CN116047994A - 一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法。该方法首先对复杂曲面摆线铣削进行区域划分，并建立三维空间与平面等参数域的映射关系；然后，基于摆线铣削动力学稳定性预测模型，通过控制刀具加工过程中刀具‑工件间的啮合角恒定，保持刀具切削负载稳定，在等参数域内规划变半径类摆线铣削刀具路径，并将参数域内类摆线轨迹逆映射到三维加工表面；最后，以尽量减少对机床旋转轴的使用频率/时间为目标，优化类摆线切削行程中刀具姿态，获得适用于复杂曲面的类摆线铣削轨迹。本发明提出的类摆线铣削轨迹生成方法能有效地控制加工过程中刀具‑工件啮合角与空切行程，提高轨迹规划精度和效率。
Description
技术领域
本发明属于机械加工制造领域，具体涉及一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法。
背景技术
航空机匣等复杂曲面零件具有表面形态特征多样、余量分布无规则、加工精度要求高以及材料去除率大等特性，在加工该类零件时，环切、行切等传统加工刀轨中含有大量凹凸拐角，易加剧刀具和工件之间啮合角的波动起伏，导致切削载荷突变、切削温度升高、刀具磨损严重、表面质量差等问题。摆线铣削是解决上述问题的有效手段，摆线加工以平滑过渡的曲线轨迹分多次逐步去除材料，切削合力变化较平稳，能较好地降低刀具负载，有效地避免了对机床的剧烈冲击。
查阅现有技术与文献发现，文献“M,Otkur,and,et al.Trochoidal milling[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2007.”提出了一种摆线铣削建模方法，并公开了一种双摆线铣削轨迹规划方法，有效提高了摆线铣削的加工效率；文献“Wang C,Li B,Wu S,et al.Trochoidal machining for the high-speed millingof pockets[J].Journal of Materials Processing Technology,2016.”提出了一种适合型腔余摆线铣削加工的控制策略，指出通过增加切削轴向深度，余摆线铣削法的铣削效率和刀具磨损均优于进给率调节法；发明专利CN108845541A公开了一种自由曲线边界型腔粗加工摆线铣轨迹规划方法,使得刀具-工件的啮合角在摆线加工过程中始终较小值，进而保证刀具负载的平稳并减小刀具磨损。但是，以上研究和技术主要集中在刀具进给速度优化和切削力阈值设定方面，而很少关注摆线铣削加工的稳定性问题，不合理的摆线步距、半径等轨迹参数会诱发甚至导致颤振等问题；现有的摆线模型的单个切削周期内，刀具-工件啮合角随着加工进程不断变化，啮合角仅在一个点达到最大值，而大部分切削位置啮合角都低于最大值，由于刀具径向切深与啮合角存在一定的对应关系，刀具的径向切深也呈周期性变化，影响切削稳定性；此外，传统摆线路径不仅对复杂加工区域适应性差，而且每个摆线周期都有不小的空切行程，使得加工轨迹增加，容易出现刀具轨迹重叠、冗余，影响加工效率。因此，如何有效地控制加工过程中刀具-工件啮合角与空切行程，是生成具有高切削稳定性刀轨亟待解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法，结合摆线铣削动力学模型，采用迭代延长轨迹优化方法，控制刀具加工过程中刀具-工件啮合角恒定，在单个刀具轨迹周期内分段规划摆线铣削轨迹，在保证加工稳定性的前提下，保持稳定的材料去除率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法，包括以下步骤：
步骤1、获取复杂曲面形貌特征信息，划分类摆线加工区域。
步骤2、建立三维空间与平面等参数域之间的空间映射关系，获得等参数域内加工区域边界，并以加工边界П的偏置曲线作为轨迹引导线Ι。
