集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法技术

本发明专利技术提供集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法。该方法首先以外轮廓向内偏置、内轮廓向外偏置的方式，逐层构建型腔的环切走刀轨迹；然后，预测沿该环切路径加工时材料去除率的变化，自动识别并划分出型腔的危险加工区域；进而，采用变半径的摆线走刀轨迹填充危险加工区域，以替代环切轨迹，并调节摆线走刀的进给速度、径向切削深度等参数，以保持摆线走刀与环切走刀时材料去除率的基本一致。本发明专利技术提出的加工轨迹生成方法，能够避免型腔加工过程中由于材料去除率的变化而造成的刀具瞬时冲击载荷过大，有助于提升加工进给速度与型腔的加工效率，并延长刀具使用寿命。

Method for generating machining path of integrated cavity ring and variable radius cycloid trajectory

The invention provides a method for generating a machining path of a cavity with an integrated annular cutting path and a variable radius cycloid trajectory. Firstly, the inner contour of outside contour inward bias outwardly biased, hierarchically constructing cavity ring cutting tool path; then, the prediction along the ring cutting path when processing the material removal rate changes, automatic identification and division of dangerous processing area cavity; then, the variable radius of cutter cycloid dangerous track filling processing area to replace the ring cutting trajectory, feed speed, and adjust the cycloidal cutter radial cutting depth and other parameters, in order to maintain the cycloidal cutter and ring cut material removal rate is basically the same. Tool path generation method provided by the invention can avoid the cavity in the process of instantaneous impact load due to tool material removal rate changes caused by too large, helps enhance the processing efficiency and processing speed of the feed cavity, and prolong the service life of the cutter.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机械加工的CAD/CAM技术，具体为一种针对型腔加工的集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法。
技术介绍
随着高速铣削在型腔加工中的应用日益广泛，常规的环切走刀轨迹存在的问题越来越明显。在环切刀轨的规划过程中，难以避免地会生成许多凹凸拐角与狭窄加工区域。在加工这些危险区域时,往往会出现材料去除率的瞬时突变，从而导致刀具负载的突变，严重影响刀具寿命并大大限制了加工效率的提升。为了更好地发挥高速铣削对复杂型腔加工的适应能力，同时进一步提高刀具寿命，亟需既能够维持相对稳定的加工负载,同时又具有较高加工效率的加工轨迹自动生成方法。有关研究表明，摆线铣削方式能够很好地解决切削负载的突变问题。由于摆线的轨迹是连续的，加工过程中刀具接触角和径向深度变化平缓且可控，且不会受到加工区域形状改变的影响，能很好地保持材料去除率的稳定，因而适用于危险加工区域的高速铣削加工。在提升进给速度而减少加工时间的同时，还能够延长刀具寿命。然而，由于摆线走刀轨迹包含空切段，相对于传统的环切走刀路径，其加工路径的总长度更长。对于危险加工区域以外的加工区域，采用传统的环切走刀即可维持材料去除率的稳定，因而使用环切走刀轨迹可以获得比摆线走刀轨迹更高的加工效率。目前，已有的计算机辅助制造软件，例如SiemensNX，采用一种恒半径的摆线走刀路径，用于危险加工区域的加工。但是,恒半径的摆线走刀轨迹对复杂加工区域的适应性不强，易形成重叠的摆线轨迹，造成刀轨冗余，影响加工效率。变半径摆线走刀路径，相对于恒半径的摆线走刀路径，对所加工区域的几何形状具有更好适应性，通过一次走刀即可完成复杂区域的摆线铣削加工，从而避免出现重叠导轨；而且，可以通过自适应调节每个摆线周期的步长，维持最大径向切深Rdc的稳定。将变半径摆线走刀路径与传统的环切走刀路径合理地集成，可以为复杂型腔的高速铣削加工提供更高效率的加工方法。
