一种自由曲面球头铣削淬硬钢模具过程集成优化方法与流程

本发明涉及一种自由曲面球头铣削淬硬钢模具过程集成优化方法，针对球头铣削自由曲面淬硬钢模具时，由于形面加工特征多变造成的球头铣削过程分析复杂以及加工误差分布不均的问题，提出了自由曲面淬硬钢模具不同加工区域特征的过程集成优化加工方法。

背景技术：

自由曲面因其具有特殊的功能特性及美观性和艺术性，越来越受到汽车制造业企业的青睐。汽车覆盖件模具的设计和加工生产是汽车制造中的重要环节，因其自由曲面模具形面设计复杂、自由曲面多变，导致模具制造周期长，严重制约了汽车的制造周期，增加了生产制造成本。

随着数控技术、高速切削技术及硬切削技术的发展，利用球头铣削技术可以满足曲面模具在精加工中对于尺寸、位置精度和加工表面质量的高要求，降低了磨削或抛光的时间，缩短了生产周期。目前，我国汽车覆盖件模具发展现状是汽车模具占全国模具产业三分之一的份额，与发达国家往往占一多半的份额相比，还有很大发展空间。同时，在模具设计、制造水平，生产效率，加工标准及管理等方面与发达国家相比仍存在较大差距，国内急需开发高档汽车覆盖件模具加工工艺技术，并提高刀具使用寿命和切削效率。

技术实现要素：

针对球头铣削自由曲面淬硬钢模具时，由于形面加工特征多变造成的球头铣削过程分析复杂以及加工误差分布不均的问题，提出了自由曲面淬硬钢模具不同加工区域特征的过程集成优化加工方法。旨在提高自由曲面淬硬钢模具球头铣削过程的稳定性，保证加工精度的一致性。

本发明的自由曲面球头铣削淬硬钢模具过程集成优化方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤:

第一步、针对曲率过大区域，建立刀工接触区一致的让刀误差轨迹补偿方法：

刀工接触区域准确反映了刀具的加工状态，控制沿补偿刀具轨迹切削中刀具的径向切入角φst和切出角φex，轴向切触角的上下边界θup和θlow，都与名义的刀具轨迹切削时一致，进而保证加工形貌及法向轮廓误差符合要求，如图1所示。△θ(φ)为沿名义刀具轨迹切削时的轴向切触角（径向切触角）；δ1为刀具变形引起的实际刀具轨迹与名义刀具轨迹的偏移量，△θ1(φ1)为沿实际刀具轨迹切削时的轴向切触角（径向切触角）；δ2为补偿刀具轨迹与补偿刀具变形误差后的实际刀具轨迹的偏移量，△θ2(φ2)为沿实际刀具轨迹切削时的轴向切触角（径向切触角）。

刀位轨迹的偏置量等于刀具变形量，针对曲面加工位置，刀位轨迹偏置方向为过刀轴的法平面和垂直刀轴的水平面的交线方向，补偿的工艺路径容易实现；采用让刀变形补偿的方法，通过控制面修正对让刀误差进行补偿，如图2所示；

曲面的让刀误差补偿流程如图3所示，补偿的方法是基于微分离散的思想，对刀具轨迹的不同刀位点计算所需的过程参数，如加工倾角、形面曲率、刀工切触区、切削力、刀具变形模型、变时滞动力学模型等；基于预测的刀具轨迹偏置量，计算补偿后的刀具轨迹，获得新的刀工接触区，与名义刀具轨迹计算的刀工接触进行比较，如果一致则轨迹偏置量符合误差补偿要求，否则重新计算偏置量。

第二步、针对曲面曲率突变区域，给出了基于弦高误差控制的插补步长优化方法。

在自由曲面曲率突变区域，让刀误差不是加工形面精度下降的主要原因，刀具轨迹成为加工误差的产生的主要原因，此时需要对刀具轨迹进行插补；由弦高误差公式可知，保证相同的误差，随着曲率的增加，插补步长越短，因此，弦高误差补偿针对曲面曲率区域，若此位置弦高误差满足要求，则其他位置一定满足设计要求。通过对曲面曲率的分析，获得曲面曲率的分布，然后基于公式解算补偿；

直线插补是通过大量微小的线段来逼近目标曲线，然后再对各线段进行密化，如图4所示，加工曲线段dh由线段de、ef、fg、gh拟合构成；

设目标曲线参数方程为：（1）；

任取一段加工路径，两端刀位点分别为a和b，由起始端a(xu，yu)加工至下一插补点b(xu+1,yu+1)，可得弦长为：

（2）；

此时为求得精确的弦高误差，需要在目标路径曲线上寻找一条与ab平行的切线，其斜率为：

（3）；

令：（4）；

可求得切点c，那么c点到直线ab的距离即为加工路线至实际曲线的最大误差eh，如图5所示；

由几何关系可得：（5）；

式中，ρj为刀具运动轨迹方向的工件曲率半径；设允许的最大弦高误差为δh，则联立公式1~5，带入斜率值，令eh=δh可得符合误差要求的b点坐标。

根据b点的坐标，可以求得进给步长，设加工曲线为平摆线，参数方程：

（6）；

代入公式（5-22）可得：（7）；

当eh=δh时，（8）；

l用a和b参数坐标表示为：

（9）；

联立公式（8）和（9），可得进给步长为：（10）；

至此，一个完整的插补周期形成了：目标曲线从a(0,0)出发，在满足期望精度下，按照插补步长进给到下一节点b((xu+1,yu+1))，在寄存位置中存储该值，并以此作为新起点，求解下一进给点c(xu+2,yu+2)，以此类推完成插补。

