專利名稱：五軸側(cè)銑加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)，尤其涉及曲面五軸數(shù)控側(cè)銑加工方法。
背景技術(shù)：
相對(duì)于傳統(tǒng)的點(diǎn)銑加工，五軸側(cè)銑加工效率一般十倍于五軸點(diǎn)銑加工，在航空發(fā) 動(dòng)機(jī)整體式葉輪、大型螺旋槳等葉片類空間曲面的五軸加工過(guò)程中，特別是粗加工和半精 加工中，五軸側(cè)銑加工方式比點(diǎn)銑加工有著明顯的優(yōu)勢(shì)。在五軸側(cè)銑加工中，為高效和精密加工零件，首先要進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，包括刀具 路徑規(guī)劃、切削力計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化；刀具路徑規(guī)劃，是由CAM商業(yè)軟件或CAM自由軟件生成NC代碼，NC代碼包括離散 參考點(diǎn)和刀軸矢量離散點(diǎn)，見(jiàn)文獻(xiàn)《UG CAM實(shí)用教程》，(Ine U.S.編著，清華大學(xué)出版社， 2003年)；切削力計(jì)算，先由NC代碼生成連續(xù)刀具路徑，由連續(xù)刀具路徑得到切削厚度，再 根據(jù)切削深度、進(jìn)給率和切削厚度計(jì)算切削力；工藝參數(shù)優(yōu)化，是依據(jù)切削力閾值和加工過(guò) 程穩(wěn)定優(yōu)化工藝參數(shù)，見(jiàn)文獻(xiàn)《優(yōu)化選取軸向和徑向切削深度最大化無(wú)顫振下銑削加工材 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、零件表面質(zhì)量以及刀具磨損等都依賴于切削力的計(jì)算，計(jì)算加工 中的切削力，是為了加工過(guò)程中刀具系統(tǒng)受力不超過(guò)設(shè)計(jì)閾值，并且應(yīng)當(dāng)保證切削力的平 穩(wěn)變化，以達(dá)到五軸側(cè)銑加工的高效和高精度；其中切削厚度計(jì)算是計(jì)算切削力的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的五軸側(cè)銑瞬態(tài)切削厚度計(jì)算方法都是通過(guò)離散刀具切削區(qū)域，分配切削負(fù) 載來(lái)實(shí)現(xiàn)的，見(jiàn)文獻(xiàn)《飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪虛擬五軸側(cè)銑加工，第一部分五軸側(cè)銑加工切削力》 (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)，利用確定的刀具路徑和工藝參數(shù)，將 刀具切削區(qū)域分片，計(jì)算每片的進(jìn)給和切削厚度，進(jìn)而計(jì)算切削力。但是這種方法假定在每 片切削區(qū)域中的進(jìn)給和切削厚度是固定的，沒(méi)有考慮五軸側(cè)銑過(guò)程中由于刀具路徑的變化 引起的實(shí)際參與切削的負(fù)載在每點(diǎn)都是不同的，不能反映真實(shí)的加工狀況，因此獲得的五 軸側(cè)銑瞬態(tài)切削厚度和五軸側(cè)銑切削力是近似的。本發(fā)明在計(jì)算切削厚度時(shí)，需要計(jì)算刀具包絡(luò)面和瞬時(shí)接觸線，朱利民等，在文 獻(xiàn)《利用球族包絡(luò)理論求解回轉(zhuǎn)刀具掃描面解析表達(dá)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,)中提供了計(jì)算刀具包絡(luò)面的方法。孫 家廣等，在文獻(xiàn)《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》(清華大學(xué)出版社，1998年，第4 頁(yè)-433頁(yè))中提供了 計(jì)算曲面與曲面交線的方法，計(jì)算瞬時(shí)接觸線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種五軸側(cè)銑加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法，解決現(xiàn)有工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法的 切削力計(jì)算中，每片切削區(qū)域中的進(jìn)給和切削厚度固定，不能反映真實(shí)加工狀況的問(wèn)題，以 準(zhǔn)確計(jì)算切削力，為精密、高效加工空間曲面提供可靠保證。