[发明专利]一种切削力波动小的车削加工刀具轨迹规划方法

权利要求书

1.一种切削力波动小的车削加工刀具轨迹规划方法，其特性在于，该方法通过以车刀基面与复杂曲面截面内切削面积表征切削力，根据基面与复杂曲面截面线的局部几何特征，建立切削面积关于加工参数的函数，保持其他参数恒定，推导切削面积对截面线相邻刀触点距离变化的函数关系，以切削面积波动小为约束计算截面线相邻刀触点距离，然后将截面线相邻刀触点距离沿截面线切线方向分解为车床两直线轴的进给量，从而递推刀触点，最后，生成切削力波动小的车削加工刀具轨迹；方法的具体步骤如下：

步骤1建立切削面积关于加工参数的函数关系；

复杂曲面与车刀基面的截面线为曲面在基面内的轮廓，任意相邻两车刀切削刃与工件轮廓C_f、半精加工轮廓C_m相交围成切削区域；规划的切削深度为a_p，残留高度为h，记相邻两刀的刀触点分别为P₁、P₂，以刀触点P₂曲率圆圆心O_l为局部坐标系原点，建立局部坐标系X_lO_lZ_l，Z_l轴平行于刀触点处工件轮廓曲线的切线，O_lP₁＝ρ₁，O_lP₂＝ρ₂，夹角为α，在局部有关系式ρ＝ρ₁＝ρ₂，P₁、P₂距离为L，有圆锥形后刀面车刀刀刃圆弧半径为R，圆心分别为A点与Q点，第一刀刀刃与半精加工轮廓C_m交点为B、C点；第二刀刀刃与半精加工轮廓C_m交点为M、N，两刀具刀刃交于K点，切削区域由刀刃圆弧刀刃圆弧轮廓与半精加工轮廓围成；记β等于角∠MP₂N的角度值，β是与切削深度和刀刃圆弧半径相关的变量，采用几何法计算切削区域面积，半精加工轮廓局部近似为圆弧，BNK部分近似为三角形，切削面积按照公式(1)计算：

其中，当局部曲面为凹曲面时，“±”号取“-”号，局部曲面为凸曲面时，“±”号取“+”号；

为避免加工干涉，圆锥形后刀面车刀刀刃圆弧半径R小于截面线曲率半径ρ，又因为在精加工中L为微米级别，远小于曲率半径ρ，根据三角函数二倍角公式中的公式(2)，利用公式(2)推导出公式(3)，则切削面积按照公式(4)计算：

其中，当局部曲面为凹曲面时，“±”号取“-”号，局部曲面为凸曲面时，“±”号取“+”号；

步骤2切削面积波动小的截面线相邻刀触点距离计算；

以切削面积表征切削力，将切削面积表达式视为截面线相邻刀触点距离L的函数，即S＝f(L)；当其他切削参数不变时，计算切削面积对截面线相邻刀触点距离L的偏导函数，研究截面线相邻刀触点的距离L对切削面积变化的影响；按曲面凹凸分别进行分析，先分析凸曲面，切削面积对截面线相邻刀触点距离L的偏导函数按照公式(5)计算：

令解得：

加工凹曲面时，切削面积对截面线相邻刀触点距离的偏导函数按照公式(7)计算：

恒有表明此时切削面积变化与截面线相邻刀触点距离负相关，根据基本不等式当且仅当a＝b，有因此截面线相邻刀触点距离L通过求解非线性方程(8)进行计算：

将中间变量与代入公式(8)，得到非线性方程(9)：

求解非线性方程(9)，得到关于t的实根，则截面线相邻刀触点距离L按照公式(10)计算：

步骤3切削力波动小的加工刀位点计算；

根据加工入刀处的工件几何特征，以残留高度约束给定第一转刀具轨迹的横向进给量r0，在极坐标系极角[0,2π]内离散第一转刀具轨迹刀触点，记车刀基面与工件表面截面线在机床坐标系的曲线方程为r＝C(z)，刀触点处函数曲线C的切线斜率k按照公式(11)计算，刀触点处函数曲线C的凹凸性按照公式(12)判断，曲率半径ρ根据公式(13)计算：

k＝C'(z) (11)

其中，C'(z)是函数曲线的一阶导数，C(z)是函数曲线的二阶导数；

按照公式(5)-(10)计算截面线相邻刀触点距离L，根据刀触点处函数曲线C的切线斜率，按照公式(14)将截面线相邻刀触点距离分解为平行于机床Z轴方向的纵向进给量f_z与平行于机床X轴方向的横向进给量f_x，按照公式(15)计算下一转刀具轨迹的极径，直到计算完全部刀具轨迹；

r_i＝r_i-1+f_x (15)

其中，i＝1,2,…,M_sum，M_sum为刀具轨迹总转数；

对刀具轨迹进行等角度离散得到刀触点，记刀触点坐标为P_CC＝[x_CC,z_CC]，按照公式(16)计算截面线刀触点的法线斜率k_n：

加工刀位点坐标P_CL＝[x_CL,z_CL]按照公式(17)计算，

最终，生成切削力波动小的车削加工刀位点。