一种五轴加工中心铣削力计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种五轴加工中心铣削力计算方法，所述方法包括以下步骤：计算未变形切削厚度；通过未变形切削厚度建立铣削力模型，通过铣削力模型计算五轴加工中心铣削力。本发明基于刀具切削刃微分化的思想，揭示了五轴加工中心刀具真实运动轨迹，以及微元瞬时未变形切削厚度，考虑到耕犁力对铣削力的影响，从而提高了计算五轴加工瞬时切削力的精度。
【专利说明】一种五轴加工中心铣削力计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数控加工【技术领域】，尤其涉及一种五轴加工中心铣削力计算方法。
【背景技术】
[0002] 在航空航天、汽车、船舶和各种高技术装备中，具有复杂空间型面几何特征的零件 应用日益广泛，在实现系统力学性能、光学性能、流体性能等物理性能要求方面扮演重要角 色。五轴联动数控技术在复杂型面的加工中具有独特的优势，即可以通过调整刀具的位姿 使刀具保持最优的切削状态并避免刀具干涉，从而提高了零件的加工制造精度。铣削力为 加工过程中的参数优化，加工精度的提升提供了重要的理论依据，因此针对复杂型面零件 的铣削加工进行铣削力的精确计算具有十分重要的意义。
[0003] (1)曹清园对复杂型面加工中的铣削力和加工误差补偿进行了研究。建立了五轴 机床球头铣刀曲面加工中的铣削力模型，基于此模型又提出了加工误差补偿的方法（参见 基于铣削力建模的复杂曲面加工误差补偿研究[D].山东大学，2011)。
[0004] (2)Huang T，Zhang X和Ding H对铣削厚度进行解耦分析，建立了五轴加工 中心统削力模型（参见 Huang T, Zhang X，Ding H(2Ol3)Decoupled chip thickness calculation model for cutting force prediction in five-axis ball-end milling. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 69(5-8):1203-1217)〇
[0005] (3) Azeem A和Feng H-Y通过对刀具真实切削轨迹的分析，建立了统削力的预测 模型，并通过实验验证该模型的准确性（参见Azeem A，Feng H_Y(2013)Cutting force prediction for ball-end mills with non-horizontal and rotational cutting motions.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 67(5-8):1833-1845)。
[0006] 文献（I) (2)中所建立的铣削力模型，其中瞬时未变形切削厚度是以圆弧近似计 算获得，然而此方法仅适用于刀具每齿进给量与刀具直径的比值极小时，对于实际的加工 而言，所建立的力学模型并不精确。
[0007] 文献（3)中提出了刀具类摆线运动的铣削力预测模型，分析了刀具的真实运动轨 迹，但此模型仅适用于三轴机床。
【发明内容】
[0008] 本发明旨在通过对五轴加工中心刀具真实运动轨迹的分析，考虑到耕犁力对铣削 力的影响，提出一种能够快速准确计算五轴铣削力的计算方法，为高精密加工复杂曲面零 件提供理论依据，详见下文描述：
[0009] -种五轴加工中心铣削力计算方法，所述方法包括以下步骤：
[0010] 计算未变形切削厚度；
[0011] 通过未变形切削厚度建立铣削力模型，通过铣削力模型计算五轴加工中心铣削 力；
[0012] 其中，所述未变形切削厚度为：
【权利要求】
1. 一种五轴加工中心铣削力计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 计算未变形切削厚度； 通过未变形切削厚度建立铣削力模型，通过铣削力模型计算五轴加工中心铣削力； 其中，所述未变形切削厚度为：
式中，#,? ,Z^和C分别表示M，N点在工件坐标系下的三维坐标；M，N分别 为第一、二条刀刃上某一微元点。
2. 根据权利要求1所述的一种五轴加工中心铣削力计算方法，其特征在于，所述计算 未变形切削厚度的步骤为： 建立刀具切削刃线的参数模型；根据五轴机床类型，建立刀具在切削工件时的轨迹方 程； 采用分段三次非均匀有理B样条曲线表示刀具切削刃，通过非均匀有理B样条曲线和 被切除材料实体之间的求交运算，获得刀刃微元在切削过程中的有效切削区间，计算刀具 微元瞬时未变形切削厚度。
3. 根据权利要求1所述的一种五轴加工中心铣削力计算方法，其特征在于，所述铣削 力模型为： 在某一时刻，任意位置角P，作用在刀具上的切削合力通过对所有参与切削的切削微 元的受力进行累加得到，其各向分力如下：
式中，巧⑷,/^⑷⑷分别表示刀具整体切削力在工件坐标系Xw，Yw，Zw三个方向 上的分力，dz表示切削微元在Z方向的切削厚度；Nf表示刀具切削刃个数；zl,，表示 刀具切削刃微元的有效切削范围，(的，Α?.(㈧，(㈧分别表示微元在工件坐标 系Xw，Yw，Zw三个方向上的分力。
【文档编号】G06F19/00GK104462775SQ201410636591
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月12日 优先权日:2014年11月12日
【发明者】何改云, 马文魁, 丁伯慧, 郭龙真, 郎爱蕾 申请人:天津大学