多轴铣削加工工件表面形貌建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种多轴铣削加工工件表面形貌建模方法，属于数控铣削加工领域。步骤为：离散球头铣刀切削刃为一系列切削微元，建立球头铣刀切削刃上切削微元的切削运动轨迹方程；在建立的工件坐标系中沿平行于x轴的方向离散工件为一系列单元，每个单元两侧的面形成竖切平面，由刀具切削微元的运动轨迹方程得到刀具各个切削微元在切削运动中与竖切平面的交点，针对获得的交点保留同一x、y坐标处竖切平面上z值最低点，即工件在该点处加工后的轨迹点；刀具进行相邻刀步切削过程中会切除在本次切削过程中形成的一部分加工后轨迹点，没有被切除的加工后轨迹点将形成工件表面形貌。本发明可解决铣削加工过程中规则曲面和自由曲面的表面形貌生成问题。
【专利说明】多轴铣削加工工件表面形貌建模方法
【技术领域】
[0001]本发明属于数控铣削加工领域，特别涉及数控铣削加工中刀具磨损引起的自由曲面工件表面形貌建模领域。
【背景技术】
[0002]随着现代机械制造业的发展，对零件加工精度的要求越来越高。工件表面的微观形貌和工件表面粗糙度有密切的联系，对工件的耐磨性与装配精度有重要影响，同时也是反映工件表面加工质量的重要指标，通过预测工件表面的形貌，可以得到工件上任意位置点的坐标值，将其与该点的理论坐标值进行对比，即可得到该点处的加工误差值，进而获得零件的加工精度。国内外许多学者从微观角度对工件表面形貌进行了研究，取得了一些成果，先后提出了一些建立工件表面形貌模型的方法。现有的工件表面形貌的建模方法多是就切削参数选择、刀具定位误差、切削力引起的刀具变形等因素对工件表面形貌的影响进行研究，目前还很少有针对球头铣刀铣削过程中的刀具动态磨损对工件表面形貌的影响进行相关的研究。发明人在申请号为ZL201210162358.5的专利中，对铣削加工规则曲面表面形貌的建模提出了方法，而本发明是针对自由曲面的表面形貌建模问题。本发明克服了上述工件表面形貌的建模方法存在的不足，根据球头铣刀切削刃的特点，建立切削轨迹方程，并进一步将刀具磨损对切削轨迹的影响考虑在内，对刀具磨损后的自由曲面的工件表面形貌进行研究，从而可以解决自由曲面铣削加工过程中表面形貌的生成问题，形成考虑刀具磨损等影响因素在内的规则曲面与自由曲面的工件表面形貌的生成模型。
【发明内容】
[0003]本发明的目的，在于提供一种多轴铣削加工工件表面形貌建模方法，可解决铣削加工过程中刀具磨损引起的工件表面形貌的建模问题。
[0004]为了达成上述目的，本发明的解决方案是:
[0005]1、一种多轴铣削加工工件表面形貌建模方法，其特征在于包括如下步骤:
[0006](I)离散球头铣刀切削刃为一系列切削微元，分析铣削加工过程中球头铣刀切削刃运动轨迹，建立球头铣刀切削刃上切削微元的切削运动轨迹方程；每个离散微元与球心位置的连线和刀具主轴的夹角称离散微元的位置角，分析铣削加工过程中球头铣刀切削刃运动轨迹，不同位置角处的切削微元在切削时线速度不同，且这些切削微元在加工过程中同时存在着直线进给运动与自身绕刀具主轴的旋转运动。因此，除刀具球头刀尖点外球头切削刃上其它切削微元的运动轨迹将形成一系列的次摆线。为了分析刀具切削刃的运动轨迹在工件上形成的形貌，以离散后的切削微元P点作为研究对象，通过分析切削微元P点在走刀过程中的运动轨迹，得到点P在工件上最终留下的切削轨迹。考虑直线运动和旋转运动，当刀具未发生磨损时，任一切削微元P点在工件坐标系中的理论切削轨迹方程如式(I)所示:
