[发明专利]一种微型槽加工变形误差的预测及补偿方法

摘要

本发明涉及机械加工领域，具体为一种加工变形误差预测及补偿方法，本发明包括机床工作台、微细铣刀、微型凹槽件、测力仪和支架，所述测力仪和支架平行设置在机床工作台上，本发明利用位移传感器实时在线监测微型凹槽件的加工变形，利用传感工作台传入调节信息进而对微型凹槽件进行实时调节，消除由于工件变形引起的径向欠切及人为调节所导致的不确定因素，提高加工精度和工件质量；本发明调节器独立于机床控制系统，不会影响现有程序规划的刀具路径，这极大节约了编程时间，进而提高了生产效率。

主权项

1.一种微型槽加工变形误差的预测及补偿方法，其包括机床工作台(1)、微细铣刀(6)、微型凹槽件(7)、测力仪(9)和支架(10)，所述测力仪(9)和支架(10)平行设置在机床工作台(1)上，其特征在于步骤如下:①搭建微型槽加工系统并建立加工系统坐标系；还包括控制器(3)、激光位移传感器(4)、驱动器(2)、控制器(3)、冷却器(5)、传感装置(8)以及红外测温仪(11)，所述传感装置(8)设置在测力仪(9)上，所述测力仪(9)与控制器(3)连接，所述红外测温仪(11)设置在支架(10)上并与控制器(3)连接，所述激光位移传感器(4)以及冷却器(5)均与控制器(3)连接，所述驱动器(2)与一端与控制器(3)连接，另一端与传感装置(8)连接，以微型凹槽件(7)为基准，建立工件‑刀具顺铣系统；②利用红外测温仪(11)进行温度判断，当温度低于150℃时，进行在线的顺铣切削力测量，当温度高于150℃时，通过控制器(3)发出指令至冷却器(5)进行氮气冷却，直至顺铣温度低于150℃后，再进行在线的顺铣切削力测量；利用微细铣刀(6)在毛坯件基底上铣槽，通过测力仪(9)分别采集切削过程中X、Y和Z方向的力F_x、F_y和F_z，标定出切向力与径向力的剪切系数及犁切系数和③基于加工系统坐标系构建工件刚性顺铣切削力模型和集中挠曲变形误差模型；301在工件‑刀具顺铣系统坐标系中，瞬时铣削厚度h(θ)的计算公式为：h(θ)＝fz sinθ   (1)式中θ表示该时刻刀具旋转中心到切削点连线与坐标系y轴之间的夹角，fz表示每齿进给量；302切削力的切向分力及径向分力的剪切力系数利用如下计算公式：其中τ为工件材料的剪切强度，λ_s为铣刀螺旋刃的刃倾角，β为切削刃的螺旋升角且λ_s＝β，γ_ε表示铣刀切削的等效前角，计算公式为：式(4)中h表示实际切削厚度，r为铣刀切削刃的钝圆半径；β_n表示工件材料与刀具材料之间的摩擦角，表示理论剪切角，计算公式为：式中CM为经验常数，ηc表示切削过程的流屑角且ηc＝λs；303切削力的切向分力及径向分力的犁切力系数计算公式：式中θ_s表示停滞角，计算公式为：将步骤②中标定的与计算出的刚性顺铣切削力系数K_tc、K_rc、K_tε、K_rε进行比较；304基于步骤301‑303得出刚性顺铣切削力的切向分力及径向分力计算公式：式中R为铣刀半径；④基于挠曲变形叠加的刀具变形分析；401将参与切削的切削刃沿轴向划分为ap/dz个厚度为dz的小圆盘，其中ap轴向切削深度；当dz/R≤0.01时，将单个小圆盘的受力情况视作集中载荷；402利用集中载荷作用下的挠曲变形得到一点k受到一个小圆盘上切削力的作用下产生的挠度值；403根据挠曲变形叠加原理，将挠度值叠加，得到该点处受切削力作用产生的挠曲变形量，点Ok表示k点所在小圆盘的圆心位置，点Ok受到k点径向切削力的作用，将沿径向切削力的方向发生偏移至点Ok‑k处，偏移量为：式中zk表示刀具上k点的位置坐标，dFkr表示刀具在k点所受到的径向铣削力微元；404重复步骤401‑403得到小圆盘Ok在p点及q点径向切削力作用下的偏移量ωk‑p和ωk‑q，如下式：式中zk，zp和zq分别表示三点的位置坐标，进而得到切削刃上受到径向切削力使小圆盘Ok产生的偏移量；⑤基于挠曲变形计算刀具及工件的变形误差值，并对误差补偿值进行求解；501基于步骤404计算径向切削力作用下的铣刀变形误差，如下式：将所有挠度的投影相叠，得到径向切削力作用下切削刃上点k处在y轴方向上的偏移量，点k的位置坐标由式(12)的两个子式求得，如下式：式中dFir表示第i个小圆盘所受切削力微元的径向分力，由式(9)和式(13)得：并得到切向切削力作用下切削刃下端点在y轴方向上的偏移量：式中E表示铣刀材料的弹性模量，I表示铣刀的极惯性矩且D为铣刀的等效直径；K_rc和K_rε分别表示切削力径向分力的剪切系数及犁切系数，z_A表示刀具固定端的位置坐标，z_k表示刀具上k点的位置坐标，z_B表示刀具末端的位置坐标；502计算切向切削力作用下的铣刀变形误差，如下式：并得到切向切削力作用下切削刃下端点在y轴方向上的偏移量：在切削力作用下刀具切削刃上点在y轴方向上的偏移量为：ωk＝ωkr+ωkt   (18)切削刃末端点在y轴方向上的偏移量为：503计算切削力作用下的工件变形误差；工件上高度zk处一点沿坐标轴y轴方向的挠度计算公式的积分形式为：式中E'和I'分别表示工件材料的弹性模量和极惯性矩；504将同一高度上刀具的变形量与工件的变形量叠加，计算误差补偿值；由步骤502‑503得到顺铣过程挠曲变形误差为：e＝ωB‑ωk'   (21)，由式(21)得到顺铣加工过程误差的补偿值为：s＝ωk'‑ωB   (22)；⑥将测力仪(9)采集数值与步骤③中式(9)的计算值进行比较，利用步骤⑤中式(21)和(22)反求出径向补偿值e和s。