本發(fā)明的五軸側(cè)銑加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法，包括刀具路徑規(guī)劃步驟、切削力計(jì)算 步驟和工藝參數(shù)優(yōu)化步驟，所述刀具路徑規(guī)劃步驟，由CAM商業(yè)軟件或CAM自由軟件生成NC 代碼，NC代碼包括離散參考點(diǎn)和刀軸矢量離散點(diǎn)；所述切削力計(jì)算步驟，先由NC代碼生成 連續(xù)刀具路徑，由連續(xù)刀具路徑得到切削厚度，再根據(jù)切削深度、進(jìn)給率和切削厚度計(jì)算切 削力；所述工藝參數(shù)優(yōu)化步驟，判斷計(jì)算出的切削力是否不大于設(shè)計(jì)閾值，是則將NC代碼、 切削深度和進(jìn)給率作為輸入?yún)?shù)，否則轉(zhuǎn)刀具路徑規(guī)劃步驟，重新生成NC代碼；其特征在 于所述切削力計(jì)算步驟包括下述子步驟(1)計(jì)算刀具路徑將NC代碼，擬合成連續(xù)的刀具路徑，刀具路徑由參考點(diǎn)曲線和 刀軸矢量曲線組成；(2)計(jì)算刀具包絡(luò)面根據(jù)刀具路徑和具體的刀具幾何計(jì)算刀具包絡(luò)面，通過(guò)文 獻(xiàn)《利用球族包絡(luò)理論求解回轉(zhuǎn)刀具掃描面解析表達(dá)式》中提供的計(jì)算刀具包絡(luò)面解析表 達(dá)式的方法，得到刀具包絡(luò)面解析表達(dá)式，所述刀具幾何為刀具的幾何形狀和尺寸；(3)計(jì)算瞬時(shí)接觸線由刀具包絡(luò)面解析表達(dá)式和工件毛坯幾何，通過(guò)文獻(xiàn)《計(jì)算 機(jī)圖形學(xué)》中提供的計(jì)算曲面與曲面交線的方法，計(jì)算瞬時(shí)接觸線；所述工件毛坯幾何是指 工件毛坯實(shí)體的幾何形狀和尺寸；所述瞬時(shí)接觸線是指在在某個(gè)時(shí)刻，工件毛坯和刀具包 絡(luò)面的實(shí)際接觸曲線；(4)計(jì)算切削厚度由瞬時(shí)接觸線計(jì)算接觸線上離散點(diǎn)的切削厚度，所述切削厚 度是指瞬時(shí)接觸線上離散點(diǎn)到本次切削前工件毛坯外輪廓上對(duì)應(yīng)垂足的距離；(5)計(jì)算切削力由切削厚度、切削深度和進(jìn)給率，通過(guò)文獻(xiàn)《飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪虛 擬五軸側(cè)銑加工，第一部分五軸側(cè)銑加工切削力》中提供的計(jì)算切削力的方法，計(jì)算切削 力。所述的五軸側(cè)銑加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述子步驟⑴中，參考點(diǎn)曲線采用非均勻有理樣條曲線擬合方法，將NC代碼中 的離散參考點(diǎn)T1, r2, ... iv··，rffl+1擬合為一條參考點(diǎn)曲線r (t)，該曲線為NURBS曲線，其中 t是自變量，為時(shí)間或距離；所述子步驟⑴中，刀軸矢量曲線擬合過(guò)程如下(1.1)求解四元數(shù)& Qi =^a^)(cos^ + lsin^)(l + T^j + T^k)，z=1，2，...，w + 1，其中，m+1為四元數(shù)的個(gè)數(shù)，為自然數(shù)；Φ是1軸自由轉(zhuǎn)角，Si為NC代碼中的刀軸 矢量離散點(diǎn)，Six，Siy和Siz是Si的三個(gè)分量；1，j和k分別是X，y和ζ軸的單位向量
權(quán)利要求
1.一種五軸側(cè)銑加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法，包括刀具路徑規(guī)劃步驟、切削力計(jì)算步驟和 工藝參數(shù)優(yōu)化步驟，所述刀具路徑規(guī)劃步驟，由CAM商業(yè)軟件或CAM自由軟件生成NC代碼， NC代碼包括離散參考點(diǎn)和刀軸矢量離散點(diǎn)；所述切削力計(jì)算步驟，先由NC代碼生成連續(xù)刀 具路徑，由連續(xù)刀具路徑得到切削厚度，再根據(jù)切削深度、進(jìn)給率和切削厚度計(jì)算切削力； 所述工藝參數(shù)優(yōu)化步驟，判斷計(jì)算出的切削力是否不大于設(shè)計(jì)閾值，是則將NC代碼、切削 深度和進(jìn)給率作為輸入?yún)?shù)，否則轉(zhuǎn)刀具路徑規(guī)劃步驟，重新生成NC代碼；其特征在于所述切削力計(jì)算步驟包括下述子步驟(1)計(jì)算刀具路徑將NC代碼，擬合成連續(xù)的刀具路徑，刀具路徑由參考點(diǎn)曲線和刀軸 矢量曲線組成；(2)計(jì)算刀具包絡(luò)面根據(jù)刀具路徑和具體的刀具幾何計(jì)算刀具包絡(luò)面，通過(guò)文獻(xiàn)《利 用球族包絡(luò)理論求解回轉(zhuǎn)刀具掃描面解析表達(dá)式》中提供的計(jì)算刀具包絡(luò)面解析表達(dá)式的 