步骤3、建立摆线铣削动力学模型，获得三维稳定边界，预设主轴转速n、轴向切深ap和径向切深ae等动力学参数，求解实现稳定切削的摆线步距阈值Str[Strmin,Strmax]。然后在等参数域内规划单周期变半径摆线铣削轨迹，具体如下：
(1)在所求摆线步距阈值Str中选定期望步距Str0，获取刀具位置角
摆线半径R与刀具-工件啮合角
的关系；考虑刀具寿命、加工精度等因素，以减少加工时间为目标，优化动力学切削参数，确定临界刀具-工件啮合角θ0。
(2)从切入段切削轨迹Lr、中间段切削轨迹Lz、切出段切削轨迹Lc三段对类摆线铣削段轨迹进行规划：
①切入段切削轨迹Lr
切入段切削轨迹Lr沿用余摆线模型切削轨迹。设S为切入段切削轨迹起点，O点为刀具圆心，刀具轮廓与前一周期切削轨迹交于点D，与当前周期的切削轨迹切点为Cn，
与
的夹角为刀具-工件啮合角θ。d是过点D且与轨迹引导线Ι相平行的方向曲线与当前周期内切削轨迹的交点，将d作为切入段切削轨迹终点En。根据(1)中所述临界刀具-工件啮合角
在当前周期内求解刀具-工件啮合角为θ0时刀具位置角
表示切削轨迹L中刀具-工件啮合角不小于θ0的刀具位置角范围，此时的切入段切削轨迹Lr不能唯一确定，将当前加工区域最大内切圆半径Rmax预设为类摆线轨迹初始半径R1，在中间段切削轨迹Lz中需要对R1进一步优化；
②中间段切削轨迹Lz
设切削轨迹LSEn为过程切削轨迹Li(i为迭代次数)。为保证刀具在中间切削路径Lz切削过程中啮合角尽可能接近临界值θ0，基于过程切削轨迹Li，采用迭代延长轨迹优化方法获得中间切削路径Lz。其中，迭代延长轨迹优化方法步骤如下：
A.离散切削轨迹Li，获得刀具切触点集合U＝{u1,u2,...,ui-1,ui}，将点En引入U内生成新的点集合U＝{u1,u2,...,ui-1,ui,En}；
B.获取U中第一点与最后一点型值点坐标U(first)＝[Sxi,Syi]、U(end)＝[Exi,Eyi]，并求取两点处的切线向量：起点
和终点切向量
利用上述4组参数在S、En两点之间通过样条插值获取切削轨迹Lg；
C.建立切削轨迹Lg的三次参数样条函数H，以U和H的拟合优度和均方差为优化目标，利用共轭方向法确定U(first)、U(end)、
最优值组合参数，将求解出的参数代入三次参数样条函数中，构造新的过程切削轨迹Li+1；
D.判断过程切削轨迹Li+1是否超出加工边界П：若超出切削边界，直接将过程切削轨迹Li作为中间段切削轨迹Lz，继续步骤E，否则转回步骤A；
E.求解切削轨迹中刀具-工件啮合角恒定为θ0的角位移
设
为期望角范围，判断在中间段切削轨迹Lz中是否满足
的要求：若不满足期望，转回步骤①，优化切入段轨迹中摆线半径R1，获得新的切入段轨迹Lr；若满足期望，输出中间段切削轨迹Lz；
③切出段切削轨迹Lc
中间切削轨迹Lz与加工边界П的公共内切圆弧
过渡连接，交点分别为J1和J2，设
为J1点处切线向量，
为J2点切线向量，将圆弧
设为初始切出段切削轨迹Lz0；为保证摆线加工过程的稳定性，类摆线曲率半径Rtro需要满足Rtro≥KRtool，其中，Rtool为刀具半径；K为经验系数，优化获得J1型值点及对应切线向量，进一步得到切出段切削轨迹Lc。为保证切削轨迹的曲率连续性，类似迭代延长轨迹优化方法中步骤C，在S和J2之间优化并构造完整的切削轨迹L。若切出段切削轨迹无法满足Rtro≥KRtool时，优化R1，转回步骤①；
(3)非切削段轨迹规划：非切削段轨迹无需考虑刀具切削稳定性，所以非切削段轨迹以直线为主。为保证非切削段轨迹与切削段轨迹之间进行平滑的过渡，分别在起点S(切入点)和终点J2(切出点)处做切线圆弧，得到切入段过渡轨迹Le1和切出段过渡轨迹Le2，两条过渡轨迹通过的公共切线相连接，进而得到完整的单个切削周期内的摆线铣削轨迹L。
步骤4、将摆线铣削轨迹向刀轴方向偏置，获得类摆线刀具切削轨迹Ci；以Ci为单元刀轨，沿轨迹引导线Ι多次迭代生成等参类摆线轨迹X，覆盖等参数加工区域。
