型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法技术

本发明专利技术提供了一种型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法。首先得到三次样条曲线光滑螺旋线。将样条曲线轨迹按照参数等分离散化，得到各离散参数点；将各离散点组成的刀路轨迹仿真得到各离散点处的径向切削宽度；计算稳定叶瓣图，建立转速与临界切削深度的对应关系；将各参数点处的径向切削宽度以及转速与临界切削深度对应关系用于建立各参数点处时间最优的进给速度与转速规划模型，通过前向规划和后向规划得到各参数点处时间最优的进给速度与转速规划；拟合得到整个参数区间内的速度与转速；最后得到各刀位点的位置、最大进给速度、转速，针对具体的机床数控系统输出相应的NC代码用于实际加工。本方法适用于型腔的高速铣削加工。

Off-line planning method of feed rate and rotation speed in cavity spiral milling

【技术实现步骤摘要】
型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法
本专利技术涉及型腔领域，具体地，涉及一种型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法，更为具体的，涉及一种综合满足机床运动学性能、力学性能以及加工过程稳定性的型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法。
技术介绍
型腔铣削加工广泛应用于航空航天壁板和模具加工中。型腔铣削加工采用逐层加工的方式进行，由于零件的尺寸较大,通常需要很长的加工时间。因此如何在保证高精度和高可靠性的前提下，显著提高加工效率、减少加工所需时间是型腔加工中的重要问题。目前针对型腔螺旋铣削加工常用的进给率优化算法通常是基于机床的运动学性能约束,如速度、加速度，而并未考虑力学性能以及加工过程稳定性的影响。若加工过程中的切削力过大，则会破坏刀具，影响刀具寿命；若加工过程中出现了颤振，则会导致工件的表面发生波纹，降低加工质量和精度，严重时甚至造成机床及刀具的损坏，增大加工成本、降低加工效率。公开号为108145222B的专利技术专利公开了一种闭式整体叶盘型腔铣削加工方法，包括步骤1：型腔粗加工加工区域划分；步骤2：确定待加工区域划分；步骤3：刀路规划；该闭式整体叶盘型腔铣削加工方法能够精确分块，减少加工余量，刀轴矢量求解简单，实现高效闭式整体叶盘型腔的五轴数控加工，提高了闭式整体叶盘加工质量和加工效率，可应用在整体叶盘叶片铣削加工中，也可应用到其他薄壁大悬伸零件的加工过程中。但是上述专利存在加工效率低的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法。根据本专利技术提供的一种型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法，包括如下步骤：步骤1：针对型腔形状和刀具直径生成三次B样条曲线形式的光滑螺旋线轨迹；步骤2：将螺旋线轨迹进行等参数离散采样，得到各离散参数点；步骤3：通过VERICUT仿真得到各离散参数点处的径向切削宽度；步骤4：利用仿真得到的最大的径向切削宽度计算稳定叶瓣图，建立转速与临界切削深度的对应关系；步骤5：前向规划，沿着参数值增大的方向，依次对各参数点以机床运动速度、各轴的加速度、曲线弓高误差、最大切削力、加工稳定性为约束，建立时间最优的进给速度与转速规划模型，利用差分演化算法求解所述模型计算出各离散参数点处的最大进给速度和对应的转速；步骤6：后向规划，沿着参数值减小的方向进行时间最优的进给速度与转速规划模型的建立及求解；步骤7：对整个参数区间内的速度和转速进行拟合近似，利用样条曲线插值得到各采样点处的进给速度和转速，进而可以得到各刀位点的位置、最大进给速度、转速，最后输出为具体机床数控系统的NC代码。优选地，所述步骤1包括：采用有限元法求解狄利克雷边界条件的椭圆形偏微分方程，根据刀具直径生成闭合等值闭合的场曲线，等分场曲线后生成过渡曲线，得到一组螺旋点列，利用三次B样条曲线拟合螺旋点列得到三次B样条曲线形式光滑螺旋线轨迹。优选地，所述步骤2包括：将u＝[0,1]整个参数区间均分为N个点，其中u1＝0，uN＝1，代入三次B样条曲线得到各个离散参数点。优选地，所述步骤3包括：将步骤2得到的离散参数点作为刀位点并设定初始的定转速定进给率产生初步的NC代码，导入VERICUT中进行仿真，仿真完成后得到各个刀位点处的径向切削宽度，从而得到了各离散点处的径向切削宽度。优选地，所述步骤5包括：设三次B样条曲线形式光滑螺旋线轨迹为C(u)，令κ(u)＝||Cu(u)||表示参数速度，其中()u代表变量对u的导数，V(u)表示进给速度；时间最优的目标函数为其中s为弦长，v为速度的大小，u′为参数u对时间的导数；时间最优的目标函数能够进一步表示为：其中N是采样点个数；设定首尾点的速度为零，则仅需对i＝2,3,…,N-1的各个离散参数点建立时间最优的进给速度与转速规划模型，目标函数为而则可以得到规定()μ(μ∈{x,y})为向量在μ方向上的分量，则机床各轴加速度的约束建立方法为：其中()u代表变量对u的导数，Vμ表示机床各轴速度，Aμ表示机床各轴的加速度。曲线弓高误差约束可表示为其中δm为给定的弓高误差，Ts为插补周期，ρ(u)为样条曲线在参数u处的曲率半径，且将式(4),(5)按如下方式离散得机床运动速度、各轴加速度极限约束不等式式(7)中Vmax与分别为机床进给速度极限和各轴的加速度极限；根据各离散参数点处的曲率和径向切削深度计算切削过程中各离散参数点处的切削力；将铣刀切削深度部分轴向离散成数层，切削刃微元切削力为：其中j为刀齿号，k为刀轴方向圆盘号；dFt,j,k为第k个圆盘上第j个刀齿的单元切向切削力；dFr,j,k为第k个圆盘上第j个刀齿的单元径向切削力；hj,k为未变形切厚，是刀具每齿进给率ft的函数；Kte和Kre是刀具的刃边切削力系数，Ktc和Krc是剪切切削力系数；φj,k(t)为第k个圆盘上第j个刀齿的接触角，单位阶跃函数g(φj,k(t))用于表示当前切削微元是否参与切削，定义为：其中φst和φex表示第k个圆盘上第j个刀齿的切入角和切出角，计算公式为：其中R为离散参数点处的曲率半径，r为刀具半径，a为离散参数点处的径向切削宽度；Kte、Kre、Ktc和Krc的切削力系数能够通过使用相同的铣刀铣削相同材料的简单形状工件，设计特定加工参数的切削实验，并使用测力仪记录相应的切削力数据，最后使用最小二乘法标定来获得；由式(8)确定的微元切削力经坐标变换转换，变换到刀具坐标系：作用在刀具横向的两个方向的瞬时合力为：其中Nt为刀齿数，NA为刀具轴向离散圆盘数目；由式(8-12)获得各个离散参数点处刀具上所受合力的最大值，最大合力F是每齿进给率ft的函数，而每齿进给率ft与进给速度V以及转速Ω之间的关系为：其中Nt为刀齿数；从而各个离散参数点处的最大合力F是进给速度V以及转速Ω的函数，表示成切削力约束表示成：其中Fmax为由刀齿强度、刀具整体刚度和刀具最大变形决定的切削力阈值；由步骤(4)已经建立了转速与临界切削深度的对应关系，将所述对应关系表示为blim(Ω)，型腔逐层加工会设定一定的切削深度值bset，将此值作为临界切削深度的下界阈值，切削力约束表示成：blim(Ω(ui))≥bset(15)通过外点罚函数法将式(14)(15)的非线性约束转化为罚项集成至目标函数中，令其中Fmax为切削力阈值，bset为设定的逐层加工切削深度值，则可以构建包含机床速度、各轴加速度、曲线弓高误差约束以及最大切削力约束、加工过程稳定性约束的时间最优进给速度与转速规划模型：其中σ为惩罚因子，P(V(ui),Ω(ui))如式(16本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：针对型腔形状和刀具直径生成三次B样条曲线形式的光滑螺旋线轨迹；/n步骤2：将螺旋线轨迹进行等参数离散采样，得到各离散参数点；/n步骤3：通过仿真得到各离散参数点处的径向切削宽度；/n步骤4：利用仿真得到的最大的径向切削宽度计算稳定叶瓣图，建立转速与临界切削深度的对应关系；/n步骤5：前向规划，沿着参数值增大的方向，建立时间最优的进给速度与转速规划模型，求解得到各离散参数点处的最大进给速度和对应的转速；/n步骤6：后向规划，沿着参数值减小的方向，建立时间最优的进给速度与转速规划模型，求解得到各离散参数点处的最大进给速度和对应的转速；/n步骤7：对整个参数区间内的最大进给速度和转速进行拟合近似，利用样条曲线插值得到各采样点处的进给速度和转速，进而可以得到各刀位点的位置、最大进给速度、转速。/n

