变曲率曲面侧铣过程中的瞬时铣削力预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种铣削过程中铣削力的预测方法，更具体地，涉及复杂曲面侧铣过 程中的瞬时铣削力的预测方法。
【背景技术】
[0002] 铣削力是铣削过程中最重要的物理参数之一，它直接影响着刀具和工件变形、铣 削稳定性、刀具磨损等，从而影响到加工精度、加工效率和能耗。目前，有关侧铣过程中的铣 削力研宄主要集中于直线铣削（零曲率）和圆弧铣削（定曲率），这两种情况下，由于切削 几何条件的不变性，铣削力呈周期性变化。而在航空、模具、汽车和电子等领域，多数复杂曲 面的曲率是不断变化的，因曲率影响，实际径向切深、实际每齿进给量等工艺参数偏离了编 程设定值（即，名义值），且具有时变性，造成铣削力不再具有严格的周期性，采用传统方法 无法精确预测瞬时铣削力，也因此，部分学者对变曲率曲面侧铣的铣削力预测方法进行了 研宄。
[0003]文献I"RaoVS，RaoPVM，Modelingoftoothtrajectoryandprocess geometryinperipheralmillingofcurvedsurfaces,InternationalJournalof MachineToolsandManufacture45(2005)617 - 630. "公开了对曲面周铣的实际每齿进给 量和切入/切出角的计算方法，以相邻两刀齿与待加工面的交点之间的距离作为实际每齿 进给量。
[0004]文献RaoVS，RaoPVM，Effectofworkpiececurvatureoncuttingforces andsurfaceerrorinperipheral,ProceedingsoftheInstitutionofMechanical Engineers,PartB:JournalofEngineeringManufacture, 220 (2006) 1399-1407. "在文献 I的基础上公开了自由外形曲面周铣的铣削力模型。
[0005]文献 3"YangY，ZhangWH，WanM，Effectofcutterrunouton processgeometryandforceinperipheralmillingofcurvedsurfaces withvariablecurvature,InternationalJournalofMachineToolsand Manufacture, 54(2011)420-427. "公开了基于NC代码的刀位点确定方法、瞬时未变形切肩 厚度的显式计算公式及铣削力预测方法，在一定程度上提高了计算效率。
[0006] 文献1和文献2以相邻两刀齿与待加工面的交点之间的距离作为实际每齿进给 量，未考虑进给方向的影响，造成实际每齿进给量计算结果不够精确，从而造成瞬时未变形 切肩厚度计算失准，铣削力预测不够精确。文献3基于NC代码确定刀位路径的方法，虽然 更接近加工实际，但在铣削参数未确定的情况下，也无法获得正确的NC代码，因此，方法并 不适用于铣削参数优化等领域。另外，文献1、文献2和文献3中计算切入/切出角度时，均 需要大量的数学计算，从而影响到铣削力预测效率。
【发明内容】
[0007] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种变曲率曲面侧铣的 瞬时铣削力预测方法。该方法不仅避免了大量方程求解，提高变曲率曲面侧铣的瞬时铣削 力预测效率，而且铣削力预测精确。