步骤5、将所述等参类摆线轨迹X逆映射到三维加工表面Μ，并考虑机床的运动特性，尽量减少切削过程中对旋转轴的使用频率，同时兼顾切削振动等约束条件，优化类摆线刀轨中刀轴位姿变化，对局部刀轨进行调整，最终获得三维类摆线加工刀轨Z。
本发明的有益效果：
(1)通过铣削动力学模型获取类摆线铣削稳定性边界，在稳定阈值内择优选取类摆线步距、曲率半径等轨迹参数，保证铣削加工的稳定性，有效提高刀轨规划效率和精度。
(2)以摆线刀轨为基础，类摆线铣削轨迹通过多段样条插值得到，兼具摆线轨迹的光顺性和自由曲线的灵活性，克服现有摆线加工策略下因径向切深变化导致材料去除率不稳定的问题；此外，在空切行程中，用直线轨迹代替摆线策略中的曲线轨迹，减小刀轨长度，提升加工效率。
附图说明
图1为本发明具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法流程图；
图2为本发明摆线铣削加工三维稳定性叶瓣图；
图3为本发明不同摆线半径下刀具位置角与刀具-工件啮合角的关系图；
图4为本发明类摆线切入段切削轨迹示意图；
图5为本发明过程切削轨迹出切削边界示例；
图6为本发明迭代延长轨迹优化法轨迹示意图；
图7为本发明迭代延长轨迹优化法流程图；
图8为本发明类摆线切出段切削轨迹示意图；
图9为本发明单周期摆线铣削轨迹示意图；
图10为本发明类摆线刀具位置角与刀具-工件啮合角的关系图；
图11为本发明沿轨迹引导线生成的类摆线刀具轨迹示意图；
图12为本发明将等参类摆线轨迹逆映射到三维加工表面示意图
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
参见图1，一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法，它包括以下步骤：
步骤1、获取复杂曲面形貌特征信息，划分类摆线加工区域。
步骤2、建立三维空间与平面等参数域之间的空间映射关系，获得等参数域内加工区域边界，并以加工边界П的偏置曲线作为轨迹引导线Ι。
步骤3、建立摆线铣削动力学模型，如图2所示为摆线铣削加工的三维稳定边界图，据此预设主轴转速n、轴向切深ap和径向切深ae等动力学参数，求解实现稳定切削的摆线步距阈值Str[Strmin,Strmax]，在等参数域内规划单周期变半径摆线铣削轨迹。
在所求步距阈值Str中选定期望步距Str0，参见图3，获取刀具位置角
摆线半径R与刀具-工件啮合角
的关系；
(1)考虑刀具寿命、加工精度等因素，以减少加工时间为目标，优化动力学切削参数，确定临界刀具-工件啮合角θ0。
(2)从切入段切削轨迹Lr、中间段切削轨迹Lz、切出段切削轨迹Lc三段对类摆线铣削段轨迹进行规划：
①切入段切削轨迹Lr
切入段切削轨迹Lr沿用余摆线模型切削轨迹。参见图4，设S为切入段切削轨迹起点，O点为刀具圆心，刀具轮廓与前一周期切削轨迹交于点D，与当前周期的切削轨迹切点为Cn，
与
的夹角为刀具-工件啮合角θ。d是过D且与轨迹引导线Ι相平行的方向曲线与当前周期内切削轨迹的交点，将d作为切入段切削轨迹终点En。根据(1)中所述刀具-工件啮合角
在当前周期内求解刀具-工件啮合角为θ0时刀具位置角
表示切削轨迹L中刀具-工件啮合角不小于θ0的刀具位置角范围，此时的切入段切削轨迹Lr不能唯一确定，将当前加工区域最大内切圆半径Rmax预设为类摆线轨迹初始半径R1，在中间段切削轨迹Lz中需要对R1进一步优化；
②中间段切削轨迹Lz
参见图5，设切削轨迹
为过程切削轨迹Li(i为迭代次数)。为保证刀具在中间切削路径Lz切削过程中啮合角尽可能接近临界值θ0，基于过程切削轨迹Li，采用迭代延长轨迹优化方法获得中间切削路径Lz。
参见图6，迭代延长轨迹优化方法步骤如下：
A.离散切削轨迹Li，获得刀具切触点集合U＝{u1,u2,...,ui-1,ui}，将点En引入U内生成新的点集合U＝{u1,u2,...,ui-1,ui,En}；
B.获取U中第一点与最后一点型值点坐标U(first)＝[Sxi,Syi]、U(end)＝[Exi,Eyi]，并求取两点处的切线向量：起点
