一种五轴侧铣加工过程中瞬时未变形切屑厚度计算方法技术

一种五轴侧铣加工过程中瞬时未变形切屑厚度计算方法，该方法首先建立工件坐标系，确定当前参与切削刀刃的刀具圆柱运动方程，以及之前各刀刃对应的刀具圆柱位置；再建立刀具坐标系，将刀刃沿轴向离散成微元，考虑刀具偏心作用，确定各刀刃微元点在刀具坐标系下的坐标；建立坐标变换矩阵，将刀具坐标系下的各点坐标转换到工件坐标系下；将切屑厚度的计算问题转变为计算某一定点的直线与已知曲面的交点问题。本发明专利技术充分考虑了刀具的轴向偏心与径向偏心，所提供的计算方法能够高精度、高效率地计算五轴侧铣加工过程中的瞬时未变形切屑厚度，解决了现有方法在使用过程中预测精度差和计算效率低的问题，为计算切削力提供了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种五轴侧铣加工过程中瞬时未变形切屑厚度计算方法
本专利技术涉及一种五轴侧铣加工过程中瞬时未变形切屑厚度计算方法，对实现铣削力预测和加工仿真具有重要意义，本专利技术属于机械机加工
技术背景切削力是切削过程中的重要物理参数,是金属切削过程中必不可少的重要因素，切削力的不稳定不仅可能造成刀具的折断、崩刃、欠切、过切等现象，也会对工件表面质量产生影响。而切削力模型是加工状态物理仿真研究的基础，通过切削力模型预测不同加工条件下的切削力，为进一-步优化切削参数、预测切削系统振动、监控刀具磨损和破损、进行加工误差分析提供理论依据，因此建立合理的切削力模型对研究切削机理和指导实际切削加工具有重要意义。但在实际数控加工中，由于刀具存在制造与安装的误差，所以在切削过程中不可避免的存在径向偏心和轴向偏心，使切削力产生波动，容易产生过切、欠切等现象，影响加工精度及表面质量。因而准确计算刀具跳动时的未变形切屑厚度成为了重中之重。文献1“XingZ,JunZ,BoP,WanHuaZ.Anaccuratepredictionmethodofcuttingforcesin5-axisflankmillingofsculpturedsurface[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2016,104(2016):26-36.”公开了一种五轴机床的切削力高精度预测方法，包括了一种对瞬时未切屑厚度的计算方法。并通过仿真切削力与实测切削力的对比，验证了该方法的有效性。然而该方法在计算瞬时未切屑厚度时运用了迭代求解的思想，使求解速率降低。文献2“QiangG,BoZ,YanJ,WuZ.Cuttingforcemodelingfornon-uniformtoolsbaseoncompensatedchipthicknessinfive-axisflankmillingprocess[J].PrecisionEngineering,2018,51(2018):659-681.”公开了一种五轴机床的切削力高精度预测方法，包括一种对瞬时未变形力厚度的计算方法。并通过仿真切削力与实测切削力对比，验证了该方法的有效性。相比文献1，文献2的计算速率有明显提高，然而该方法没有考虑刀具偏心，使得计算结果与实际情况不符。为了提高切削力预测的运算速度，同时考虑到实际加工情况。本专利技术在考虑刀具轴向偏心和径向偏心的情况下，设计了一种数形结合的方法对切屑厚度进行了准确地计算，解决了加工过程中切屑厚度的计算问题。本专利技术所提供的计算方法能够高精度地计算切屑厚度，并为计算切削力提供了基础。在保证计算精度的前提下，为了提高铣削力预测中切屑厚度的计算速率，同时考虑存在刀具偏心的实际条件，本专利技术提供了一种五轴侧铣加工过程中瞬时未变形切屑厚度计算方法。