CN113704928B - 基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法 - Google Patents
基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113704928B CN113704928B CN202111080130.7A CN202111080130A CN113704928B CN 113704928 B CN113704928 B CN 113704928B CN 202111080130 A CN202111080130 A CN 202111080130A CN 113704928 B CN113704928 B CN 113704928B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cutter
- milling
- workpiece
- tool
- motion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000003801 milling Methods 0.000 title claims abstract description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 32
- 238000003754 machining Methods 0.000 title claims description 15
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 11
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 9
- 238000012876 topography Methods 0.000 claims description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 2
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/04—Constraint-based CAD
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Numerical Control (AREA)
Abstract
一种基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法，根据刀轴倾斜铣削的刀具‑工件位置关系，确定铣削加工参数和刀具几何形状参数以及刀具运动轨迹方程，根据运动轨迹将刀具刃口和被铣削的工件分别离散化为点集后，对刀具离散点的运动轨迹和工件执行布尔运算，得到的最外空间包络边界即铣削加工产生的工件表面形貌，进而实现粗糙度参数计算和加工工艺参数优化。本发明通过切削刃几何的空间运动轨迹方程，基于可视化算法揭示表面宏微观纹理的形成规律，预测刀轴倾斜铣削情况下表面形貌，实现粗糙度参数计算和加工工艺参数优化。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法。
背景技术
表面粗糙度是表征表面质量的重要参数，决定了接触副的配合性质，也会影响机械零件的耐磨性、疲劳强度和啮合振动与噪声。表面粗糙度参数作为衡量零件加工质量的最通用的评价指标，直接决定关键零件的服役寿命和可靠性。尽管可以通过粗糙度仪测量零件的粗糙度，但这会增加实际的生产时间和制造成本。三维表面形貌的重构是计算粗糙度参数的前提。铣削是一种常用的加工方式，常用在复杂外形和特征的加工。因此，预测铣削表面的三维形貌，进而预测粗糙度参数，对控制加工表面质量、提高加工效率、合理优化切削参数及降低加工成本等具有重要意义。
现有技术主要集中在侧铣或者铣刀未倾斜情况下的表面形貌预测，将刀尖轨迹沿着刀具轮廓方程进行扫略，获得铣削表面形貌，或运用dexel线条方法，建立刀具模型和工件模型，并考虑表面轮廓的随机组分，仿真了侧铣表面形貌，或基于刀具和工件的扫略点云技术预测表面形貌，但这些技术均未考虑刀具倾斜情况下的侧铣表面形貌。
发明内容
本发明针对现有技术没有考虑刀轴倾斜情况下铣削表面的宏观和微观有序纹理的不足，提出一种基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法，通过切削刃几何的空间运动轨迹方程，基于可视化算法揭示表面宏微观纹理的形成规律，预测刀轴倾斜铣削情况下表面形貌，实现粗糙度参数计算和加工工艺参数优化。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法，根据刀轴倾斜铣削的刀具-工件位置关系，确定铣削加工参数和刀具几何形状参数以及刀具运动轨迹方程，根据运动轨迹将刀具刃口和被铣削的工件分别离散化为点集后，对刀具离散点的运动轨迹和工件执行布尔运算，得到的最外空间包络边界即铣削加工产生的工件表面形貌，进而实现粗糙度参数计算和加工工艺参数优化。