技术实现思路
为了解决以上技术问题，本专利技术提出集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹自动生成方法。该方法针对复杂型腔加工，自动规划环切走刀路径与变半径摆线走刀路径，并能够保持加工过程中材料去除率的稳定，从而为复杂型腔的高速加工提供更高效率的加工方法。为达到以上目的，本专利技术采用了如下技术方案。集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法，其包括以下步骤:步骤1：在CAM软件中读取型腔轮廓信息，以型腔外轮廓向内偏置、型腔内轮廓同时向外偏置的方式，逐层构建型腔的环切走刀轨迹；步骤2：预测沿该环切走刀轨迹加工时材料去除率的变化，自动识别并划分出型腔的危险加工区域；步骤3：采用变半径摆线走刀轨迹填充危险加工区域，替代环切走刀轨迹；步骤4：调节摆线走刀的进给速度、径向切削深度等参数，保持摆线走刀与环切走刀时材料去除率的基本一致。进一步地，步骤2中所述材料去除率是指，刀具沿加工轨迹在具体位置上的瞬时材料去除率MRR，即单位时间内所去除材料的体积。进一步地，步骤2中所述危险加工区域是指，当刀具沿环切加工轨迹恒速进给时，其瞬时材料去除率MRR发生明显可识别的变化时，刀具所扫掠过的型腔区域。进一步地，步骤3中所述变半径摆线走刀轨迹具有如下特征：1)所述摆线指的是长幅旋轮线，即一个动圆沿着一条定直线作无滑动的滚动时，动圆外一定点的轨迹；动圆滚动一周，为一个摆线周期，滚动前后动圆圆心的距离为步距，动圆外定点到圆心距离为摆线的半径；2)变半径摆线刀轨每个周期的半径随加工区域宽度的变化而变化，为该加工区域的最大内切圆的半径Rc减去刀具半径Rt；3)变半径摆线刀轨的每个周期的步距S是可变的，能通过调节步距以维持加工过程中最大径向切削深度Rdc的恒定。进一步地，步骤3中所述变半径摆线走刀轨迹填充危险加工区域过程中，对于每个危险加工区域均进行以下步骤：步骤3-1：提取危险加工区域的中轴线；步骤3-2：根据选定的最大径向切削深度，沿其中一条中轴线生成所述变半径摆线走刀轨迹；步骤3-3：重复步骤3-2，直至遍历完成危险加工区域所有的中轴线轨迹。进一步地，步骤3-1所述危险加工区域的中轴线是指，由危险加工区域轮廓构成的平面封闭域区内所有最大内切圆圆心的集合。与现有技术相比，本专利技术的优点与效果在于：通过集成变半径摆线走刀路径与环切走刀路径，避免了环切走刀轨迹中危险加工区域材料去除率突变的问题，加工过程中材料去除率稳定且可控，特别适合高速铣削，能够充分发挥高速加工的优势，并能有效提高刀具寿命，防止刀具断裂；同时，使用变半径摆线能很好的适应危险加工区域的形状，减少了恒半径摆线刀轨冗余的问题。总的来说，本专利技术能够为复杂型腔的高速铣削加工提供更高效率的加工方法。附图说明图1是本专利技术的集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法的流程图。图2是环切走刀轨迹的示意图。图3是单刀位点材料去除率的几何分析图。图4是单刀位点材料去除率的几何分析俯视图。图5是某零件使用环切走刀轨迹时的材料去除率变化图。图6是变半径摆线刀轨单刀位的几何分析图。图7是沿着中轴线生成变半径摆线刀轨的示意图。图8是使用变半径摆线刀轨填充危险加工区域的示意图。图9是某零件使用本专利技术走刀轨迹时的材料去除率变化图。具体实施方式下面将结合附图和实例对本专利技术的具体实施作进一步说明，但本专利技术的实施和保护不限于此。图1是本专利技术的集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法的流程图。如图所示，包括以下步骤：(1)将型腔的模型输入CAM软件中，选取需要加工的区域，并设置相关加工参数，包括，刀具半径、进给速度、轴向切深、材料去除率等。根据给定的加工参数，计算出合适的环切走刀轨迹的偏置距离，对加工区域使用外轮廓向内偏置、同时内轮廓向外偏置的方法逐层构建环切走刀轨迹，如图2所示，为生成的环切走刀轨迹。(2)在环切走刀轨迹的规划过程中，难以避免的会产生许多拐角和狭窄区域(如图2)，被统称为危险加工区域。自动识别危险加工区域的方法如下：首先计算出走刀过程中的材料去除率。如图3和图4所示，D为两相邻走刀轨迹之间的行距，H为轴向切削深度，Vf为进给速度，Vfc为刀具上切削中点的进给速度，Rt为刀具半径，α为刀具圆周与零件的切触角度，则环切走刀轨迹的材料去除率MRR可由以下公式估算：MRR＝Rt·α·Vfc·H其中Vfc可用Vf近似代替以简化计算。由上述材料去除率的估算公式可知，在型腔加工过程中一般会按照恒定的轴向切深和进给速度进行加工，当沿环切走刀轨迹加工时，MRR会随着刀具圆周与零件切触角度的不同而改变。如图5所示，当材料去除率发生显著突变的时候(例如：超过A线20％以上)，可以定义刀具进入了危险加工区域。并且，为了方便后续处理，把这些临近的分散的区域连成一个或多个区域，并且区分出狭窄区域和拐角区域。(3)随后，使用变半径摆线走刀轨迹填充这些危险加工区域。(4)为了使变半径摆线走刀轨迹与环切走刀轨迹保持基本一致的材料去除率，可以通过数值计算生成具有恒定的最大径向切削深度Rdc的摆线走刀轨迹，并通过设置摆线走刀的进给速度Vf，以保持摆线走刀与环切走刀时材料去除率的基本一致。变半径摆线走刀轨迹的生成方法有以下步骤：(1)提取危险加工区域的轮廓信息，生成该轮廓对应的中轴线；(2)沿其中一条中轴线生成变半径摆线走本文档来自技高网...

