一种自由曲面微细铣削让刀误差预测及补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微细铣削加工技术领域，更具体地，为一种自由曲面微细铣削让刀误 差预测及补偿方法。
【背景技术】
[0002] 在自由曲面的加工过程中，让刀误差的存在导致其形状精度的降低，进而影响到 工件的使用性能。对让刀误差进行准确的预测可以为工艺参数的制定提供依据，通过选取 更合理的参数来保证工件的形状误差在公差范围内；研究让刀误差的补偿，可以通过补偿 的方式来降低刀具变形对形状精度的影响，提高工件质量。
[0003] 在自由曲面微细铣削领域，所用刀具直径通常较小，一般都属于"细长型"刀具范 畴，因此，刀具刚度较弱。例如，0. 8mm直径的微径球头铣刀，当受到的切削力为ION时，将产 生20um左右的径向变形，由此产生的让刀误差非常显著。
[0004]目前，关于自由曲面普通铣削加工让刀误差预测及补偿有相关研究，而对于自由 曲面微细铣削加工让刀误差预测与补偿方面的研究相对较少。首先，不同于自由曲面普通 铣削，自由曲面微细铣削加工所用刀具为微径球头刀，难以采用普通球头刀测量径向刚度 的"悬垂法"对刀具径向刚度进行测量；其次，在自由曲面普通铣削加工让刀误差预测的相 关研究中，一般直接采用理想刀位点的切削力计算让刀误差，而不考虑加工过程中刀具变 形对切削力的反馈影响，进而影响让刀误差预测的准确性；再次，在自由曲面普通铣削加工 让刀误差补偿的相关研究中，一般直接将理想刀位点沿刀具变形反方向偏置一个刀具变形 量进行让刀误差补偿，未进行迭代计算会导致补偿量偏小影响加工精度。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自由曲面微细铣削让刀 误差预测及补偿方法，能有效减小自由曲面微细铣削加工的让刀误差，提高表面加工精度。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种自由曲面微细铣削让刀误差预测及补偿方 法，其特征在于，包括如下步骤：
[0007] (1)获取包括刀具螺旋角P和切削刃数Nf在内的加工参数；
[0008] (2)测量微径球头刀的径向刚度Kr;
[0009] (3)令在微径球头刀的一个旋转周期内，让刀误差的迭代次数为n，初始化n= 0 ; [0010] (4)在微径球头刀的一个旋转周期内，利用刀具螺旋角P、切削刃数Nf和微径球 头刀的径向刚度&，计算微径球头刀在平衡状态下的变形量在平面Pn上的投影S"，其中， PnS过微径球头刀的轴线及其与工件的理想切触点的平面；
[0011] (5)利用微径球头刀在平衡状态下的变形量在平面Pn上的投影S"，求解让刀误 error, n?
[0012] (6)根据总让刀误差I：r=05errar4对理想刀位点进行修正，n=n+l，返回 步骤（4)，直到Smwn与SOTOT，nl的差值在允许误差范围内，得到让刀误差补偿值 ZH〇r,i;
[0013] (7)利用让刀误差补偿值：Er=Ujerr〇r,i对微径球头刀的运动轨迹进行修正。
[0014] 优选地，所述步骤（4)进一步包括如下步骤：
[0015](4-1)利用刀具螺旋角P、切削刃数Nf和微径球头刀的径向刚度Kp获取微径球 头刀的理想刀位点的切削力F，计算微径球头刀的初始变形量在平面Pn±的投影S
[0016] (4-2)以指定步长S,对微径球头刀的初始变形量进行修正，得到微径球头刀的 变形量并据此计算微径球头刀的切削力及弹性回复力，直到微径球头刀的切削力大于其弹 性回复力，此时微径球头刀的变形量为S" _，上一步计算得到的微径球头刀的变形量为 6. rm, max?