所述的刀具运动轨迹方程为：
其中：(xw,yw,zw)为工件坐标系下刀具的接触点坐标，θ为铣刀倾斜角度，(xt0,yt0,zt0)为刀具切削刃上的一点P在刀具坐标系Ot-XtYtZt下的坐标，n为主轴转速，t为时间，k为齿数，fz为每齿进给量，(lx0,ly0,lz0)是刀具坐标系原点Ot与工件坐标系原点Ow之间的空间距离。
所述的布尔运算是指：将离散化的刀具点沿着刀具运动轨迹方程进行扫略，具体为：将刀具离散点的运动轨迹和工件执行布尔运算，两者相交意味表面轮廓的生成，布尔运算得到的最外空间包络边界即铣削加工产生的工件表面形貌。
所述的粗糙度参数计算和加工工艺参数优化，具体为：仿真不同参数下得到的倾斜铣削表面宏观和微观纹理，分析刀轴前倾角、刀具直径、每齿进给量对表面宏观和微观形貌的影响；当了解了工艺参数对表面形貌的影响后，在不用测量粗糙度的情况下评估加工表面质量，并优化工艺参数。
技术效果
与现有技术相比，本发明可以充分利用Matlab的向量化的功能，对刀具离散点和工件离散点执行快速的布尔运算并仿真表面形貌。可以模拟刀轴倾斜情况下的铣削表面形貌，为后续计算粗糙度参数和优化加工工艺提供基础。可以更加深入理解铣削表面的几何运动学创成过程。可以在不用测量粗糙度的情况下，评估加工表面质量，并优化工艺参数。
附图说明
图1为刀轴倾斜铣削的刀具-工件空间位置关系示意图；
图2为铣削表面形貌的宏观纹理仿真结果示意图；
图3为加工表面宏观沟槽深度随刀轴前倾角的变化示意图；
图4为加工表面宏观沟槽深度随刀具直径的变化示意图；
图5为铣削表面形貌的微观纹理仿真结果示意图；
图6为加工表面微观纹理最大残留高度随每齿进给量的变化曲线示意图；
图7为本发明流程图。
具体实施方式
本实施例涉及一种铣削加工表面宏微观有序纹理创成分析系统，包括：倾斜铣削刀具运动轨迹生成单元、表面形貌仿真单元、表面粗糙度参数计算单元和倾斜铣削工艺参数优化单元，其中：倾斜铣削刀具运动轨迹生成单元根据输入的铣削工艺参数和刀具几何参数信息，生成一系列离散的刀具运动轨迹；表面形貌仿真单元根据离散的刀具运动轨迹，执行布尔运算，得到倾斜铣削表面形貌；表面粗糙度参数计算单元根据仿真得到的表面形貌，计算所需要的粗糙度参数，比如Sa,Ra等；倾斜铣削工艺参数优化单元根据铣削参数、刀具几何参数和仿真的粗糙度的对应关系，优化工艺参数和刀具几何形状，得到使表面粗糙度最小的加工工艺参数。
如图7所示，为本实施例基于上述系统的铣削加工表面宏微观有序纹理创成分析方法，包括以下步骤：
步骤1)如图1所示，根据刀轴倾斜铣削的刀具-工件位置关系，确定铣削加工参数和刀具几何形状参数：齿数为k的刀具在切削深度ap、倾斜角度θ下沿工件表面Xw方向移动的每齿进给量是fz，转速是n；在初始时刻，刀具切削刃上的一点P在刀具坐标系Ot-XtYtZt下的坐标是(xt0,yt0,zt0)，刀具坐标系原点Ot与工件坐标系原点Ow之间的空间距离是(lx0,ly0,lz0)。
步骤2)确定刀具运动轨迹方程：随着时间t的推移，点P在工件坐标系上的空间运动轨迹满足：
将刀具刃口离散成系列密集点，并将被铣削的工件同样离散化为一系列点。
步骤3)对刀具运动轨迹和工件执行布尔运算：将离散化的刀具点沿着空间运动轨迹约束进行扫略，即将刀具离散点的运动轨迹和工件执行布尔运算，两者相交意味表面轮廓的生成，布尔运算得到的最外空间包络边界即铣削加工产生的工件表面形貌。
步骤4)对仿真的倾斜铣削表面宏观纹理进行参数化分析：如图2所示，在每齿进给量0.1mm/z，步距1.4mm，刀轴前倾角10°条件下铣削表面形貌的宏观纹理仿真结果。宏观纹理呈现为平行、有序排布的沟槽阵列，且这些沟槽都形似椭圆。
刀具直径、前倾角以及走刀步距是影响铣削表面宏观沟槽纹理的主要工艺因素，而发生变化的沟槽特征主要有宽度、深度和曲率。宏观沟槽的宽度与走刀步距相同，深度与刀轴前倾角、刀具直径有关。如图3所示，为在切深0.3mm，走刀步距1.4mm，刀具直径20mm条件下，已加工表面宏观沟槽深度随刀轴前倾角的变化。
如图4所示，在刀轴前倾角10°条件下，已加工表面宏观沟槽深度随刀具直径的变化。可以看出，随着刀轴前倾角增加，表面宏观沟槽深度逐渐增加并向25μm趋势线靠拢。当刀具直径增大时，表面宏观沟槽深度则是呈减小趋势，趋近于零。
步骤5)对仿真的倾斜铣削表面微观纹理进行参数化分析：如图5所示，为在每齿进给量0.1mm/z，步距1.4mm，刀轴前倾角10°条件下铣削表面形貌的微观纹理仿真结果。微观纹理在刀具进给方向上有序起伏，每齿划痕之间残留有一定高度，其主要影响因素是每齿进给量和刀尖圆角形状。
如图6所示，使用本方法密齿刀具在不同每齿进给量下加工表面微观纹理的最大残留高度变化曲线。仿真的切削工具是整体硬质合金铣刀，直径12mm，齿数4。工件材料是铝合金。可以看出，随着每齿进给量从0.02mm/z向0.2mm/z增加，刀具进给方向上的最大残留高度从0.01μm逐渐增加到0.7μm，且增加趋势逐渐变快。该残留高度是由于刀具刀齿的周期性切削作用导致的，是决定表面粗糙度大小的主要纹理成分。理论模型的预测趋势与实际生产经验相符合。