[0007]
【权利要求】
1.一种多轴铣削加工工件表面形貌建模方法，其特征在于包括如下步骤: (I)离散球头铣刀切削刃为一系列切削微元，分析铣削加工过程中球头铣刀切削刃运动轨迹，建立球头铣刀切削刃上切削微元的切削运动轨迹方程；每个离散微元与球心位置的连线和刀具主轴的夹角称离散微元的位置角，分析铣削加工过程中球头铣刀切削刃运动轨迹，不同位置角处的切削微元在切削时线速度不同，且这些切削微元在加工过程中同时存在着直线进给运动与自身绕刀具主轴的旋转运动；因此，除刀具球头刀尖点外球头切削刃上其它切削微元的运动轨迹将形成一系列的次摆线；为了分析刀具切削刃的运动轨迹在工件上形成的形貌，以离散后的切削微元P点作为研究对象，通过分析切削微元P点在走刀过程中的运动轨迹，得到点P在工件上最终留下的切削轨迹；考虑直线运动和旋转运动，当刀具未发生磨损时，任一切削微元P点在工件坐标系中的理论切削轨迹方程如式(I)所示:
其中，x、y、z为切削微元P点经过一段时间的切削加工后的坐标，xn、yn、zns P点起始坐标，xf、yf、zf为单位时间的刀具进给速度f在ox、oy、oz方向的分量,t为切削加工时间，Y为P点所处位置的螺旋滞后角，r = tan(/0(l-cos^)，β。为刀具的最大螺旋角，凡(供)为P点所处位置角P处的刀具径向半径，^Λφ) = ^^ηφ, Rtl为未磨损时的球头铣刀半径，ω为刀具主轴旋转角速度，识为P点与球头中心O的连线与刀具主轴Z的夹角，即为描述切削微元所在位置的位置角，h是刀具的切削深度，亦是MK1、Mk2分别是刀具的旋转变换矩阵，分别由式(2)、(3)求解:
cos (η ) -Sin(Tl)
Mm = sin ( r,) Uis(Tl)(2)
I
cos(r2) -sin(r?) Mr2 =I(3)
sin(r,) cos(r,) 式中，T1是刀具主轴与XOZ平面的夹角，τ2是刀具主轴与y0Z平面的夹角； 当把加工过程中刀具磨损对刀具切削刃运动轨迹的影响考虑在内时，随着刀具不断磨损，刀具切削刃同一高度上的切削微元所对应的径向半径r及其所对应的位置角P都将发生变化；因此，当考虑加工过程中的刀具磨损量时，任一切削微元P点的切削轨迹可由式(4)表示:其中，X’、y’、Z'为考虑刀具磨损时切削微元P点经过一段时间的切削加工后的坐标，xn> yn、zn为P点起始坐标，xf、yf、zf为单位时间的刀具进给速度f在ox、oy、oz方向的分量，t为切削加工时间，Y为P点所处位置的螺旋滞后角，;7 = Ian(A1)(1-Cosp)，β ^为刀具的最大螺旋角，^'(φ)为P点所处的位置角$处的刀具磨损后的径向半径，Η(φ)为切削微元P点所处的位置角A对应的高度，即切削微元所在的截平面高度，Rtl为未磨损时的球头铣刀半径，ω为刀具主轴旋转角速度，9为？点与球头中心O的连线与刀具主轴Z的夹角，SP为描述切削微元所在位置的位置角，ΜΚ1、ΜΚ2分别是刀具的旋转变换矩阵，分别由式(2)、(3)求解:
为刀具磨损后P点高度处的球头径向半径，由式(5)求解:
【文档编号】G05B19/19GK103713576SQ201310751457
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】张臣, 张海艳, 周来水 申请人:南京航空航天大学