基于ACIS平台的五轴侧铣加工切削力预测方法

摘要

本发明公开了一种基于ACIS平台的五轴侧铣加工切削力预测方法，解决现有切削力计算中不能反映真实加工状况的问题。通过B样条曲线拟合齿间距不等刀具的刀刃，以有限元法仿真获得切削力，利用切削力数据标定出刀具动态偏心参数，以刀具偏心参数修正刀位数据得到实际刀具参考点，利用实际刀具参考点以ACIS为平台提取刀具-工件瞬时啮合区域，同时以实际刀具参考点计算刀刃的实际运动轨迹和瞬时切屑厚度，最后利用计算出的切屑厚度和标定的切削力系数，计算瞬时切削力。本发明利用刀刃的实际运动轨迹计算瞬时切屑厚度，反映了真实加工状况，提高了切削力预测的准确性。

主权项

1.一种基于ACIS平台的五轴侧铣加工切削力预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)，规划设计曲面的五轴侧铣加工刀具路径获得离散刀位文件，所述离散刀位文件为表达加工过程中刀具的位置和姿态的一系列数据点的集合，每行由六个数据构成，前三个数据为刀具参考点的坐标，后三个数据是与参考点对应的单位化的刀轴矢量；步骤2)，将侧铣加工刀具的刀刃组离散为刀刃数据点，然后用一条三次B样条曲线插值得到刀刃的表达式，在插值过程中每一个离散点数据对应的参数值采用弦长参数化的方法计算、三次B样条曲线的节点矢量采用取平均值的方法计算、三次B样条曲线的控制顶点通过求解离散点与三次B样条曲线对应相等所建立的线性方程组得到；步骤3)，利用切削有限元法仿真铣削加工过程，即建立铣刀和工件的几何模型；划分刀具与工件模型的网格，对切削区域的网格加密，以提高计算精度；添加边界条件，包括刀具-工件材料模型、摩擦接触类型和切屑分离准则；求解输出切削力数据；步骤4)，根据坐标变换关系，将切削刃上一点处沿切向、径向和轴向上的微元切削力变换到工件坐标系下，然后将参与切削的刀刃上的微元切削力求和，得到沿X、Y和Z三个方向的切削合力；令n个采样点处，有限元仿真得到的切削力与计算出的切削力对应相等，从而建立一个方程组；利用非线性最小二乘法求解方程组，得到切削系数k_T、k_R、k_Z，m_T、m_R、m_Z和ξ_i(i＝1，…，N)；利用得到的n个数据ξ_i，由ξ_i＝ρcos[λ-ψ(z)-2(i-1)π/N]-ρcos[λ-ψ(z)-2(i-m_i-1)π/N]得到一个方程组，利用非线性最小二乘法求解，得到刀具偏心参数ρ和λ；步骤5)，利用刀具偏心参数和刀位点数据，通过坐标变换计算实际刀具参考点在工件坐标系中的坐标：刀具坐标系中，实际刀具参考点O_c坐标为通过平动和旋转变换，将实际刀具参考点坐标变换到主轴坐标系中，得到主轴坐标系中实际刀具参考点的坐标为其中平动变换对应由刀具的偏心量确定的三维列向量，旋转变换对应3×3正交矩阵且旋转矩阵的第一、二和三列分别对应刀具坐标系的x、y和z轴在主轴坐标系中的单位向量；通过平动和旋转变换，将主轴坐标系中实际刀具参考点的坐标为变换到工件坐标系中，得到工件坐标系中实际刀具参考点坐标为其中平动变换对应由刀位点前三个数据确定的三维列向量，旋转变换对应3×3正交矩阵且旋转矩阵的第一、二和三列分别对应主轴坐标系的x、y和z轴在工件坐标系中的单位向量；步骤6)，利用步骤5)中得到的实际刀具参考点，基于三维建模平台ACIS，通过布尔运算提取刀具-工件瞬时啮合区域；步骤7)，对应每一个刀位点，利用步骤5)，通过坐标变换计算刀具坐标系中刀刃上一点在工件坐标系中的坐标得到刀刃上点的实际运动轨迹；过点作上一次参与切削的刀刃运动所形成曲面的垂线，垂足为p，点p与点之间的距离即为切屑厚度；步骤8)，将步骤4)中标定出的切削力系数k_t、k_r、k_a、m_t、m_r、m_a和步骤7)中计算出的切屑厚度，代入微元切削力公式计算参与切削的刀刃上沿径向、切向和轴向的微元切削力；通过坐标变换，将微元切削力变换到一个工件坐标系下，得到沿X、Y、Z方向的微元切削力；在工件坐标系中，将所有参与切削刀刃的微元切削力求和，得到沿X、Y、Z方向的切削合力。