和终点切向量
利用上述4组参数在两S、En点之间通过样条插值获取切削轨迹Lg；
C.建立切削轨迹Lg的三次参数样条函数H，以U和H的拟合优度和均方差为优化目标，利用共轭方向法确定U(first)、U(end)、
最优值组合参数，将求解出的参数代入三次参数样条函数中，构造新的过程切削轨迹Li+1；
D.参见图7，判断过程切削轨迹Li+1是否超出切削边界П：若超出切削边界，直接将过程切削轨迹Li作为中间段切削轨迹Lz，继续步骤E，否则转回步骤A；
E.求解切削轨迹中刀具-工件啮合角恒定为θ0的角位移
设
为期望角范围，判断在中间段切削轨迹Lz中是否满足
的要求：若不满足期望，转回步骤①，优化切入段轨迹中摆线半径R1，获得新的切入段轨迹Lr；若满足期望，输出中间段切削轨迹Lz；
③切出段切削轨迹Lc
参见图8，中间切削轨迹Lz与加工边界П的公共内切圆弧
过渡连接，交点分别为J1和J2，设
为J1点切线向量，
为J2点切线向量，将圆弧
设为初始切出段切削轨迹Lz0；为保证摆线加工过程的稳定性，类摆线曲率半径需要满足Rtro≥KRtool(Rtool为刀具半径；K为经验系数，一般取0.4)，优化获得J1型值点及对应切线向量，进一步得到切出段切削轨迹Lc。为保证切削轨迹的曲率连续性，类似迭代延长轨迹优化方法中步骤C，在S和J2之间优化并构造完整的切削轨迹L。若切出段切削轨迹无法满足Rtro≥KRtool时，优化R1，转回步骤①；
(3)非切削段轨迹无需考虑刀具切削稳定性，所以非切削段轨迹以直线为主。参见图9，为保证非切削段轨迹与切削段轨迹之间进行平滑的过渡，分别在起点S(切入点)和终点J2(切出点)处做切线圆弧，得到切入段过渡轨迹Le1和切出段过渡轨迹Le2，两条过渡轨迹通过的公共切线相连接，进而得到完整的单个切削周期内的摆线铣削轨迹L；参见图10，摆线铣削轨迹L在单个切削周期内的刀具-工件啮合角θ能长时间保持恒定，有效提高切削效率。
步骤4、参见图11，将摆线铣削轨迹向刀轴方向偏置，获得类摆线刀具切削轨迹Ci；以Ci为单元刀轨，沿轨迹引导线Ι多次迭代生成等参类摆线刀轨X，覆盖等参数加工区域。
步骤5、参见图12，将所述等参类摆线轨迹X逆映射到三维加工表面Μ，并考虑机床的运动特性，尽量减少切削过程中对旋转轴的使用频率，同时兼顾切削振动等约束条件，优化类摆线刀轨中刀轴位姿变化，对局部刀轨进行调整，最终获得三维类摆线加工刀轨Z。
Claims (3)
1.一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取复杂曲面形貌特征信息，划分类摆线加工区域；
步骤2、建立三维空间与平面等参数域之间的空间映射关系，获得等参数域内加工区域边界，并以加工边界П的偏置曲线作为轨迹引导线Ι；
步骤3、建立摆线铣削动力学模型，获得三维稳定边界，预设主轴转速n、轴向切深ap和径向切深ae等动力学参数，求解实现稳定切削的摆线步距阈值Str[Strmin,Strmax]；然后在等参数域内规划单周期变半径摆线铣削轨迹；
步骤4、将摆线铣削轨迹向刀轴方向偏置，获得类摆线刀具切削轨迹Ci；以Ci为单元刀轨，沿轨迹引导线Ι多次迭代生成等参类摆线轨迹X，覆盖等参数加工区域；
步骤5、将所述等参类摆线轨迹X逆映射到三维加工表面Μ，并考虑机床的运动特性，尽量减少切削过程中对旋转轴的使用频率，同时兼顾包括切削振动的约束条件，优化类摆线刀轨中刀轴位姿变化，对局部刀轨进行调整，最终获得三维类摆线加工刀轨Z。
2.根据权利要求1所述的一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法，其特征在于，所述的等参数域内规划单周期变半径摆线铣削轨迹，具体如下：
(1)在所求摆线步距阈值Str中选定期望步距Str0，获取刀具位置角
摆线半径R与刀具-工件啮合角
的关系；以减少加工时间为目标，优化动力学切削参数，确定临界刀具-工件啮合角θ0；
(2)从切入段切削轨迹Lr、中间段切削轨迹Lz、切出段切削轨迹Lc三段对类摆线铣削段轨迹进行规划：
