[发明专利]一种自由曲面球头铣削淬硬钢模具过程集成优化方法

权利要求书

1.一种自由曲面球头铣削淬硬钢模具过程集成优化方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、针对曲率过大区域，建立刀工接触区一致的让刀误差轨迹补偿方法：

刀工接触区域准确反映了刀具的加工状态，控制沿补偿刀具轨迹切削中刀具的径向切入角和切出角，轴向切触角的上下边界，都与名义的刀具轨迹切削时一致，进而保证加工形貌及法向轮廓误差符合要求；

刀位轨迹的偏置量等于刀具变形量，针对曲面加工位置，刀位轨迹偏置方向为过刀轴的法平面和垂直刀轴的水平面的交线方向，补偿的工艺路径容易实现；采用让刀变形补偿的方法，通过控制面修正对让刀误差进行补偿；补偿的方法是基于微分离散的思想，对刀具轨迹的不同刀位点计算所需的过程参数，如加工倾角、形面曲率、刀工切触区、切削力、刀具变形模型、变时滞动力学模型等；基于预测的刀具轨迹偏置量，计算补偿后的刀具轨迹，获得新的刀工接触区，与名义刀具轨迹计算的刀工接触进行比较，如果一致则轨迹偏置量符合误差补偿要求，否则重新计算偏置量。

2.第二步、针对曲面曲率突变区域，给出了基于弦高误差控制的插补步长优化方法：

在自由曲面曲率突变区域，让刀误差不是加工形面精度下降的主要原因，刀具轨迹成为加工误差的产生的主要原因，此时需要对刀具轨迹进行插补；

直线插补是通过大量微小的线段来逼近目标曲线，然后再对各线段进行密化，如图4所示，加工曲线段DH由线段DE、EF、FG、GH拟合构成；

设目标曲线参数方程为：（1）；

任取一段加工路径，两端刀位点分别为a和b，由起始端a(X_u，Y_u)加工至下一插补点b(X_u+1,Y_u+1)，可得弦长为：

（2）；

此时为求得精确的弦高误差，需要在目标路径曲线上寻找一条与ab平行的切线，其斜率为：

（3）；

令：（4）；

可求得切点C，那么C点到直线ab的距离即为加工路线至实际曲线的最大误差e_h，如图5所示；

由几何关系可得：（5）；

式中，ρ_j为刀具运动轨迹方向的工件曲率半径，设允许的最大弦高误差为δ_h，则联立公式1~5，带入斜率值，令e_h=δ_h 可得符合误差要求的b点坐标；

根据b点的坐标，可以求得进给步长，设加工曲线为平摆线，参数方程：

（6）；

代入公式（5-22）可得：（7）；

当e_h=δ_h时，（8）；

L用a和b参数坐标表示为：

（9）；

联立公式（8）和（9），可得进给步长为：（10）；

至此，一个完整的插补周期形成了：目标曲线从a(0,0)出发，在满足期望精度下，按照插补步长进给到下一节点b((X_u+1,Y_u+1))，在寄存位置中存储该值，并以此作为新起点，求解下一进给点c(X_u+2,Y_u+2)，以此类推完成插补；第三步、针对平缓区域给出了进给率优化方法：

为了在切削加工性较好的形面位置能够有效的提高加工效率，在切削加工性较差的地方也能够保证加工精度，给出了淬硬钢模具三轴球头铣削的进给率优化方法如图6所示：首先输入刀具和工件的信息，进行数控编程，获取刀位信息；基于刀位信息和刀具切削刃和工件的几何信息，进行铣削过程物理量的预测，如瞬态铣削力，刀具变形，稳定域和加工误差等；如果选择的进给率解算的静态铣削力和动态铣削力符合以刀具变形、让刀误差和稳定性极限为约束的期望的静态铣削力和动态铣削要求，则该进给率保留；否则基于Kienzle关系（适应的进给率=预选的进给率*期望的铣削力/解算的铣削力）重新解算进给率，并重复上述过程；最后优化的进给率数据写入NC代码；第四步、过程集成工艺优化方法及实验：

为保证自由曲面淬硬钢模具加工精度、表面质量和加工效率，针对不同的形面区域加工特征，集成刀具轨迹和刀位点计算、刀工接触区计算、铣削力预测、让刀变形预测、铣削稳定性预测、残留高度预测、工艺参数优化和误差补偿，实现自由曲面球头铣削过程的集成和优化,如图7所示；其中主要包含特征提取、数控仿真和物理过程集成三个部分，最终形成优化的工艺方案；

为验证球头铣削自由曲面过程集成优化工艺方案，进行工艺对比铣削试验以及加工误差对比实验。