第三步、针对平缓区域给出了进给率优化方法：

为了在切削加工性较好的形面位置能够有效的提高加工效率，在切削加工性较差的地方也能够保证加工精度，给出了淬硬钢模具三轴球头铣削的进给率优化方法，如图6所示；

图6中，首先输入刀具和工件的信息，进行数控编程，获取刀位信息；基于刀位信息和刀具切削刃和工件的几何信息，进行铣削过程物理量的预测，如瞬态铣削力，刀具变形，稳定域和加工误差等；如果选择的进给率解算的静态铣削力和动态铣削力符合以刀具变形、让刀误差和稳定性极限为约束的期望的静态铣削力和动态铣削要求，则该进给率保留；否则基于kienzle关系^[143]（适应的进给率=预选的进给率*期望的铣削力/解算的铣削力）重新解算进给率，并重复上述过程；最后优化的进给率数据写入nc代码。

第四步、过程集成工艺优化方法及实验；

为保证自由曲面淬硬钢模具加工精度、表面质量和加工效率，针对不同的形面区域加工特征，集成刀具轨迹和刀位点计算、刀工接触区计算、铣削力预测、让刀变形预测、铣削稳定性预测、残留高度预测、工艺参数优化和误差补偿，实现自由曲面球头铣削过程的集成和优化，如图7所示；其中主要包含特征提取、数控仿真和物理过程集成三个部分，最终形成优化的工艺方案；

为验证球头铣削自由曲面过程集成优化工艺方案，进行工艺对比铣削试验以及加工误差对比实验。

本发明的有益效果为：针对自由曲面不同加工特征区域加工误差控制的过程集成优化工艺，能够有效降低曲率过大位置的让大误差，减小曲率过大位置的最大残留高度，控制曲率突变位置的弦高误差，并且提高了自由曲面工件整体加工效率以及实现了自由曲面淬硬钢模具加工精度的一致性。

附图说明：

图1为补偿加工的刀工接触区域一致性。

图2为控制面修正的让刀误差补偿。

图3为让刀误差补偿流程。

图4为直线拟合原理。

图5为弦高误差示意图。

图6为进给率优化流程图。

图7为自由曲面球头铣削淬硬钢模具过程集成优化方法。

图8基于加工特征的自由曲面加工区域划分。

图9（a）x方向上的轮廓法向误差。

图9（b）y方向上的轮廓法向误差。

具体实施方式:

本发明的自由曲面球头铣削淬硬钢模具过程集成优化方法包括以下步骤:

第一步、针对曲率过大区域，建立刀工接触区一致的让刀误差轨迹补偿方法；

刀工接触区域准确反映了刀具的加工状态，控制沿补偿刀具轨迹切削中刀具的径向切入角φst和切出角φex，轴向切触角的上下边界θup和θlow，都与名义的刀具轨迹切削时一致，进而保证加工形貌及法向轮廓误差符合要求，如图1所示；△θ(φ)为沿名义刀具轨迹切削时的轴向切触角（径向切触角）；δ1为刀具变形引起的实际刀具轨迹与名义刀具轨迹的偏移量，△θ1(φ1)为沿实际刀具轨迹切削时的轴向切触角（径向切触角）；δ2为补偿刀具轨迹与补偿刀具变形误差后的实际刀具轨迹的偏移量，△θ2(φ2)为沿实际刀具轨迹切削时的轴向切触角（径向切触角）；

刀位轨迹的偏置量等于刀具变形量，针对曲面加工位置，刀位轨迹偏置方向为过刀轴的法平面和垂直刀轴的水平面的交线方向，补偿的工艺路径容易实现；采用让刀变形补偿的方法，通过控制面修正对让刀误差进行补偿，如图2所示；

曲面的让刀误差补偿流程如图3所示；补偿的方法是基于微分离散的思想，对刀具轨迹的不同刀位点计算所需的过程参数，如加工倾角、形面曲率、刀工切触区、切削力、刀具变形模型、变时滞动力学模型等；基于预测的刀具轨迹偏置量，计算补偿后的刀具轨迹，获得新的刀工接触区，与名义刀具轨迹计算的刀工接触进行比较，如果一致则轨迹偏置量符合误差补偿要求，否则重新计算偏置量。