方法，得到刀具包絡(luò)面解析表達(dá)式，所述刀具幾何為刀具的幾何形狀和尺寸；(3)計(jì)算瞬時(shí)接觸線由刀具包絡(luò)面解析表達(dá)式和工件毛坯幾何，通過(guò)文獻(xiàn)《計(jì)算機(jī)圖 形學(xué)》中提供的計(jì)算曲面與曲面交線的方法，計(jì)算瞬時(shí)接觸線；所述工件毛坯幾何是指工件 毛坯實(shí)體的幾何形狀和尺寸；所述瞬時(shí)接觸線是指在在某個(gè)時(shí)刻，工件毛坯和刀具包絡(luò)面 的實(shí)際接觸曲線；(4)計(jì)算切削厚度由瞬時(shí)接觸線計(jì)算接觸線上離散點(diǎn)的切削厚度，所述切削厚度是 指瞬時(shí)接觸線上離散點(diǎn)到本次切削前工件毛坯外輪廓上對(duì)應(yīng)垂足的距離；(5)計(jì)算切削力由切削厚度、切削深度和進(jìn)給率，通過(guò)文獻(xiàn)《飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪虛擬五 軸側(cè)銑加工，第一部分五軸側(cè)銑加工切削力》中提供的計(jì)算切削力的方法，計(jì)算切削力。
2.如權(quán)利要求1所述的五軸側(cè)銑加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述子步驟(1)中，參考點(diǎn)曲線采用非均勻有理樣條曲線擬合方法，將NC代碼中的離 散參考點(diǎn)T1, r2, -Γ?！ぁ?Γω+1擬合為一條參考點(diǎn)曲線r(t)，該曲線為NURBS曲線，其中t是 自變量，為時(shí)間或距離；所述子步驟(1)中，刀軸矢量曲線擬合過(guò)程如下(1.1)求解四元數(shù)& :
3.如權(quán)利要求1所述的五軸側(cè)銑加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其特征在于 所述子步驟(4)計(jì)算切削厚度，過(guò)程如下(4. 1)首先按文獻(xiàn)《微分幾何》給出的等參數(shù)法將工件毛坯X網(wǎng)格化成9片，計(jì)算瞬時(shí) 接觸線上的任意點(diǎn)ρ到各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的距離，找到最小距離Cltl所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)\ ；(4. 2)在工件毛坯X上以節(jié)點(diǎn)\作為初始點(diǎn)\，將d。作為初始距離db，進(jìn)行過(guò)程(4. 3)； (4. 3)計(jì)算工件毛坯X在)(b點(diǎn)的切平面，將點(diǎn)ρ投影到切平面上，得到垂足Pb ； (4. 4)在切平面\上取點(diǎn)pb+1 = Xb+s (pb-Xb)，常數(shù)s = 0. 005 0. 01，將點(diǎn)pb+1投影到 工件毛坯X之上，得到垂足，求出點(diǎn)P到垂足Xb+1之間的距離db+1 ；(4. 5)判斷是否|db+1-db| ( 0. 005mm，是則將db+1即作為任意點(diǎn)ρ的切削厚度，退出計(jì) 算，否則轉(zhuǎn)過(guò)程(4.6)；(4. 6)將作為初始點(diǎn)XbJf 作為初始距離db，轉(zhuǎn)過(guò)程(4. 3)。
全文摘要
五軸側(cè)銑加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法，屬于數(shù)控加工技術(shù)，解決現(xiàn)有工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法切削力計(jì)算中，不能反映真實(shí)加工狀況的問(wèn)題。本發(fā)明包括刀具路徑規(guī)劃、切削力計(jì)算和工藝參數(shù)優(yōu)化步驟，刀具路徑規(guī)劃步驟，由CAM軟件生成NC代碼；切削力計(jì)算步驟，先由NC代碼生成連續(xù)刀具路徑，再得到切削厚度，依據(jù)切削厚度計(jì)算切削力；工藝參數(shù)優(yōu)化步驟，判斷計(jì)算出的切削力是否不大于設(shè)計(jì)閾值，是則將NC代碼、切削深度和進(jìn)給率作為輸入?yún)?shù)，否則重新生成NC代碼。本發(fā)明利用刀具包絡(luò)面解析表達(dá)式，反映了真實(shí)加工狀況，獲得的瞬態(tài)切削厚度更加精確，從而提高了切削厚度和切削力計(jì)算的準(zhǔn)確性，為精密、高效加工空間曲面提供可靠保證。
文檔編號(hào)G05B19/19GK102129232SQ201110077039
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者丁漢, 張小明, 熊有倫 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)