本方法通过考虑了刀轴的倾斜角θ的模型，将刀具离散点的运动轨迹和工件执行布尔运算，两者相交意味表面轮廓的生成，布尔运算得到的最外空间包络边界即铣削加工产生的工件表面形貌，从而显著提高了计算效率，从而能够适用于各类倾斜铣削工况下的表面形貌快速预测。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (3)
1.一种基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法，其特征在于，根据刀轴倾斜铣削的刀具-工件位置关系，确定铣削加工参数和刀具几何形状参数以及刀具运动轨迹方程，根据运动轨迹将刀具刃口和被铣削的工件分别离散化为点集后，对刀具离散点的运动轨迹和工件执行布尔运算，得到的最外空间包络边界即铣削加工产生的工件表面形貌，进而实现粗糙度参数计算和加工工艺参数优化；
所述的刀具运动轨迹方程为：
其中：(xw,yw,zw)为工件坐标系下刀具的接触点坐标，θ为铣刀倾斜角度，(xt0,yt0,zt0)为刀具切削刃上的一点P在刀具坐标系Ot-XtYtZt下的坐标，n为主轴转速，t为时间，k为齿数，fz为每齿进给量，(lx0,ly0,lz0)是刀具坐标系原点Ot与工件坐标系原点Ow之间的空间距离；
所述的布尔运算是指：将离散化的刀具点沿着刀具运动轨迹方程进行扫略，具体为：将刀具离散点的运动轨迹和工件执行布尔运算，两者相交意味表面轮廓的生成，布尔运算得到的最外空间包络边界即铣削加工产生的工件表面形貌；
所述的粗糙度参数计算和加工工艺参数优化，具体为：仿真不同参数下得到的倾斜铣削表面宏观和微观纹理，分析刀轴前倾角、刀具直径、每齿进给量对表面宏观和微观形貌的影响；当了解了工艺参数对表面形貌的影响后，在不用测量粗糙度的情况下评估加工表面质量，并优化工艺参数。
2.根据权利要求1所述的基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法，其特征是，具体包括：
步骤1)根据刀轴倾斜铣削的刀具-工件位置关系，确定铣削加工参数和刀具几何形状参数：齿数为k的刀具在切削深度ap、倾斜角度θ下沿工件表面Xw方向移动的每齿进给量是fz，转速是n；在初始时刻，刀具切削刃上的一点P在刀具坐标系Ot-XtYtZt下的坐标是(xt0,yt0,zt0)，刀具坐标系原点Ot与工件坐标系原点Ow之间的空间距离是(lx0,ly0,lz0)；
步骤2)确定刀具运动轨迹方程：随着时间t的推移，点P在工件坐标系上的空间运动轨迹满足：将刀具刃口离散成系列密集点，并将被铣削的工件同样离散化为一系列点，
步骤3)对刀具运动轨迹和工件执行布尔运算：将离散化的刀具点沿着空间运动轨迹约束进行扫略，即将刀具离散点的运动轨迹和工件执行布尔运算，两者相交意味表面轮廓的生成，布尔运算得到的最外空间包络边界即铣削加工产生的工件表面形貌，
步骤4)对仿真的倾斜铣削表面宏观纹理进行参数化分析：在每齿进给量0.1mm/z，步距1.4mm，刀轴前倾角10°条件下铣削表面形貌的宏观纹理仿真结果，宏观纹理呈现为平行、有序排布的沟槽阵列，且这些沟槽都形似椭圆，
步骤5)对仿真的倾斜铣削表面微观纹理进行参数化分析：当每齿进给量0.1mm/z，步距1.4mm，刀轴前倾角10°条件下铣削表面形貌的微观纹理仿真结果，微观纹理在刀具进给方向上有序起伏，每齿划痕之间残留有一定高度，其主要影响因素是每齿进给量和刀尖圆角形状。
3.一种实现权利要求1或2所述方法的铣削加工表面宏微观有序纹理创成分析系统，其特征在于，包括：倾斜铣削刀具运动轨迹生成单元、表面形貌仿真单元、表面粗糙度参数计算单元和倾斜铣削工艺参数优化单元，其中：倾斜铣削刀具运动轨迹生成单元根据铣削工艺参数和刀具几何参数信息，生成一系列离散的刀具运动轨迹，表面形貌仿真单元根据离散的刀具运动轨迹进行布尔运算得到倾斜铣削表面形貌，表面粗糙度参数计算单元根据仿真得到的表面形貌，计算所需要的粗糙度参数，倾斜铣削工艺参数优化单元根据铣削参数、刀具几何参数和仿真的粗糙度的对应关系，优化工艺参数和刀具几何形状，得到使表面粗糙度最小的加工工艺参数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111080130.7A CN113704928B (zh) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111080130.7A CN113704928B (zh) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113704928A CN113704928A (zh) | 2021-11-26 |
| CN113704928B true CN113704928B (zh) | 2023-11-14 |