第二步、针对曲面曲率突变区域，给出了基于弦高误差控制的插补步长优化方法：

在自由曲面曲率突变区域，让刀误差不是加工形面精度下降的主要原因，刀具轨迹成为加工误差的产生的主要原因，此时需要对刀具轨迹进行插补；由弦高误差公式可知，保证相同的误差，随着曲率的增加，插补步长越短，因此，弦高误差补偿针对曲面曲率区域，若此位置弦高误差满足要求，则其他位置一定满足设计要求；通过对曲面曲率的分析，获得曲面曲率的分布，然后基于公式解算补偿。

直线插补是通过大量微小的线段来逼近目标曲线，然后再对各线段进行密化，如图4所示，加工曲线段dh由线段de、ef、fg、gh拟合构成；

设目标曲线参数方程为：（1）；

任取一段加工路径，两端刀位点分别为a和b，由起始端a(xu，yu)加工至下一插补点b(xu+1,yu+1)，可得弦长为：

（2）；

此时为求得精确的弦高误差，需要在目标路径曲线上寻找一条与ab平行的切线，其斜率为：

（3）；

令：（4）；

可求得切点c，那么c点到直线ab的距离即为加工路线至实际曲线的最大误差eh，如图5所示。

由几何关系可得：（5）；式中，ρj为刀具运动轨迹方向的工件曲率半径。设允许的最大弦高误差为δh，则联立公式1~5，带入斜率值，令eh=δh可得符合误差要求的b点坐标；

根据b点的坐标，可以求得进给步长，设加工曲线为平摆线，参数方程：

（6）；

代入公式（5-22）可得：（7）；

当eh=δh时，（8）；

l用a和b参数坐标表示为：

（9）；

联立公式（8）和（9），可得进给步长为：（10）；

至此，一个完整的插补周期形成了：目标曲线从a(0,0)出发，在满足期望精度下，按照插补步长进给到下一节点b((xu+1,yu+1))，在寄存位置中存储该值，并以此作为新起点，求解下一进给点c(xu+2,yu+2)，以此类推完成插补。

第三步、针对平缓区域给出了进给率优化方法：

为了在切削加工性较好的形面位置能够有效的提高加工效率，在切削加工性较差的地方也能够保证加工精度，给出了淬硬钢模具三轴球头铣削的进给率优化方法，如图6所示；

图6中，首先输入刀具和工件的信息，进行数控编程，获取刀位信息。基于刀位信息和刀具切削刃和工件的几何信息，进行铣削过程物理量的预测，如瞬态铣削力，刀具变形，稳定域和加工误差等；如果选择的进给率解算的静态铣削力和动态铣削力符合以刀具变形、让刀误差和稳定性极限为约束的期望的静态铣削力和动态铣削要求，则该进给率保留；否则基于kienzle关系^[143]（适应的进给率=预选的进给率*期望的铣削力/解算的铣削力）重新解算进给率，并重复上述过程；最后优化的进给率数据写入nc代码。

第四步、过程集成工艺优化方法及实验：

为保证自由曲面淬硬钢模具加工精度、表面质量和加工效率，针对不同的形面区域加工特征，集成刀具轨迹和刀位点计算、刀工接触区计算、铣削力预测、让刀变形预测、铣削稳定性预测、残留高度预测、工艺参数优化和误差补偿，实现自由曲面球头铣削过程的集成和优化，如图7所示；其中主要包含特征提取、数控仿真和物理过程集成三个部分，最终形成优化的工艺方案；

为验证球头铣削自由曲面过程集成优化工艺方案，进行工艺对比铣削试验以及加工误差对比实验；工艺对比铣削实验机床采用三轴铣床vdl-1000e，刀具选用戴杰二刃整体硬质合金球头立铣刀（dv-ocsb2100-l140），直径为10mm，螺旋角为30°，工件材料为cr12mov、淬火硬度为洛氏hrc58；切削实验采用奇石乐测力仪（型号：kistler9257b）和pcb加速度传感器（灵敏度为10.42mv/g）分别测试切削力和切削振动。同时采用kistler5007型电荷放大器和东华dh5922信号采集分析系统进行信号处理和数据采集分析；加工误差对比实验采用三坐标测量机，型号为lh8107，x轴，y轴和z轴最大行程分别为800mm，1000mm和700mm；

基于自由曲面数学模型，提取曲率特征和加工倾角特征并划分形面区域，如图8所示。区域1和区域2为曲率变化不大的平缓切削区域；区域4和区域5存在曲率突变区域；区域3、区域4和区域5为曲率过大区域；

基于三坐标测量仪的实测数据与设计曲面的数据，获得了球头铣削自由曲面淬硬钢模具过程集成优化前后的轮廓法向误差分布，如图9（a）、（b）所示；实验结果表明，通过自由曲面球头铣削淬硬钢模具过程集成工艺优化，形面轮廓法向加工误差范围在x方向上从-0.0236~0.0802，降低至-0.01651~0.0651，在y方向上从-0.0268~0.0831，降低至-0.0195~0.0532，能够满足球头铣削自由曲面淬硬钢模具的精度一致性要求，同时，还能将加工效率提高9.6%。