[发明专利]一种车铣复合切削加工表面粗糙度及表面形貌仿真预测方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种车铣复合切削加工表面粗糙度及表面形貌仿真预测方法，它提出的车铣复合切削加工表面粗糙度及表面形貌仿真预测模型，首创性的通过时域离散，将刀具变形与切削刃几何运动轨迹叠加，实现了物理仿真和几何仿真的结合。在考虑刀具和工件的空间几何关系的基础上，充分考虑刀具和工件接触切削时二者振动所产生的静动态变形，通过对正交车铣和轴向车铣复合切削加工方式进行建模，并扩展到任意角度的一般车铣加工方式，进而推导车铣复合加工表面粗糙度及表面形貌的计算方法，它克服了当前领域研究中几何仿真和物理仿真长期独自发展，结合度少，不能准确描述车铣复合加工过程的缺陷，弥补了现有技术的不足，属机械制造加工技术领域。

(二)背景技术

随着科学技术的快速发展，高档数控机床正向高速度、高精度、高效率、复合化方向发展，具有诸多优点的车铣复合切削加工技术是现代数控加工制造业的发展方向之一。车铣复合加工中心具有高精度、高刚性、多工序复合的特点，能够实现“一次装卡，全部完工”，即对零件一次装卡即可加工完零件的全部或大部分加工工序，特别适合航空、航天、兵器、船舶等军工行业对高精度、高刚度、形状复杂的回转体零件加工的要求，能够做到在提高工作效率的同时保证零件的加工精度。车铣复合加工已成为数控加工领域中实现高效率、高精度的重要加工方法。

因此，针对车铣复合数控机床应用于航空航天类结构零件的高效切削加工需求，通过开展车铣复合加工工艺表面粗糙度和表面形貌建模的研究，为国防制造业车铣复合加工应用工艺及切削参数优化实现优质、高效、低成本的加工应用，提供理论依据和共性技术支持，对我国国防制造业的发展有着重要的意义。

国内的制造企业为了提高数控机床性能及工作效率，在加工过程中普遍采用了数字化和虚拟化制造技术。虚拟数控加工技术是利用计算机模拟仿真实际数控加工的一门技术。它以计算机仿真和数控加工技术为基础，集计算机图形学、人工智能、并行工程、网络技术、多媒体技术和虚拟现实等技术为一体，在虚拟的条件下，对数控设备的工作过程和环境进行全面的仿真。加工仿真的关键是仿真模型的建立，只有对切削过程进行合理的建模，仿真过程才能更好地反映切削加工的实质，使仿真结果与实际结果更加接近并对实际生产起指导作用。

数控加工过程仿真包括几何仿真和物理仿真。几何仿真是指在计算机上表现加工过程中相关几何实体的运动过程与运动关系，其将刀具与零件视为刚体，忽略切削参数、切削力以及其他因素对切削过程的影响，以理想的几何图形来检验数控代码是否正确，检查是否发生碰撞、干涉。而物理仿真涉及到切削力、切削系统振动、切屑形成机理和加工表面形貌和粗糙度等方面，在考虑切削加工过程的切削力、机床和刀具的变形、加工工艺系统动态特性等因素的基础上，对零件的加工精度、表面形貌和粗糙度、刀具与工件之间的振动、刀具磨损、切削颤振等进行仿真。

与此同时，随着工业技术的发展，对零件的加工精度及表面质量的要求越来越高。特别是在模具制造、航空航天及汽车制造等行业中，自由曲面和雕刻曲面已经成为零件的关键组成部分，它们都要求有很高的尺寸精度和表面粗糙度，因此需要高质量的表面精加工工艺(手工抛光工序)，而精加工过程不但耗时而且成本高昂。例如，在模具行业中，35-50％的生产时间被用于精加工工序上。随着高速数控铣削技术的发展，加工工艺的改进，手工抛光工序逐渐被高速铣削加工取代，为了保证产品的加工精度和表面粗糙度，就必须对产品的表面完整性进行准确的预测甚至控制。

由此可见，单纯的几何仿真技术已经不能满足现代生产的需要。在实际切削加工中，切削力、振动和变形等动力学现象已经成为直接影响加工过程质量优劣的重要因素。对薄壁板，细长孔等复杂结构特征，动力学因素更是成为决定加工效率及加工质量的关键。切削过程动力学仿真技术从动力学的层面上对加工过程中所涉及到的相关物理因素(如切削力，加工参数、变形、表面形貌等)进行研究与分析，力求揭示加工过程的动力学的内在规律。在几何仿真的基础上，从动力学的角度对整个加工过程中的各种物理因素进行建模、仿真和分析。在实际加工前，通过动力学仿真技术预测出不同切削参数与物理量之间的相互关系，预先对加工质量进行评估。通过仿真输出结果图表或图形，对加工参数进行优化选择从而得到满足质量要求的高效加工参数，为实际生产加工过程提供必要的理论指导。使用以优化切削过程工艺切削参数为目标的动力学仿真优化技术，整个实施过程几乎不涉及任何管理问题和人为因素，任何企业可以直接、方便地使用仿真优化后的工艺参数，从而大幅度提高数控加工的效率。

(三)发明内容