Family
ID=78660551
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111080130.7A Active CN113704928B (zh) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113704928B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114444297B (zh) * | 2022-01-21 | 2024-10-22 | 安徽理工大学 | 一种旋风铣削中螺纹工件表面形貌的预测方法 |
| CN116740317B (zh) * | 2023-08-14 | 2023-11-03 | 济南邦德激光股份有限公司 | 一种用于激光数控的三维仿真可视化展示方法及设备 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102592035A (zh) * | 2012-03-20 | 2012-07-18 | 北京航空航天大学 | 一种车铣复合切削加工表面粗糙度及表面形貌仿真预测方法 |
| CN102681488A (zh) * | 2012-05-24 | 2012-09-19 | 南京航空航天大学 | 一种铣削加工工件表面形貌的建模方法 |
| CN107577882A (zh) * | 2017-09-12 | 2018-01-12 | 电子科技大学 | 一种侧铣直纹曲面的表面形貌建模及成型的仿真方法 |
| CN110270705A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-09-24 | 东北大学 | 考虑刀具跳动影响的微细铣削加工切削力仿真预测方法 |
| CN110488746A (zh) * | 2019-08-27 | 2019-11-22 | 江苏集萃精凯高端装备技术有限公司 | 一种基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法 |
| CN111618657A (zh) * | 2020-05-21 | 2020-09-04 | 西安交通大学 | 一种铣刀偏心参数的通用在机非接触标定方法 |
-
2021
- 2021-09-15 CN CN202111080130.7A patent/CN113704928B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102592035A (zh) * | 2012-03-20 | 2012-07-18 | 北京航空航天大学 | 一种车铣复合切削加工表面粗糙度及表面形貌仿真预测方法 |
| CN102681488A (zh) * | 2012-05-24 | 2012-09-19 | 南京航空航天大学 | 一种铣削加工工件表面形貌的建模方法 |
| CN107577882A (zh) * | 2017-09-12 | 2018-01-12 | 电子科技大学 | 一种侧铣直纹曲面的表面形貌建模及成型的仿真方法 |
| CN110270705A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-09-24 | 东北大学 | 考虑刀具跳动影响的微细铣削加工切削力仿真预测方法 |
| CN110488746A (zh) * | 2019-08-27 | 2019-11-22 | 江苏集萃精凯高端装备技术有限公司 | 一种基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法 |
| CN111618657A (zh) * | 2020-05-21 | 2020-09-04 | 西安交通大学 | 一种铣刀偏心参数的通用在机非接触标定方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113704928A (zh) | 2021-11-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113704928B (zh) | 基于加工物理过程的倾斜铣削表面形貌创成方法 | |
| Zhu et al. | Research on rotary surface topography by orthogonal turn-milling | |
| JP6659723B2 (ja) | 材料を除去することによって工具を機械加工する方法及び装置 | |
| Billingham et al. | Mathematical modelling of abrasive waterjet footprints for arbitrarily moving jets: part II—overlapped single and multiple straight paths | |
