[发明专利]陶瓷材料高速等应力切削防裂加工方法

摘要

本发明公开了陶瓷材料高速等应力切削防裂加工方法，其步骤如下：Step1等距三维实体模型；Step2获取加工刀轨的最小廓形；Step3变切深加工刀轨计算；Step4变切深加工刀轨优化；Step5切削过程进给量计算；Step6插入切入切出过渡刀轨；Step7所有切削行加工刀轨生成；Step8结束。本发明解决陶瓷在切削过程中产生崩裂、剥落甚至折断现象，避免造成陶瓷工件报废带来的加工成本上升等问题。

主权项

1.陶瓷材料高速等应力切削防裂加工方法，该陶瓷切削防裂加工方法的步骤如下：（1） 高速铣削过程等剪应力设计切削力模型将复杂薄壁件制作成多用预制品并采用悬伸夹持加工，加工件看成一悬臂梁，受三向切削力，其切削断面的实时剪应力是随加工过程中断面的形状和大小变化而变化的，n：刀具转速；f：刀具间歇前进方向；F_a：刀具轴向力；F_r：刀具径向力；F_t：刀具轴向力；L_c：加工件悬伸长度；那么，加工件在切削断面处受纯剪应力为（1）式（1）中，：刀具轴向和周向切削力的合力；：切削部位瞬时断面面积；那么，根据式（1），加工过程等剪应力表示为（2）其中：铣刀轴向切削力与周向切削力之比；：切削深度；：每齿进给量初值；：切削宽度；：刀具公称直径；：参与切削的刀具齿数；：相关系数；这里，：每层切削初始断面面积；从式（2）可知，是常数，则（3）若都不变，则一定是时间的函数，令、、 且，则式（3）展开为（4）当时，式（4）可简化为（5）随着切削时间的变化，断面面积将不断变小，因此切削力也应随着减小，可知函数是单调递减的，不妨设（6）联立式（5）、（6）解之得于是有那么，加工刀轨等剪应力设计的力学模型为(7)式（7）中，：与实际切削时间有关的时间常数；：剪切许用应力；（2）等剪应力切削五轴加工刀轨生成方法步骤（1）设计的随进给量递减变化的等剪应力切削模型，仅针对单层切削；对于毛坯到成品，需要多层切削才能完成，要使层与层之间的剪应力保持一个恒定的值，仅靠改变进给量一个参变量是不够的，为此，在设计等应力切削加工刀轨时，各切削层的切削深度也应该成递减变化；基于这一思想，提出了等剪应力切削高速铣五轴加工刀轨生成方法，其步骤如下所述：Step 1 等距三维实体模型；拾取薄壁复杂件三维实体模型E，以刀具半径r与加工余量δ的和为等距距离，外等距原三维实体模型，生成等距的三维实体模型E′；Step 2 获取加工刀轨的最小廓形；确定加工E的回转轴心线C_o，取垂直于C_o的等行距截平面S_i（i=1，2，…，N），组成截平面集合S={S₁，S₂，…， S_N-1，S_N}，令Lp= E′∩S，生成加工刀轨的最小廓形Lp_i∈Lp；Step 3 变切深加工刀轨计算；沿E的C_o获取加工毛坯的等行距横截面廓形Bp_i，组成加工毛坯的横截面廓形集合Bp={Bp₁，Bp₂，…， Bp_N-1，Bp_N}， Bp_i、Lp_i相对应并共面；计算位于Lp_i上的刀位点CL_j（j=1，2，…，M），设回转中心点为Cp_i， Cp_i与Bp_i、Lp_i相对应并共面；连接点Cp_i、CL_j成线段并延长成射线，设为L_j，令CC_j为Bp_i上的刀触点，CC_j=Bp_i∩L_j；计算CL_j、CC_j间的距离D_j，设刀具去除材料的平均切削深度为ap_j，ap_j=（D_j+r）/K，K为总的切削层数；设变切削深度函数为=，那么刀具去除材料的第k切削层切削深度为，其中：刀具圆角半径；：加工余量；根据第k切削层的切削深度，并运用递推法，计算出第k层的刀位点，连接刀位点、即可生成第k切削层的刀位轨迹，刀轴矢量方向为L₁、L₂、…， L_M的方向；Step 4 变切深加工刀轨优化；提取加工第i行第k切削层上的刀位点，令有向线段、的矢量分别为V_j、V_j+1，且这两矢量夹角余弦为cosθ, cosθ= V_j·V_j+1，若cosθ≥U（U∈[0，-1]），计算线段、的中点、，顺次插入到、之间，形成优化的刀位轨迹、、、，其刀轴矢量方向分别为、、、，按此法并多次优化所有变切深加工刀轨；Step 5 切削过程进给量计算；依据公式（7）以及加工材料的切削性能，确定初始进给量f₀和总切削时间T，令各切削层的切削时间均为， 依公式和F_t的数学模型，可计算出所有切削层的进给量；Step 6 插入切入切出过渡刀轨；Step 7所有切削行加工刀轨生成；如i≤N，回转Step 2；否，进入下一步；Step 8 结束。