①切入段切削轨迹Lr
切入段切削轨迹Lr沿用余摆线模型切削轨迹；设S为切入段切削轨迹起点，O点为刀具圆心，刀具轮廓与前一周期切削轨迹交于点D，与当前周期的切削轨迹切点为Cn，
与
的夹角为刀具-工件啮合角θ；d是过点D且与轨迹引导线Ι相平行的方向曲线与当前周期内切削轨迹的交点，将d作为切入段切削轨迹终点En；根据(1)中所述临界刀具-工件啮合角
在当前周期内求解刀具-工件啮合角为θ0时刀具位置角
表示切削轨迹L中刀具-工件啮合角不小于θ0的刀具位置角范围，此时的切入段切削轨迹Lr不能唯一确定，将当前加工区域最大内切圆半径Rmax预设为类摆线轨迹初始半径R1，在中间段切削轨迹Lz中需要对R1进一步优化；
②中间段切削轨迹Lz
设切削轨迹
为过程切削轨迹Li，i为迭代次数；为保证刀具在中间切削路径Lz切削过程中啮合角尽可能接近临界值θ0，基于过程切削轨迹Li，采用迭代延长轨迹优化方法获得中间切削路径Lz；
③切出段切削轨迹Lc
中间切削轨迹Lz与加工边界П的公共内切圆弧
过渡连接，交点分别为J1和J2，设
为J1点处切线向量，
为J2点切线向量，将圆弧
设为初始切出段切削轨迹Lz0；为保证摆线加工过程的稳定性，类摆线曲率半径需要满足Rtro≥KRtool，其中，Rtool为刀具半径；K为经验系数，优化获得J1型值点及对应切线向量，进一步得到切出段切削轨迹Lc；为保证切削轨迹的曲率连续性，类似迭代延长轨迹优化方法中步骤C，在S和J2之间优化并构造完整的切削轨迹L；若切出段切削轨迹无法满足Rtro≥KRtool时，优化R1，转回步骤①；
(3)非切削段轨迹规划：非切削段轨迹无需考虑刀具切削稳定性，所以非切削段轨迹以直线为主；为保证非切削段轨迹与切削段轨迹之间进行平滑的过渡，分别在起点S和终点J2处做切线圆弧，得到切入段过渡轨迹Le1和切出段过渡轨迹Le2，两条过渡轨迹通过的公共切线相连接，进而得到完整的单个切削周期内的摆线铣削轨迹L。
3.根据权利要求2所述的一种具有高切削稳定性的类摆线加工轨迹生成方法，其特征在于，所述的迭代延长轨迹优化方法，步骤如下：
A.离散切削轨迹Li，获得刀具切触点集合U＝{u1,u2,...,ui-1,ui}，将点En引入U内生成新的点集合U＝{u1,u2,...,ui-1,ui,En}；
B.获取U中第一点与最后一点型值点坐标U(first)＝[Sxi,Syi]、U(end)＝[Exi,Eyi]，并求取两点处的切线向量：起点
和终点切向量
利用上述4组参数在S、En两点之间通过样条插值获取切削轨迹Lg；
C.建立切削轨迹Lg的三次参数样条函数H，以U和H的拟合优度和均方差为优化目标，利用共轭方向法确定U(first)、U(end)、
最优值组合参数，将求解出的参数代入三次参数样条函数中，构造新的过程切削轨迹Li+1；
D.判断过程切削轨迹Li+1是否超出加工边界П：若超出切削边界，直接将过程切削轨迹Li作为中间段切削轨迹Lz，继续步骤E，否则转回步骤A；
E.求解切削轨迹中刀具-工件啮合角恒定为θ0的角位移
设
为期望角范围，判断在中间段切削轨迹Lz中是否满足
的要求：若不满足期望，转回步骤①，优化切入段轨迹中摆线半径R1，获得新的切入段轨迹Lr；若满足期望，输出中间段切削轨迹Lz。
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- 2023-01-13 CN CN202310040961.4A patent/CN116047994A/zh active Pending
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| CN117193168B (zh) * | 2023-10-10 | 2024-03-12 | 西安科技大学 | 一种复杂壳体的摆线铣削轨迹生成方法 |
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