[发明专利]基于ACIS平台的五轴侧铣加工切削力预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机辅助制造技术领域，具体是一种基于ACIS平台的五轴侧铣加工切削力预测方法。

背景技术

在机械制造领域，铣削加工被广泛应用于航空、航天、模具及汽车等领域的复杂零件制造中，是获取高精度复杂曲面的重要加工方法之一。相对于传统的点铣加工，五轴侧铣加工使用侧刃进行线接触加工，能够获得更高的加工效率和表面质量。切削力是优化工艺参数，提高加工效率的重要依据，因此针对复杂曲面零件的侧铣加工进行切削力预测具有十分重要的意义。

目前的五轴侧铣切削力计算方法都是针对常螺旋角刀具，直接利用商用CAM软件如Cimatron所生成的理论上的刀具路径，提取刀具-工件啮合区域、确定每一瞬时参与切削的刀刃；然后，将参与切削的刀刃沿刀具轴线方向离散为N个等高度圆盘单元，计算每个离散圆盘单元的切屑厚度；最后，根据刀具几何参数和切削力系数估算侧削过程中的切削力。但是，这种方法中假定刀具螺旋角为常量，没有考虑刀具的齿间距不相等的情况；没有考虑刀具轴线与主轴轴线之间偏心对切屑厚度的影响；利用理论的刀具路径提取刀具-工件啮合区域，没有考虑刀具轴线与主轴轴线之间偏心的影响。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于ACIS平台的五轴侧铣加工切削力预测方法，解决现有的切削力计算中，假定刀具轴线与主轴轴线之间不存在偏心和刀具螺旋角为常数，不能反映真实加工状况的问题，以准确计算切削力，为高效精密加工空间曲面提供可靠保证。

为实现这一目的，本发明采用B样条曲线拟合刀具的刀刃，根据刀具轴线与主轴轴线之间的偏心参数修正理论刀具路径，利用实际刀具路径提取刀具-工件啮合区域、计算切屑厚度，最后由标定的切削力系数计算铣削过程中的切削力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于ACIS平台的五轴侧铣加工切削力预测方法，包括如下步骤：

步骤1)，规划设计曲面的五轴侧铣加工刀具路径获得离散刀位文件，所述离散刀位文件为表达加工过程中刀具的位置和姿态的一系列数据点的集合，每行由六个数据构成，前三个数据为刀具参考点的坐标，后三个数据是与参考点对应的单位化的刀轴矢量；

步骤2)，将侧铣加工刀具的刀刃组离散为刀刃数据点，然后用一条三次B样条曲线插值得到刀刃的表达式，在插值过程中每一个离散点数据对应的参数值采用弦长参数化的方法计算、三次B样条曲线的节点矢量采用取平均值的方法计算、三次B样条曲线的控制顶点通过求解离散点与三次B样条曲线对应相等所建立的线性方程组得到；

步骤3)，利用切削有限元法仿真铣削加工过程，即建立铣刀和工件的几何模型；划分刀具与工件模型的网格，对切削区域的网格加密，以提高计算精度；添加边界条件，包括刀具-工件材料模型、摩擦接触类型和切屑分离准则；求解输出切削力数据；

步骤4)，根据坐标变换关系，将切削刃上一点处沿切向、径向和轴向上的微元切削力变换到工件坐标系下，然后将参与切削的刀刃上的微元切削力求和，得到沿X、Y和Z三个方向的切削合力；令n个采样点处，有限元仿真得到的切削力与计算出的切削力对应相等，从而建立一个方程组；利用非线性最小二乘法求解方程组，得到系数k_T、k_R、k_Z，m_T、m_R、m_Z和ξ_i(i＝1，…，N)；利用得到的n个数据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]得到一个方程组，利用非线性最小二乘法求解，得到刀具偏心参数ρ和λ；

步骤5)，利用刀具偏心参数和刀位点数据，通过坐标变换计算实际刀具参考点在工件坐标系中的坐标：刀具坐标系中，实际刀具参考点O_c坐标为通过平动和旋转变换，将实际刀具参考点坐标变换到主轴坐标系中，得到主轴坐标系中实际刀具参考点的坐标为其中平动变换对应由刀具的偏心量确定的三维列向量，旋转变换对应3×3正交矩阵且旋转矩阵的第一、二和三列分别对应刀具坐标系的x、y和z轴在主轴坐标系中的单位向量；通过平动和旋转变换，将主轴坐标系中实际刀具参考点的坐标为变换到工件坐标系中，得到工件坐标系中实际刀具参考点坐标为其中平动变换对应由刀位点前三个数据确定的三维列向量，旋转变换对应3×3正交矩阵且旋转矩阵的第一、二和三列分别对应主轴坐标系的x、y和z轴在工件坐标系中的单位向量；