| Erdim et al. | Feedrate scheduling strategies for free-form surfaces | |
| Shujuan et al. | Geometrical simulation and analysis of ball-end milling surface topography | |
| CN102133736B (zh) | 通过切割束切割材料层的方法 | |
| Darafon et al. | 3D metal removal simulation to determine uncut chip thickness, contact length, and surface finish in grinding | |
| Antoniadis et al. | Prediction of surface topomorphy and roughness in ball-end milling | |
| Yao et al. | Effects of tool orientation and surface curvature on surface integrity in ball end milling of TC17 | |
| Bagci et al. | The Effects of Milling Strategies on Forces, Material Removal Rate, Tool Deflection, and Surface Errors for the Rough Machining of Complex Surfaces. | |
| TWI453078B (zh) | 一種五軸曲面側銑加工系統及其路徑規劃方法 | |
| Karaguzel et al. | Process modeling of turn-milling using analytical approach | |
| Denkena et al. | Kinematic and stochastic surface topography of machined TiAl6V4-parts by means of ball nose end milling | |
| CN113145905B (zh) | 发动机缸体顶面铣削刀痕测量预测及优化方法及装置 | |
| Kang et al. | Characteristics of inclined planes according to the variations of cutting direction in high-speed ball-end milling | |
| Zhang et al. | Modeling of surface topography based on relationship between feed per tooth and radial depth of cut in ball-end milling of AISI H13 steel | |
| CN113204852B (zh) | 一种球头铣刀铣削加工表面形貌预测方法及系统 | |
| Nespor et al. | Surface topography after re-contouring of welded Ti-6Al-4V parts by means of 5-axis ball nose end milling | |
| Wang et al. | Modeling of surface topography based on cutting vibration in ball-end milling of thin-walled parts | |
| Liu et al. | Iteration-based error compensation for a worn grinding wheel in solid cutting tool flute grinding | |
| Gdula | Adaptive method of 5-axis milling of sculptured surfaces elements with a curved line contour | |
| CN114417526A (zh) | 一种适用于不同磨削加工表面形貌的精确预测方法 | |
| Kundrak et al. | Topography of the machined surface in high performance face milling | |
| CN112387995B (zh) | 一种自由曲面超精密车削后表面形貌预测方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |