[發明專利]基于ACIS平臺的五軸側銑加工切削力預測方法

有效

• 申請號: 201210083188.1
• 申請日: 2012-03-26
• 公開（公告）號: CN102622489A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 王宇晗;畢慶貞;余亮
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;上海拓璞數控科技有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及計算機輔助制造技術領域，具體是一種基于ACIS平臺的五軸側銑加工切削力預測方法。

背景技術

在機械制造領域，銑削加工被廣泛應用于航空、航天、模具及汽車等領域的復雜零件制造中，是獲取高精度復雜曲面的重要加工方法之一。相對于傳統的點銑加工，五軸側銑加工使用側刃進行線接觸加工，能夠獲得更高的加工效率和表面質量。切削力是優化工藝參數，提高加工效率的重要依據，因此針對復雜曲面零件的側銑加工進行切削力預測具有十分重要的意義。

目前的五軸側銑切削力計算方法都是針對常螺旋角刀具，直接利用商用CAM軟件如Cimatron所生成的理論上的刀具路徑，提取刀具-工件嚙合區域、確定每一瞬時參與切削的刀刃；然后，將參與切削的刀刃沿刀具軸線方向離散為N個等高度圓盤單元，計算每個離散圓盤單元的切屑厚度；最后，根據刀具幾何參數和切削力系數估算側削過程中的切削力。但是，這種方法中假定刀具螺旋角為常量，沒有考慮刀具的齒間距不相等的情況；沒有考慮刀具軸線與主軸軸線之間偏心對切屑厚度的影響；利用理論的刀具路徑提取刀具-工件嚙合區域，沒有考慮刀具軸線與主軸軸線之間偏心的影響。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的上述不足，提供了一種基于ACIS平臺的五軸側銑加工切削力預測方法，解決現有的切削力計算中，假定刀具軸線與主軸軸線之間不存在偏心和刀具螺旋角為常數，不能反映真實加工狀況的問題，以準確計算切削力，為高效精密加工空間曲面提供可靠保證。

為實現這一目的，本發明采用B樣條曲線擬合刀具的刀刃，根據刀具軸線與主軸軸線之間的偏心參數修正理論刀具路徑，利用實際刀具路徑提取刀具-工件嚙合區域、計算切屑厚度，最后由標定的切削力系數計算銑削過程中的切削力。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種基于ACIS平臺的五軸側銑加工切削力預測方法，包括如下步驟：

步驟1)，規劃設計曲面的五軸側銑加工刀具路徑獲得離散刀位文件，所述離散刀位文件為表達加工過程中刀具的位置和姿態的一系列數據點的集合，每行由六個數據構成，前三個數據為刀具參考點的坐標，后三個數據是與參考點對應的單位化的刀軸矢量；

步驟2)，將側銑加工刀具的刀刃組離散為刀刃數據點，然后用一條三次B樣條曲線插值得到刀刃的表達式，在插值過程中每一個離散點數據對應的參數值采用弦長參數化的方法計算、三次B樣條曲線的節點矢量采用取平均值的方法計算、三次B樣條曲線的控制頂點通過求解離散點與三次B樣條曲線對應相等所建立的線性方程組得到；

步驟3)，利用切削有限元法仿真銑削加工過程，即建立銑刀和工件的幾何模型；劃分刀具與工件模型的網格，對切削區域的網格加密，以提高計算精度；添加邊界條件，包括刀具-工件材料模型、摩擦接觸類型和切屑分離準則；求解輸出切削力數據；

步驟4)，根據坐標變換關系，將切削刃上一點處沿切向、徑向和軸向上的微元切削力變換到工件坐標系下，然后將參與切削的刀刃上的微元切削力求和，得到沿X、Y和Z三個方向的切削合力；令n個采樣點處，有限元仿真得到的切削力與計算出的切削力對應相等，從而建立一個方程組；利用非線性最小二乘法求解方程組，得到系數k_T、k_R、k_Z，m_T、m_R、m_Z和ξ_i(i＝1，…，N)；利用得到的n個數據ξ_i，由ξ_i＝ρcos[λ-ψ(z)-2(i-1)π/N]-ρcos[λ-ψ(z)-2(i-m_i-1)π/N]得到一個方程組，利用非線性最小二乘法求解，得到刀具偏心參數ρ和λ；

步驟5)，利用刀具偏心參數和刀位點數據，通過坐標變換計算實際刀具參考點在工件坐標系中的坐標：刀具坐標系中，實際刀具參考點O_c坐標為通過平動和旋轉變換，將實際刀具參考點坐標變換到主軸坐標系中，得到主軸坐標系中實際刀具參考點的坐標為其中平動變換對應由刀具的偏心量確定的三維列向量，旋轉變換對應3×3正交矩陣且旋轉矩陣的第一、二和三列分別對應刀具坐標系的x、y和z軸在主軸坐標系中的單位向量；通過平動和旋轉變換，將主軸坐標系中實際刀具參考點的坐標為變換到工件坐標系中，得到工件坐標系中實際刀具參考點坐標為其中平動變換對應由刀位點前三個數據確定的三維列向量，旋轉變換對應3×3正交矩陣且旋轉矩陣的第一、二和三列分別對應主軸坐標系的x、y和z軸在工件坐標系中的單位向量；