专利名称：五轴侧铣加工工艺参数设计方法
技术领域：
本发明属于数控加工技术，尤其涉及曲面五轴数控侧铣加工方法。
背景技术：
相对于传统的点铣加工，五轴侧铣加工效率一般十倍于五轴点铣加工，在航空发 动机整体式叶轮、大型螺旋桨等叶片类空间曲面的五轴加工过程中，特别是粗加工和半精 加工中，五轴侧铣加工方式比点铣加工有着明显的优势。在五轴侧铣加工中，为高效和精密加工零件，首先要进行工艺参数设计，包括刀具 路径规划、切削力计算和参数优化；刀具路径规划，是由CAM商业软件或CAM自由软件生成NC代码，NC代码包括离散 参考点和刀轴矢量离散点，见文献《UG CAM实用教程》，(Ine U.S.编著，清华大学出版社， 2003年)；切削力计算，先由NC代码生成连续刀具路径，由连续刀具路径得到切削厚度，再 根据切削深度、进给率和切削厚度计算切削力；工艺参数优化，是依据切削力阈值和加工过 程稳定优化工艺参数，见文献《优化选取轴向和径向切削深度最大化无颤振下铣削加工材 料去除率》，(Budak E. and Tekeli A. ,Maximizing chatter free material removal rate in milling through optimal selection of axial and radial depth of cut pairs. CIRP Annals-Manufacturing Technology,54(1) :353-356,2005)；零件加工精度、零件表面质量以及刀具磨损等都依赖于切削力的计算，计算加工 中的切削力，是为了加工过程中刀具系统受力不超过设计阈值，并且应当保证切削力的平 稳变化，以达到五轴侧铣加工的高效和高精度；其中切削厚度计算是计算切削力的关键。现有的五轴侧铣瞬态切削厚度计算方法都是通过离散刀具切削区域，分配切削负 载来实现的，见文献《飞机发动机叶轮虚拟五轴侧铣加工，第一部分五轴侧铣加工切削力》 (W. B. Ferry and Y. Altintas,2008. Virtual Five-Axis Flank Milling of Jet Engine Impellers-Part I:Mechanics of Five Axis Flank Milling,Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 130/011005 :1-11)，利用确定的刀具路径和工艺参数，将 刀具切削区域分片，计算每片的进给和切削厚度，进而计算切削力。但是这种方法假定在每 片切削区域中的进给和切削厚度是固定的，没有考虑五轴侧铣过程中由于刀具路径的变化 引起的实际参与切削的负载在每点都是不同的，不能反映真实的加工状况，因此获得的五 轴侧铣瞬态切削厚度和五轴侧铣切削力是近似的。本发明在计算切削厚度时，需要计算刀具包络面和瞬时接触线，朱利民等，在文 献《利用球族包络理论求解回转刀具扫描面解析表达式》(am，L. Μ. and Zhang, Χ. Μ. and Zheng,G. and Ding,H. 2009,Analytical expression of the swept surface of a rotary cutter using the envelope theory of sphere congruence,Journal of Manufacturing Science and Engineering, 131/041017 :1-7. 2009,)中提供了计算刀具包络面的方法。孙 家广等，在文献《计算机图形学》(清华大学出版社，1998年，第4 页-433页)中提供了 计算曲面与曲面交线的方法，计算瞬时接触线。
发明内容
本发明提供一种五轴侧铣加工工艺参数设计方法，解决现有工艺参数设计方法的 切削力计算中，每片切削区域中的进给和切削厚度固定，不能反映真实加工状况的问题，以 准确计算切削力，为精密、高效加工空间曲面提供可靠保证。本发明的五轴侧铣加工工艺参数设计方法，包括刀具路径规划步骤、切削力计算 步骤和工艺参数优化步骤，所述刀具路径规划步骤，由CAM商业软件或CAM自由软件生成NC 代码，NC代码包括离散参考点和刀轴矢量离散点；所述切削力计算步骤，先由NC代码生成 连续刀具路径，由连续刀具路径得到切削厚度，再根据切削深度、进给率和切削厚度计算切 削力；所述工艺参数优化步骤，判断计算出的切削力是否不大于设计阈值，是则将NC代码、 切削深度和进给率作为输入参数，否则转刀具路径规划步骤，重新生成NC代码；其特征在 于所述切削力计算步骤包括下述子步骤(1)计算刀具路径将NC代码，拟合成连续的刀具路径，刀具路径由参考点曲线和 刀轴矢量曲线组成；(2)计算刀具包络面根据刀具路径和具体的刀具几何计算刀具包络面，通过文 献《利用球族包络理论求解回转刀具扫描面解析表达式》中提供的计算刀具包络面解析表 达式的方法，得到刀具包络面解析表达式，所述刀具几何为刀具的几何形状和尺寸；(3)计算瞬时接触线由刀具包络面解析表达式和工件毛坯几何，通过文献《计算 机图形学》中提供的计算曲面与曲面交线的方法，计算瞬时接触线；所述工件毛坯几何是指 工件毛坯实体的几何形状和尺寸；所述瞬时接触线是指在在某个时刻，工件毛坯和刀具包 络面的实际接触曲线；(4)计算切削厚度由瞬时接触线计算接触线上离散点的切削厚度，所述切削厚 度是指瞬时接触线上离散点到本次切削前工件毛坯外轮廓上对应垂足的距离；(5)计算切削力由切削厚度、切削深度和进给率，通过文献《飞机发动机叶轮虚 拟五轴侧铣加工，第一部分五轴侧铣加工切削力》中提供的计算切削力的方法，计算切削 力。