【技术特征摘要】
1.一种型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：针对型腔形状和刀具直径生成三次B样条曲线形式的光滑螺旋线轨迹；
步骤2：将螺旋线轨迹进行等参数离散采样，得到各离散参数点；
步骤3：通过仿真得到各离散参数点处的径向切削宽度；
步骤4：利用仿真得到的最大的径向切削宽度计算稳定叶瓣图，建立转速与临界切削深度的对应关系；
步骤5：前向规划，沿着参数值增大的方向，建立时间最优的进给速度与转速规划模型，求解得到各离散参数点处的最大进给速度和对应的转速；
步骤6：后向规划，沿着参数值减小的方向，建立时间最优的进给速度与转速规划模型，求解得到各离散参数点处的最大进给速度和对应的转速；
步骤7：对整个参数区间内的最大进给速度和转速进行拟合近似，利用样条曲线插值得到各采样点处的进给速度和转速，进而可以得到各刀位点的位置、最大进给速度、转速。


2.根据权利要求1所述的型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法，其特征在于，所述步骤1包括：
采用有限元法求解狄利克雷边界条件的椭圆形偏微分方程，根据刀具直径生成闭合等值闭合的场曲线，等分场曲线后生成过渡曲线，得到一组螺旋点列，利用三次B样条曲线拟合螺旋点列得到三次B样条曲线形式光滑螺旋线轨迹。


3.根据权利要求1所述的型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法，其特征在于，所述步骤2包括：
将u＝[0,1]整个参数区间均分为N个点，其中u1＝0，uN＝1，代入三次B样条曲线得到各个离散参数点。


4.根据权利要求1所述的型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法，其特征在于，所述步骤3包括：
将步骤2得到的离散参数点作为刀位点并设定初始的定转速定进给率产生初步的NC代码，导入VERICUT中进行仿真，仿真完成后得到各个刀位点处的径向切削宽度，从而得到了各离散点处的径向切削宽度。


5.根据权利要求1所述的型腔螺旋铣削加工进给率与转速离线规划方法，其特征在于，所述步骤5包括：
设三次B样条曲线形式光滑螺旋线轨迹为C(u)，令κ(u)＝||Cu(u)||表示参数速度，其中()u代表变量对u的导数，V(u)表示进给速度；
时间最优的目标函数为



其中s为弦长，v为速度的大小，u′为参数u对时间的导数；
时间最优的目标函数能够进一步表示为：



其中N是采样点个数；
设定首尾点的速度为零，则仅需对i＝2,3,…,N-1的各个离散参数点建立时间最优的进给速度与转速规划模型，目标函数为



而则可以得到
规定()μ(μ∈{x,y})为向量在μ方向上的分量，则机床各轴加速度的约束建立方法为：






其中()u代表变量对u的导数，Vμ表示机床各轴速度，Aμ表示机床各轴的加速度。曲线弓高误差约束可表示为



其中δm为给定的弓高误差，Ts为插补周期，ρ(u)为样条曲线在参数u处的曲率半径，且



将式(4),(5)按如下方式离散得机床运动速度、各轴加速度极限约束不等式



式(7)中Vmax与分别为机床进给速度极限和各轴的加速度极限...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷阳，丁烨，郑建明，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31