本专利技术是通过如下技术方案实现的:一种五轴侧铣加工过程中瞬时未变形切屑厚度计算方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立工件坐标系，确定当前参与切削刀刃的刀具圆柱位置坐标，以及之前各刀刃对应的刀具圆柱位置坐标:1)在立式铣削加工中心工件固定位置建立坐标系OW-XYZ，取工件端面中心点为坐标原点OW点，工件坐标系的三个坐标轴分别为XW轴、YW轴和ZW轴；2)建立刀具下底面中心点Q0(t)、刀具轴向切深上端面O0(t)在工件坐标系下运动的参数方程，其中Q0(t)的坐标为:O0(t)的坐标为:其中,r1为Q0(t)点与工件坐标系ZW轴的距离；r2为O0(t)点与工件坐标系ZW轴的距离，r2＝r1+h2sin(θy(t))，h2为刀具轴向切深；ω1为刀具下底面中心点Q0(t)绕工件坐标原点运动的角速度；t为累计转过角度步长的时间；h1为刀具下底面中心点Q0(t)与工件坐标系坐标原点OW在ZW方向垂直高度,θy(t)为刀具绕工件坐标系YW轴旋转的角度函数；3)此时相应位置前1,2,3...Nf齿的刀具圆柱位置坐标刀具下底面中心点Qk(t))表示为:其中k＝1,2,3...Nf；为刀具自转一周的时间，Nf为刀齿个数；步骤2，建立刀具坐标系，将刀刃沿轴向离散成微元，考虑刀具偏心作用，确定各刀刃微元点在刀具坐标系下的坐标；1)在立式铣刀加工中心刀柄下端面中心处建立刀具坐标系OC-XYZ，取刀柄下端面中心为刀具坐标系的坐标原点OC，初始时刻刀具坐标系的XC轴，YC轴和ZC轴分别平行于工件坐标系的XW轴，YW轴和ZW轴；2)将刀刃离散化处理，点Pi,j(t)为刀具第i个刀齿，第j个微元在刀具坐标系内t时刻的坐标为:其中，Ri,j为第i个齿、第j个微元的刀刃半径；ω2为刀具转动的角速度；dz为刀刃离散微元高度R未偏心时的刀具半径，αhelix为刀具的螺旋角，Nf为刀齿个数，ρ为刀具的轴向偏心值，λ为刀具的径向偏心值；步骤3，根据确定的刀刃运动方程建立坐标变换矩阵，将刀具坐标系下的各点坐标转换到工件坐标系下描述；刀具加工时绕工件坐标轴YW转过的角度为θy(t),得到绕YW轴的旋转矩阵为:刀具加工时绕工件坐标轴ZW转过的角度为ω1*t,得到绕ZW轴的旋转矩阵为:根据步骤1中2)的刀具运动的参数方程和步骤2中2)的刀刃微元在刀具坐标系下的坐标，则当前第i齿、第j个微元高度，任意时刻的刀刃微元在工件坐标系下的坐标为:步骤4，定义切屑厚度，并将切屑厚度的计算问题转变为计算过某一定点的直线与已知曲面的交点问题；记当前时刻切削的i齿，第j个微元高度的切削微元的刀刃点为Pi,j,w(t),该时刻刀具圆柱轴上与之同为第j个微元高度的点为S6,j,w(t),直线Pi,j,w(t)-S6,j,w(t)与前1,2,3...Nf齿的切削轨迹曲面交点为S2,k，点S2,k与点Pi,j,w(t)的距离hi,j,k等于为其中为S6,j,w(t)点与S2,k点组成的线段长度；根据以上所述，定义切屑厚度为:h＝max(0,min(hi,j,k))其中min(hi,j,k)为S6,j,w(t)点与S2,k点组成的线段长度的最小值，max(0,min(hi,j,k))为0和min(hi,j,k)的最大值；步骤5，根据圆柱与直线交点和一些几何关系求解直线与曲面的交点；并根据求解出来的交点计算切屑厚度；通过以下方法求解S2,k点的坐标，并得到切屑厚度:1)1)将直线Pi,j,w(t)-S6,j,w(t)向前T/Nf时刻刀具圆柱底面投影，得到投影面方程为:X+B1Y+C1Z+D1＝0其中B1，C1，D1均为常数；根据Q0(t)点坐标和O0(t)点坐标得到圆柱底面方程为:A2X+B2Y+C2Z+D2＝0其中A2，B2，C2，D2均为常数；根据Q0(t)的坐标得到圆柱底面圆所在球面方程为:其中Ri,1是第i齿，第1个微元高度的刀具半径；联立投影面方程、圆柱底面方程、圆柱底面圆