[0017] (4-3)采用二分法在区间[Sm,_，S 内搜索得到微径球头刀在平衡状态下 的变形量在平面Pnft的投影S
[0018] 优选地，所述步骤（4-1)中，将微径球头刀的切削刃沿刀具轴向离散成一系列切 削微元，根据微径球头刀的理想刀位点，将自由曲面离散成一系列与微径球头刀的理想刀 位点一一对应的离散面，单个离散面的法矢相同；微径球头刀的初始变形量在平面Pn上的
>其中，N为离散面的法矢，
为与理想切触点接触的切 削微元的轴向位置角，k为刀轴矢量；
[0019] 微径球头刀的理想刀位点的切削力F通过如下方法得到：
[0020] (Al)计算微径球头刀的第I条切削刃的与理想切触点接触的切削微元对应的刀
[0021] (A2)根据刀具转角S1，计算微径球头刀的瞬时切削力，选取瞬时切削力的最大值 作为理想刀位点的切削力F。
[0022] 优选地，所述步骤（2)中，通过如下方法测量微径球头刀的径向刚度M等测力仪 固定在工作台上，将顶刀块固定在测力仪上，使微径球头刀与顶刀块的侧面接触，利用超精 密机床使微径球头刀按照指定的步长朝与顶刀块表面平行的方向移动，利用超精密机床测 量微径球头刀的位移利用测力仪测量微径球头刀的回复力Fp进而计算得到微径球头
[0023] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0024] 1、本发明针对微径球头刀难以采用"悬垂法"测量刀具径向刚度的特点，利用具有 突出定位精度的超精密机床和测力仪分别测量微径球头刀的变形量和弹性回复力，进而计 算其径向刚度。
[0025] 2、本发明考虑到自由曲面微细铣削加工刀具变形量较小，提出理想刀位点与真实 刀位点所属小区域内法矢近似统一的假设，考虑加工过程中微径球头刀变形对切削力的反 馈影响，采用迭代算法求解切削平衡状态的让刀误差，以此作为让刀误差的预测值，预测结 果更准确。
[0026] 3、对于让刀误差补偿，本发明通过迭代计算让刀误差总补偿量，且直接对让刀误 差本身进行补偿，补偿量最小，补偿方向明确，物理意义清晰，加工精度高。
【附图说明】
[0027] 图1是利用超精密机床测量微径球头刀的静刚度的原理图；
[0028] 图2是让刀误差预测立体原理图；
[0029] 图3是让刀误差预测截面原理图；
[0030] 图4是考虑变形反馈的让刀误差预测原理图；
[0031] 图5是考虑变形反馈的让刀误差预测流程图；
[0032] 图6是让刀误差补偿原理图；
[0033] 图7是让刀误差补偿流程图；
[0034] 图8是刀路轨迹修正原理图；
[0035] 图9是刀路轨迹修正流程图。
【具体实施方式】
[0036] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0037] 本发明实施例的自由曲面微细铣削让刀误差预测及补偿方法包括如下步骤：
[0038] (1)获取加工参数。
[0039] 根据切削条件、加工表面质量等要求，确定加工参数。加工参数包括：微径球头刀 刀具半径R、刀具螺旋角0、切削刃数Nf、主轴转速、每齿进给量f?和轴向切削深度ap。
[0040] (2)测量微径球头刀的径向刚度。
[0041] 由于微径球头刀的尺寸较小，不宜采用常规铣削领域采用的"悬垂法"对刀具刚度 进行测量。
[0042] 本发明实施例利用超精密机床突出的定位精度来测量微径球头刀的静刚度。如图 1所示，将测力仪固定在工作台上，将顶刀块固定在测力仪上，转动超精密机床的手轮，使微 径球头刀与顶刀块的侧面接触，超精密机床根据精度要求使微径球头刀按照指定的步长朝 与顶刀块表面平行的方向移动，利用超精密机床测量微径球头刀的位移利用测力仪测 量微径球头刀的回复力Fp进而计算得到微径球头刀的径向刚度
3其中，顶刀块为刚 度较大的金属工件，用于使微径球头刀产生弹性形变。
[0043] (3)令在微径球头刀的一个旋转周期内，让刀误差的迭代次数为n，初始化n= 0。
[0044] (4)在微径球头刀的一个旋转周期内，求解微径球头刀的切削平衡位置，计算微径 球头刀的变形量在平面Pn上的投影S"，其中，Pn为过微径球头刀的轴线及其与工件的理 想切触点的平面。
[0045] 进一步包括如下步骤：
[0046] (4-1)获取微径球头刀的理想刀位点的切削力，计算微径球头刀的初始变形量在 平面PnI的投影5m,。。
[0047] 根据加工精度要求，将微径球头刀的切削刃沿刀具轴向离散成一系列切削微元， 根据微径球头刀的理想刀位点，将自由曲面离散成一系列与微径球头刀的理想刀位点一一 对应的小的斜面区域（离散面），根据小区域内法矢统一假设，单个离散面的法矢相同。令 在微径球头刀的一个旋转周期内，与微径球头刀的理想刀位点对应的离散面为Pt，离散面 卩,的法矢为N。曲面微细铣削让刀误差预测原理如图2和图3所示，其中，P&为理想刀位 点，为理想切触点，P'。:为刀具变形后的刀位点（真实刀位点），P'。。为经过刀位点 P'。丨处的法矢N与离散面交点，P'eln^P'el在平面Pn上的投影，P' 为P'cc 在平面Pn上的投影。
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