【技术保护点】
集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法，其特征在于包括以下步骤:步骤1：在CAM软件中读取型腔轮廓信息，以型腔外轮廓向内偏置、型腔内轮廓同时向外偏置的方式，逐层构建型腔的环切走刀轨迹；步骤2：预测沿该环切走刀轨迹加工时材料去除率的变化，自动识别并划分出型腔的危险加工区域；步骤3：采用变半径摆线走刀轨迹填充危险加工区域，替代环切走刀轨迹；步骤4：调节摆线走刀的进给速度、径向切削深度等参数，保持摆线走刀与环切走刀时材料去除率的基本一致。

【技术特征摘要】
1.集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法，其特征在于包括以下步骤:步骤1：在CAM软件中读取型腔轮廓信息，以型腔外轮廓向内偏置、型腔内轮廓同时向外偏置的方式，逐层构建型腔的环切走刀轨迹；步骤2：预测沿该环切走刀轨迹加工时材料去除率的变化，自动识别并划分出型腔的危险加工区域；步骤3：采用变半径摆线走刀轨迹填充危险加工区域，替代环切走刀轨迹；步骤4：调节摆线走刀的进给速度、径向切削深度等参数，保持摆线走刀与环切走刀时材料去除率的基本一致。2.根据权利要求1所述的集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法，其特征在于：步骤2中所述材料去除率是指，刀具沿加工轨迹在具体位置上的瞬时材料去除率MRR，即单位时间内所去除材料的体积。3.根据权利要求1所述的集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法，其特征在于：步骤2中所述危险加工区域是指，当刀具沿环切加工轨迹恒速进给时，其瞬时材料去除率MRR发生明显可识别的变化时，刀具所扫掠过的型腔区域。4.根据权利要求1所述的集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法，其特征在于：步骤3中所述变半径摆线走刀...

【专利技术属性】
技术研发人员：李静蓉，廖昭洋，王清辉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44