角α，刀具后角β，第二后角γ，刀鼻半径r；

其中，前刀面与工件表面最大干涉距离

利用下式求解：

刀具前角α，刀具后角β，前刀面刀高h ₁ ，刀鼻半径r，刀具刃口包括角φ；

根据切削深度a进行刀具干涉校核，校核判定条件如下所示：

如计算校核结果同时满足以上三个条件，可判定刀具与工件不存在干涉情况，满足加工使用条件；如条件中有一项不满足，并分别根据条件1，2，3不满足项可具体分析得到是由前刀面，后刀面，副后刀面中的哪一个特征面干涉引起，并指导后续刀具参数优化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的刀具的前角为零度或非零度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的刀具后刀面为圆柱面或圆锥面，有一个或多个副后刀面。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：.基于工件初始位姿确定工件初始表面方程，并根据工件运动形式，确定任意控制点对应时刻的工件表面方程；根据刀具控制点与刀具的相对几何关系，利用刀具几何参量，得到任意控制点处的刀具特征面方程。

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