所在球面方程得到两个交点，记距离切削微元的刀刃点Pi,j,w(t)最近的点为S1,1,S2，将S1,1,S2沿着前T/Nf时刻刀具圆柱法向量前进j长度得到S1,1，将S1,1经过工件坐标系与刀具坐标系的逆变换得到S1,1在前T/Nf时刻刀具圆柱中的第j1个微元高度，记前T/Nf时刻刀具在第j1个微元高度的切削点坐标为S7,1，记前T/Nf时刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五轴侧铣加工过程中瞬时未变形切屑厚度计算方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1,建立工件坐标系，并确定当前刀刃对应的刀具圆柱和之前各刀刃对应的刀具圆柱位置坐标:1)在立式铣削加工中心工件固定位置建立坐标系OW‑XYZ，取工件端面中心点OW为坐标原点，工件坐标系的三个坐标轴分别为XW轴、YW轴和ZW轴；2)建立刀具下底面中心点Q0(t)、刀具轴向切深上端面O0(t)在工件坐标系下运动的参数方程，其中Q0(t)的坐标为:

【技术特征摘要】
1.一种五轴侧铣加工过程中瞬时未变形切屑厚度计算方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1,建立工件坐标系，并确定当前刀刃对应的刀具圆柱和之前各刀刃对应的刀具圆柱位置坐标:1)在立式铣削加工中心工件固定位置建立坐标系OW-XYZ，取工件端面中心点OW为坐标原点，工件坐标系的三个坐标轴分别为XW轴、YW轴和ZW轴；2)建立刀具下底面中心点Q0(t)、刀具轴向切深上端面O0(t)在工件坐标系下运动的参数方程，其中Q0(t)的坐标为:O0(t)的坐标为:其中,r1为Q0(t)点与工件坐标系ZW轴的距离；r2为O0(t)点与工件坐标系ZW轴的距离，r2＝r1+h2sin(θy(t))，h2为刀具轴向切深；ω1为刀具下底面中心点Q0(t)绕工件坐标原点运动的角速度；t为累计转过角度步长的时间；h1为刀具下底面中心点Q0(t)与工件坐标系坐标原点OW在ZW方向垂直高度,θy(t)为刀具绕工件坐标系YW轴旋转的角度函数；3)在工件坐标系下前各刀刃圆柱对应的坐标表示为:其中，k＝1,2,3...Nf；T为刀具自转一周的时间，Nf为刀齿个数；步骤2,建立刀具坐标系；将刀刃沿轴向离散成微元，确定各刀刃微元点在刀具坐标下的坐标：1)在立式铣刀加工中心刀柄下端面中心处建立刀具坐标系OC-XYZ，取刀柄下端面中心为刀具坐标系的坐标原点OC，初始时刻刀具坐标系的XC轴、YC轴和ZC轴分别平行于工件坐标系的XW轴、YW轴和ZW轴；2)将刀刃离散化处理，点Pi,j(t)为刀具第i个刀齿、第j个微元在刀具坐标系内t时刻的坐标为:其中，Ri,j为第i个齿、第j个微元的刀刃半径；ω2为刀具转动的角速度；dz为刀刃离散微元高度R未偏心时的刀具半径，αhelix为刀具的螺旋角，Nf为刀齿个数，ρ为刀具的轴向偏心值，λ为刀具的径向偏心值；步骤3,建立工件坐标系和刀具坐标系的变换矩阵；将刀具坐标系下的各点坐标转换到工件坐标系下描述:刀具加工时绕工件坐标轴YW转过的角度为θy(t),得到绕YW轴的旋转矩阵为:刀具加工时绕工件坐标轴ZW转过的角度为ω1*t,得到绕ZW轴的旋转矩阵为:根据步骤1中2)的刀具运动的参数方程和步骤2中2)的刀刃微元在刀具坐标系下的坐标，则当前第i齿、第j个微元高度，任意时刻的刀刃微元在工件坐标系下的坐标为：步骤4，定义切...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立平，袁星，杜丽，佀昊，段飞宇，葛姝翌，李伟涛，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11