[0008] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种变曲率曲面侧铣的 瞬时铣削力预测方法，根据侧铣过程中曲面的曲率变化，沿刀具轨迹以等参数间隔计算各 刀具位置点，并计算出瞬时刀具角位置、进给方向、对应加工时间和实际径向切削深度；依 据实际径向切削深度，计算出瞬时切入/切出角度；将名义每齿进给量作为实际每齿进给 量，并结合瞬时刀具角位置计算出每个切削微元的瞬时未变形切肩厚度；然后依据进给方 向，建立局部坐标系下的铣削力模型，并投影到整体坐标系中，即可得到瞬时铣削力。
[0009] 具体包括以下步骤：
[0010] 步骤1，根据侧铣过程中曲面的曲率变化，确定铣刀参数、名义铣削参数、铣削方式 以及采样点的参数间隔，获取加工后工件轮廓曲线的参数方程为（X(u)，y(u))，u为当前采 样点对应的参数；
[0011] 步骤2,依据工件边界条件、刀具轨迹方程计算刀具开始切削材料时对应的刀具轨 迹曲线参数，即，确定初始刀具中心位置；
[0012] 步骤3,根据步骤1确定的铣刀参数、名义铣削参数、铣削方式、采样点的参数间 隔、加工后工件轮廓曲线的参数方程（X(u)，y(u))以及步骤2确定的初始刀具中心位置建 立刀具瞬时进给方向角0 (u)模型，当前刀具中心位置模型，加工时间t(u)模型和刀具在 随动坐标系〇sxsys中的角位置朽(M)模型；
[0013] 步骤4,根据步骤3得到的刀具瞬时进给方向角0 (u)、当前刀具中心位置，刀具轨 迹与加工前工件轮廓曲线交点的坐标，以及步骤1得到的加工后工件轮廓曲线的参数方程 (x(u),y(u))计算刀具中心位于u时的实际径向切深(U);
[0014] 步骤5,根据步骤4求得的实际径向切深aee(u)计算刀具铣削时的切入角Uu) 和切出角4>ex(u);而在刀具的进入段根据工件的边界条件计算实际切出角；在刀具切出段 根据工件边界条件计算实际切入角；
[0015] 步骤6，沿刀具轴向将刀齿进行离散化，每刀齿等分为M个切削微元，根据步骤5得 到的切入角4>st (u)和切出角（^x(U)，以及步骤1确定的铣刀参数、名义铣削参数，同时将 名义每齿进给量作为实际每齿进给量建立作用在切削微元（i，j)上的切削力模型；
[0016]步骤7,将步骤6得到的作用在切削微元（i，j)上的切削力模型转化为随动坐标 系osxsys中的X3与y3方向分量，并对微元切削力求和，得到进给方向铣削力Fxs(u)与法向 铣削力Fys(U);
[0017] 步骤8,将步骤7得到的进给进给方向铣削力Fxs(U)与法向铣削力Fys(U)进一步 变换到固定坐标系oxy中，得到瞬时铣削力在X与y方向的分量。
[0018] 所述步骤1中的铣刀参数包括铣刀半径R、螺旋角0、刀齿数Nf;名义铣削参数包 括主轴转速n,、轴向切身\、名义径向切深^、名义每齿进给量fz;铣削方式为顺铣；采样点 的参数间隔Au。
[0019]所述步骤3中的刀具瞬时进给方向角、当前刀具中心位置、加工时间和刀具在随 动坐标系〇sxsys中的角位置计算方法，包括以下步骤：
[0020] 步骤301，获取刀具当前工作的前一步采样点对应的参数Upm，则当前采样点对应 的参数u，u=Upm+Au;Au为采样点的参数间隔，则，
[0021] 刀具瞬时进给方向角0(U):
【主权项】
1. 一种变曲率曲面侧锐的瞬时锐削力预测方法，其特征在于：根据侧锐过程中曲面的 变曲率特点，沿刀具轨迹W等参数间隔计算各刀具位置点，并计算出瞬时刀具角位置、进给 方向、对应加工时间和实际径向切削深度；依据实际径向切削深度，计算出瞬时切入/切出 角度；将名义每齿进给量作为实际每齿进给量，并结合瞬时刀具角位置计算出每个切削微 元的瞬时未变形切屑厚度；然后依据进给方向，建立局部坐标系下的锐削力模型，并投影到 整体坐标系中，即可得到瞬时锐削力。
2. 根据权利要求1所述的变曲率曲面侧锐的瞬时锐削力预测方法，其特征在于：包括 W下步骤： 步骤1，根据侧锐过程中曲面的曲率变化，确定锐刀参数、名义锐削参数、锐削方式化及 采样点的参数