[发明专利]数控机床加工过程球头铣刀与工件接触区域半解析建模法

说明书

轴数控机床平面加工过程球头铣刀与工件接触区域半解析建模方法，属于五轴数控机床加工领域。首先根据球头铣刀沿着轴线方向单调分布的特点，将球头铣刀与工件接触区域边界三维求解问题转化为接触区域在垂直于铣刀轴线平面投影的边界二维求解问题。其次，通过几何推导，将球头铣刀与工件接触区域边界在X_m‑Y_m平面投影方程的求解问题转化为这些边界在X‑Y平面的投影方程的求解问题。最后通过半解析建模法，获得球头铣刀与工件接触区域边界在X_m‑Y_m平面的投影方程。本发明能够高精度高效地构建出前倾角为α和侧倾角为β时球头铣刀与工件接触区域，弥补国内外在五轴数控机床上加工过程中球头铣刀与工件接触区域边界识别方法的空缺，具有较高的工程应用价值。

技术领域

本发明属于五轴数控机床加工领域，尤其是在五轴数控机床平面加工过程中球头铣刀存在前倾角和侧倾角时与工件接触区域半解析建模方法。

背景技术

将所设计的优良性能工件保质、保量地高效加工出来，一直是制造业奋斗的目标。然而，由于缺乏准确描述切削静力学和切削动力学的有效工具，实际加工过程中，操作工人为了避免出现过载、颤振等不良状况，不得不采用保守的加工参数，进而影响到加工精度和加工效率。

球头铣刀和工件的接触区域是指在加工过程中刀具切入工件的区域。高速铣削条件下，在单齿切削周期内，铣刀可视为圆弧切削，因此铣刀-工件接触区域蕴含着单齿切削周期内铣刀瞬时参与切削的刀刃数目和参与切削刀刃的实际切削部位等众多信息。球头铣刀是典型的点接触加工刀具，具有很好的法矢自适应性，在高速铣削加工尤其是曲面加工中有广泛的应用，因此，构建出球头铣刀与工件加工过程中的接触区域意义重大。

在切削静力学和切削动力学模型中，确定球头铣刀刀刃瞬时参加切削的上下边界时都是在二维平面上进行的，因此，根据球头铣刀沿轴线方向单调分布特点，可以将球头铣刀与工件接触区域边界的三维求解问题转化为这些边界在垂直于铣刀轴线平面投影的二维求解问题。目前，常用的接触区域识别方法主要有实体建模法，解析法，Z-Map离散法。其中实体建模法是深入到三维造型软件内核，通过实体造型技术的布尔运算能力提取加工过程中刀具和工件接触区域的几何信息，投影到和刀具相关的某一平面内。精度虽然有保障，但操作过程复杂，计算效率低。解析法是通过空间解析几何知识，直接在垂直于刀具轴线的二维坐标系下计算出接触区域工件和刀具交线的投影方程，该方法在保证高精度的情况下，计算效率是三种方法中最高的。Z-Map离散法是将刀具和工件向某一平面投影，将投影离散为点集之后，从每个点向工件和刀具引射线，来判断刀具-工件接触区域，该方法同样需要计算大量布尔运算，已有文献证明，该方法的计算效率要远低于解析法。

目前，国内还没有针对五轴数控机床平面加工过程中球头铣刀与工件接触区域半解析建模方法。有部分学者对三轴数控机床加工过程中球头铣刀与工件接触区域建模方法进行了研究，但是五轴数控机床和三轴数控机床的加工方式不同，刀具姿态不同，故球头铣刀在三轴数控机床上的建模方法并不能适用于其在五轴数控机床上，因此，如何在更先进的五轴数控机床上对球头铣刀与工件的接触区域进行高精度，高效率解析建模将是一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种五轴数控机床平面加工过程中球头铣刀存在前倾角和侧倾角时与工件接触区域半解析建模方法，具体分以下几个步骤。

步骤一：进行刀具路径规划，设置数控加工参数。

步骤二：确定前倾角为α度，侧倾角为β度时球头铣刀与工件接触区域边界组成，将接触区域边界三维求解问题转化为这些边界在垂直于刀具轴线平面投影的二维求解问题。

步骤三：由刀具前倾角和侧倾角为零度时的三维直角坐标系X-Y-Z，推导刀具前倾角为α，侧倾角为β度时的三维坐标系X_m-Y_m-Z_m，获取X-Y平面上点与X_m-Y_m平面上点的关系。