[发明专利]一种铣削加工工件表面形貌的建模方法

说明书

 

技术领域

本发明属于数控铣削加工领域，特别涉及数控铣削加工中刀具磨损引起的工件表面形貌建模领域。

背景技术

随着现代机械制造业的发展，对零件加工精度的要求越来越高。而在实际的铣削加工过程中，由于受各种因素的影响不可避免地会产生加工误差。加工误差是影响工件加工质量非常重要的因素，会使工件加工精度明显降低，过大的加工误差甚至会造成零件报废，严重影响加工效率和效益。工件表面的微观形貌和工件表面粗糙度有密切的联系，对工件的耐磨性与装配精度有重要影响，同时也是反映工件表面加工质量的重要指标，通过预测工件表面的形貌，可以得到工件上任意位置点的坐标值，将其与该点的理论坐标值进行对比，即可得到该点处的加工误差值。

为了提高工件表面的加工质量，减小加工误差，降低粗糙度，国内外许多学者从微观角度对工件表面形貌进行了研究，取得了一些成果。先后提出了一些建立工件表面形貌模型的建模方法。

现有的工件表面形貌的建模方法多是就切削参数选择、刀具定位误差、切削力引起的刀具变形等因素对工件表面形貌的影响进行的研究，目前还很少有针对球头铣刀铣削过程中的刀具动态磨损对工件表面形貌的影响进行相关的研究。

为此，本发明克服了上述工件表面形貌的建模方法存在的不足，根据球头铣刀切削刃的特点，建立切削轨迹方程，并进一步将刀具磨损对切削轨迹的影响考虑在内，对刀具磨损后的工件表面形貌进行研究。分析了刀具磨损后球头切削刃外轮廓刃线的形状变化，据此可以进一步分析磨损后的切削刃相对工件的切削轨迹，建立考虑磨损的切削轨迹方程，进而得到加工后的工件表面形貌。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种铣削加工工件表面形貌的建模方法，其可解决铣削加工过程中刀具磨损引起的工件表面形貌的建模和可视化仿真问题。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种铣削加工工件表面形貌的建模方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）根据铣削加工刀具切削运动轨迹将球头部分切削刃离散为一系列切削微元，由于不同切削微元在切削时线速度不同，且在加工过程中同时存在直线进给运动与自身绕刀具主轴的旋转运动，因此，除球头刀尖外球头切削刃上其它点的运动轨迹将形成一系列的次摆线，为了分析刀具切削轨迹在工件上形成的形貌，以离散后的切削微元P点作为研究对象，通过分析点P在走刀过程中的运动，得到加工结束后点P在工件上最终留下的切削轨迹，去除在加工中被切除掉的轨迹线即得到最终构成工件形貌的轨迹；考虑直线运动轨迹和旋转轨迹，当刀具未发生磨损时，P点的理论切削轨迹方程如式（1）所示：

              (1)

其中，、为P点经过切削加工时间后的坐标，、为P点起始坐标，为单位时间的刀具进给速度，为切削加工时间，为P点所处位置的螺旋滞后角对该点加工时间的影响，，, 为P点对应的刀具螺旋滞后角，为P点所处的位置角处的刀具径向半径，，为未磨损时的球头铣刀半径，为刀具主轴旋转角速度，为P点与球头中心O的连线与刀具主轴Z的夹角，即为描述切削微元所在位置的角度称为位置角；

当把刀具磨损的影响考虑在内时，随着刀具不断磨损，切削刃上同一高度上的点所对应的径向半径及其所对应的位置角都将发生变化，因此，当考虑加工过程中的刀具磨损量时，P点的切削轨迹可由式(2)表示：

   (2)

其中，、为考虑刀具磨损P点经过切削加工时间后的坐标，、为P点起始坐标，为单位时间的刀具进给速度，为切削加工时间，为P点所处位置的螺旋滞后角对该点加工时间的影响，且，为P点对应的刀具螺旋滞后角，为刀具主轴旋转角速度；

为刀具磨损后P点高度处的球头径向半径，由式（3）求解；

                  (4)

式中，为球头铣刀未磨损时的半径，为切削微元所在的截平面高度，为高度处刀具切削刃的后刀面磨损量；

（2）根据铣削轨迹方程获得的铣削轨迹并不是全部构成工件表面形貌，部分轨迹线在加工中会被切除，只有最外侧的轨迹线形成工件表面形貌，为了确定最外侧的轨迹线，需要求解最外侧轨迹线对应的刀具切削刃的位置角取值范围[，]，求出[,]区间内各个角对应的刀具切削轨迹线，这些切削轨迹线的集合就构成了加工后的工件表面形貌；

刀具沿x轴进给，y轴两侧最终留到工件表面的轨迹线分别为和，要想保证最外侧轨迹的存在，切削刃轨迹必须满足轨迹线与进给轴交点的坐标值大于刀具旋转一周的直线进给量，由此得到式（5）：

      (5)