[发明专利]一种多轴加工系统的刀具偏离量的建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多轴工系统的刀具偏离量的建模方法，特别涉及一种基于切削力模型和多轴加工系统综合刚度模型的刀具偏离量建模方法，适用于圆弧铣刀五轴铣削加工技术领域。

背景技术

五轴铣削加工中，刀具相对于工件表面具有更大的可达空间，这迎合了复杂曲面加工的需求。通过刀具姿态规划，可以避免刀具、工件与夹具等的干涉碰撞，还通过改善刀具包络曲面与工件设计曲面之间的接触特性提高了加工效率。然而，对于航空航天领域的关键零件，比如压缩机叶轮、起落架和发动机壳体，不仅具有复杂的轮廓曲面，还具有超高强度的材料。这使得零件加工过程的切削力较大；对于多轴加工系统，其运动链较长，刚度不容易保证；同时，切削刀具经常工作于异常姿态；这些都可能造成较大的刀具偏离量，进而造成较大的加工误差，并制约了加工效率的提高，甚至于对加工系统造成破坏。因此，多轴加工过程中的切削力、加工系统刚度和刀具偏离量的研究尤为重要。

但是，现有技术关于多轴加工系统的刀具量的研究及计算方法均存在明显的缺陷与不足，包括：

1、有的仅有针对“三轴加工”的刀具偏离量的研究，如：Landon,Y.,Segonds,S.,Lascoumes,P.,and Lagarrigue,P.,2004,“Tool Positioning Error(TPE)Characterisation in Milling,”Int.J.Mach.Tools Manuf.,44(5),pp.457–464，采用三轴加工实验模型，得到的偏离量的规律仅适用于三轴，无法适用更为广泛使用的多轴加系统的偏离量计算。

2、有的仅针对较为简单的球头刀铣削或平底刀铣削加工，如：Dépincé,P.,andJ.Y.,2006,“Active Integration of Tool Deflection Effects in End Milling.Part 1.Prediction of Milled Surfaces,”Int.J.Mach.Tools Manuf.,46(9),pp.937–944.，仅针对平底刀加工，不适用于高强度钢加工，否则容易加剧刀具的磨损甚至崩刃；Dow,T.A.,Miller,E.L.,and Garrard,K.,2004,“Tool Force and Deflection Compensation for Small Milling Tools,”Precis.Eng.,28,pp.31–45.，仅针对球头刀加工，刀具姿态改变不能优化刀具包络曲面与设计曲面的切触状态，加工效率低下。

3、未全面考虑多轴加工系统的各部分柔度。现有技术为简化建模，或者将刀具视为刚体，或者将主轴或刀柄视为刚体，特别是通常未将加工系统传动轴的柔度纳入考虑范围进行研究，使计算得到的柔度不能客观反映加工系统的真实柔度，导致计算的偏离量偏小。如：Liang,S.Y.,and Zheng,L.,1998,“Analysis of End Milling Surface Error Considering Tool Compliance,”ASME J.Manuf.Sci.Eng.120(1),207–210，Dow,T.A.,Miller,E.L.,and Garrard,K.,2004,“Tool Force and Deflection Compensation for Small Milling Tools,”Precis.Eng.,28,pp.31–45，以上文献均未考虑刀柄、机床运动轴的柔度，得到的刀具偏离量存在较大误差。

4、刀具切削刃的未变形切削厚度的计算通过将进给矢量分解成刀具轴向和径向两个方向的进给，由此得到刀刃微元进给矢量并进一步计算得到未变形切削厚度，此种计算方法存在以下缺陷：一是不适合于变姿态加工；二是与进给量等切削参数相关，计算较复杂难懂；三是与刀具姿态不直接相关，无法建立后续的偏离量与刀具姿态的关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多轴加工系统的刀具偏离量的建模方法，通过建立新的刀具切削刃的未变形切削厚度模型，以及建立包括刀具端柔度、传动轴-刀柄端柔度、刀具连接部角度变化引起的传动轴-刀柄端柔度三部分柔度的综合柔度模型，得到更准确的加工过程中的刀具偏离量变化规律，从而在多轴加工中优化刀具姿态，以及进给速度和主轴转速等加工工艺参数，控制刀具偏离量大小，提高工件加工表面质量。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多轴加工系统的刀具偏离量的建模方法，包括如下步骤：