[发明专利]一种球头铣刀垂直加工时刀-工切触区域的识别方法

说明书

本发明公开了一种球头铣刀垂直加工时刀‑工切触区域的识别方法，包括：分别建立刀齿j的局部坐标系、球头铣刀坐标系、主轴随动坐标系、刀具瞬时进给坐标系、工件坐标系，基于齐次坐标变换原理得到球头铣刀加工过程中刀齿上任意点在工件坐标系下的轨迹方程；根据球头铣刀加工过程中刀齿上任意点在工件坐标系下的轨迹方程，确定参与切削的刀齿轴向位置区间及其径向位置区间，即可得到球头铣刀的刀‑工切触区域。采用解析的方法求解出刀齿切削点的切入位置，并分三种情况解析求解出刀齿切削点的切出位置，进而求解出切入角和切出角，有效克服了球面假设法在球头铣刀垂直铣削刀‑工切触区域识别中的原理性误差。

技术领域

本发明属于机械加工方法技术领域，涉及一种球头铣刀垂直加工时刀-工切触区域的识别方法。

背景技术

球头铣刀广泛应用于模具、汽车和航空航天等行业中相关零件的复杂表面铣削中，为了深入地研究球头铣刀的铣削机理，其切削力/动力学方面的建模引起了研究者的广泛关注，而刀具和工件接触区域(简称刀-工切触区域)的识别是切削力/动力学方面的建模的基础和关键，然而，由于刀具刃形复杂，加之姿态调整和跳动误差等因素的影响，球头铣刀铣削中的刀-工切触区域识别的难度较大，刀-工切触区域识别的准确程度和计算效率直接影响着切削力/动力预测的精度和效率。目前，刀具接触区模型可大致分为实体法、Z-MAP离散法和(半)解析法三类。有学者用基于边界表示法(B-rep)的实体布尔运算提取了球头铣刀加工曲面的刀-工切触区域，用基于UG软件的实体造型技术表示了工件、刀具扫描体以及被切除材料实体等，用分段三次NURBS曲线表示刀具切削刃，通过NURBS曲线和被切除材料实体之间的求交运算，确定了刀-工切触区域。然而，实体法需要计算刀具扫描体和工件的求交，计算效率低，使用刀具扫描体的扫掠包络面简化刀具的真实扫掠体，忽略刀齿上切削点的余摆线运动，具有一定的误差。有学者基于Z-MAP法识别了球头铣刀加工时刀-工瞬时切触状态，考虑了不同铣削方式所对应的刀具姿态调整。然而，Z-MAP离散法存在精度和效率平衡的问题，在一定程度上影响了识别效果。有学者用半解析法研究了球头铣刀铣削刀-工切触区域，并考虑到刀具的跳动，兼顾了效率和精度，然而，在计算三轴铣削情况下不同刀齿点切削轨迹的交点的进给方向的坐标时，实际并没有考虑到偏心的影响，而在五轴铣削的情况中，将扫掠面始终等效为以刀具球头半径为半径的球面，也没有考虑到偏心的影响，从而导致了一定的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种球头铣刀垂直加工时刀-工切触区域的识别方法，解决了现有技术中存在的现有识别方法存在误差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种球头铣刀垂直加工时刀-工切触区域的识别方法，包括以下步骤：

步骤1、分别建立刀齿j的局部坐标系、球头铣刀坐标系、主轴随动坐标系、刀具瞬时进给坐标系、工件坐标系，基于齐次坐标变换原理得到球头铣刀加工过程中刀齿上任意点在工件坐标系下的轨迹方程；

步骤2、根据球头铣刀加工过程中刀齿上任意点在工件坐标系下的轨迹方程，确定参与切削的刀齿轴向位置区间及其径向位置区间，即可得到球头铣刀的刀-工切触区域；刀齿轴向位置区间根据{j}下最小轴向位置角θ_min、最大轴向位置角θ_max确定，刀齿径向位置区间根据切入、切出时的径向位置角确定，即切入角φ_st和切出角φ_ex。

本发明的特点还在于：

步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、计算刀齿轴向位置区间根据{j}下最小轴向位置角θ_min、最大轴向位置角θ_max；

步骤2.2、计算相邻两个刀齿上的离散点i之间的容屑角；

步骤2.3、计算切削过程中t时刻刀齿上的切削点P在{A}中的坐标值及其在t时刻的径向位置角φ_P；