所述的五轴侧铣加工工艺参数设计方法，其特征在于所述子步骤⑴中，参考点曲线采用非均勻有理样条曲线拟合方法，将NC代码中 的离散参考点T1, r2, ... iv··，rffl+1拟合为一条参考点曲线r (t)，该曲线为NURBS曲线，其中 t是自变量，为时间或距离；所述子步骤⑴中，刀轴矢量曲线拟合过程如下(1.1)求解四元数& Qi =^a^)(cos^ + lsin^)(l + T^j + T^k)，z=1，2，...，w + 1，其中，m+1为四元数的个数，为自然数；Φ是1轴自由转角，Si为NC代码中的刀轴 矢量离散点，Six，Siy和Siz是Si的三个分量；1，j和k分别是X，y和ζ轴的单位向量
权利要求
1.一种五轴侧铣加工工艺参数设计方法，包括刀具路径规划步骤、切削力计算步骤和 工艺参数优化步骤，所述刀具路径规划步骤，由CAM商业软件或CAM自由软件生成NC代码， NC代码包括离散参考点和刀轴矢量离散点；所述切削力计算步骤，先由NC代码生成连续刀 具路径，由连续刀具路径得到切削厚度，再根据切削深度、进给率和切削厚度计算切削力； 所述工艺参数优化步骤，判断计算出的切削力是否不大于设计阈值，是则将NC代码、切削 深度和进给率作为输入参数，否则转刀具路径规划步骤，重新生成NC代码；其特征在于所述切削力计算步骤包括下述子步骤(1)计算刀具路径将NC代码，拟合成连续的刀具路径，刀具路径由参考点曲线和刀轴 矢量曲线组成；(2)计算刀具包络面根据刀具路径和具体的刀具几何计算刀具包络面，通过文献《利 用球族包络理论求解回转刀具扫描面解析表达式》中提供的计算刀具包络面解析表达式的 方法，得到刀具包络面解析表达式，所述刀具几何为刀具的几何形状和尺寸；(3)计算瞬时接触线由刀具包络面解析表达式和工件毛坯几何，通过文献《计算机图 形学》中提供的计算曲面与曲面交线的方法，计算瞬时接触线；所述工件毛坯几何是指工件 毛坯实体的几何形状和尺寸；所述瞬时接触线是指在在某个时刻，工件毛坯和刀具包络面 的实际接触曲线；(4)计算切削厚度由瞬时接触线计算接触线上离散点的切削厚度，所述切削厚度是 指瞬时接触线上离散点到本次切削前工件毛坯外轮廓上对应垂足的距离；(5)计算切削力由切削厚度、切削深度和进给率，通过文献《飞机发动机叶轮虚拟五 轴侧铣加工，第一部分五轴侧铣加工切削力》中提供的计算切削力的方法，计算切削力。
2.如权利要求1所述的五轴侧铣加工工艺参数设计方法，其特征在于所述子步骤(1)中，参考点曲线采用非均勻有理样条曲线拟合方法，将NC代码中的离 散参考点T1, r2, -ΓΓ··,Γω+1拟合为一条参考点曲线r(t)，该曲线为NURBS曲线，其中t是 自变量，为时间或距离；所述子步骤(1)中，刀轴矢量曲线拟合过程如下(1.1)求解四元数& :
3.如权利要求1所述的五轴侧铣加工工艺参数设计方法，其特征在于 所述子步骤(4)计算切削厚度，过程如下(4. 1)首先按文献《微分几何》给出的等参数法将工件毛坯X网格化成9片，计算瞬时 接触线上的任意点ρ到各个网格节点之间的距离，找到最小距离Cltl所对应的节点\ ；(4. 2)在工件毛坯X上以节点\作为初始点\，将d。作为初始距离db，进行过程(4. 3)； (4. 3)计算工件毛坯X在)(b点的切平面，将点ρ投影到切平面上，得到垂足Pb ； (4. 4)在切平面\上取点pb+1 = Xb+s (pb-Xb)，常数s = 0. 005 0. 01，将点pb+1投影到 工件毛坯X之上，得到垂足，求出点P到垂足Xb+1之间的距离db+1 ；(4. 5)判断是否|db+1-db| ( 0. 005mm，是则将db+1即作为任意点ρ的切削厚度，退出计 算，否则转过程(4.6)；(4. 6)将作为初始点XbJf 作为初始距离db，转过程(4. 3)。
全文摘要
五轴侧铣加工工艺参数设计方法，属于数控加工技术，解决现有工艺参数设计方法切削力计算中，不能反映真实加工状况的问题。本发明包括刀具路径规划、切削力计算和工艺参数优化步骤，刀具路径规划步骤，由CAM软件生成NC代码；切削力计算步骤，先由NC代码生成连续刀具路径，再得到切削厚度，依据切削厚度计算切削力；工艺参数优化步骤，判断计算出的切削力是否不大于设计阈值，是则将NC代码、切削深度和进给率作为输入参数，否则重新生成NC代码。本发明利用刀具包络面解析表达式，反映了真实加工状况，获得的瞬态切削厚度更加精确，从而提高了切削厚度和切削力计算的准确性，为精密、高效加工空间曲面提供可靠保证。
文档编号G05B19/19GK102129232SQ201110077039
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者丁汉, 张小明, 熊有伦 申请人:华中科技大学