余量时变下铣削加工载荷参数优化方法与流程

1.本技术涉及数控铣削加工技术领域，具体涉及一种余量时变下铣削加工载荷参数优化方法。

背景技术：

2.随着航空、航天、交通、能源等装备性能的不断提升，其结构件也向着大型化、复杂化、材料难加工化发展。数控铣削是加工大型复杂结构件最常用的方式，能够满足复杂几何结构和型面的尺寸及精度加工要求。加工过程中，大型复杂结构件与铣削刀具的相对位姿关系往往是时变的，也就是说刀具切削余量具有时变特性，这就造成了切削载荷在加工过程中呈现剧烈变化，这种切削载荷的剧烈的变化，会造成高价值的大型复杂结构件表面质量问题、刀具寿命异常磨损破损、切削效率无法得到有效提升等问题。因此，余量时变条件下，实现高效、稳定数控铣削加工，是目前关键工程领域和技术领域面临的共同迫切需求。
3.公开号为cn112454001a，公开日为2021年03月09日的发明专利申请公开了一种二元叶轮的加工方法，包括建立加工模型，所述加工模型用于加工相邻两个叶片之间的流道；根据所述加工模型，设定走刀路径，所述走刀路径为u形摆线轨迹；根据预设的切削宽度，确定刀具的包络角；根据预设的叶片高度，确定刀具的切削深度；根据所述走刀路径、刀具的包络角及刀具的切削深度，利用刀具对料坯进行加工。该方法的走刀路径为u形摆线轨迹，即采用圆弧切削段及直线切削段组成的走刀路径，从而该方法可采用大切深、小切宽、高转速及高进给的切削参数，大大提高单位时间的金属去除率，从而提高加工效率，并且粗加工余量均匀，减少粗加工余量，提高精加工效率与加工质量。
4.上述现有技术将重点放在了二元叶轮的加工方法，详细介绍了加工参数的确定，但是并未讨论加工参数如何影响加工载荷，同时也并未提到加工载荷稳定控制方面的内容；进一步地，上述现有技术预设了切削宽度，相当于刀具的包络角也是预设的，并未研究加工过程中刀具实际包络角有无变化，以及变化后是否需要调整其它加工参数。

技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中存在的问题和不足，本技术针对铣削加工过程中，切削余量具有时变特性的特点，提出了一种余量时变下铣削加工载荷参数优化方法，提升了大型复杂结构件表面的铣削加工质量以及加工效率，也提高了刀具加工寿命。
6.为了实现上述发明目的，本技术的技术方案具体如下：
7.一种余量时变下铣削加工载荷参数优化方法，包括如下步骤：
8.步骤s1.根据零件未加工表面与待加工表面的相对位置关系，以及刀具半径确定铣刀实时包络角；
9.步骤s2.根据刀具与零件上表面之间实际接触的最高切削位置，确定实时切削深度；
10.步骤s3.将铣刀实时包络角和实时切削深度分别代入铣削三方向切削力模型，得
到当前切削参数下的三方向切削力，包括平面内沿进给方向切削力、平面内垂直于进给方向切削力和垂直于平面沿刀具轴向切削力；
11.步骤s4.铣削加工载荷稳定约束条件下，分别对刀具三个方向所对应的每齿进给量进行求解；
12.步骤s5.将平面内沿进给方向切削力所对应的每齿进给量，以及平面内垂直于进给方向切削力所对应的每齿进给量进行对比，取两者中较小值作为优化后的加工载荷参数进行铣削加工。
13.进一步地，所述包络角是指刀具切入角和刀具切出角之间的角度。
14.进一步地，所述步骤s3中，将铣刀的实时包络角以及实时切削深度分别代入如下铣削三方向切削力模型中
[0015][0016][0017][0018]
其中，f
x
为平面内沿刀具进给方向切削力；fy为平面内垂直于刀具进给方向切削力；fz为垂直于平面沿刀具轴向切削力；z为铣削刀具的刀齿数量；a
p
为刀具实时切削深度；fz为刀具每齿进给量；φ
st
为刀具切入角；φ
ex
为刀具切出角；φ为刀具实时包络角；k
tc
、k
rc
、k
te
、k
re
、k
ac
、k
ae
为切削力预测系数；
[0019]
取刀具切出角φ
st
近似为零，刀具切入角即为包络角，将φ
st
＝0以及φ
ex
＝φ带入上述铣削三方向切削力模型中，最终得到当前切削参数下的三方向切削力
[0020][0021][0022][0023]
进一步地，所述步骤s4具体包括：
[0024]
铣削加工载荷稳定条件下，三个方向的切削力变化极小或者为零，假设t1时刻对应的刀具切削深度、每齿进给量、包络角以及三个方向的切削力分别为a
p1
，f
z1
，φ1，f
x1
，f
y1
，f
z1
；t2时刻对应的刀具切削深度、每齿进给量、包络角以及三个方向的切削力分别为a
p2
，f
z2
，φ2，f
x2
，f
y2
，f
z2
，那么铣削加工载荷稳定约束条件的计算表达式如下
[0025][0026]
将三方向切削力理论模型分别代入上述表达式中，最终得到刀具三个方向所对应的每齿进给量
[0027]
由f
x2-f
x1
＝0可得，f
z2_x
＝f
_x
(f
z1
)；
[0028]
由f
y2-f
y1
＝0可得，f
z2_y
＝f
_y
(f
z1
)；
[0029]
由f
z2-f
z1
＝0可得，f
z2_z
＝f
_z
(f
z1
)；
[0030]
其中，f
z2_x
表示t2时刻平面内沿刀具进给方向切削力所对应的刀具每齿进给量；f
z2_y
表示t2时刻平面内垂直于刀具进给方向切削力所对应的刀具每齿进给量；f
z2_z
表示t2时刻垂直于平面沿刀具轴向切削力所对应的刀具每齿进给量。
[0031]
进一步地，所述步骤s3中，切削力预测系数根据以下计算表达式进行拟合
[0032][0033]
其中，f
yc
、f
ye
、f
xc
、f
xe
、f
zc
以及f
ze
为切削力参数，通过铣削实验获得。
[0034]
本技术的有益效果：
[0035]
本技术针对铣削加工过程中，切削余量具有时变特性的特点，提出了一种余量时变下铣削加工载荷参数优化方法，给出了通用且详细的优化流程，能够满足不同铣削刀具和被加工材料组合情况下，面向加工载荷稳定性控制而进行工艺参数优化的需求，能够满足航空、航天、交通、能源等领域大型复杂结构件的高质量稳定加工要求，同时对于减少对加工刀具的载荷冲击，进而延长刀具使用寿命提供了有益的技术支撑。
附图说明
[0036]
本技术的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
[0037]
图1为本技术方法流程图；
[0038]
图2为本技术铣刀实时包络角示意图；
[0039]
图3为本技术铣刀实时切削深度示意图；
[0040]
图4为图3中a方向示意图。
[0041]
附图中：
[0042]
1、刀具；2、切入点；3、切出点；4、未加工表面；5、待加工表面；6、已加工表面；7、铣
刀进给方向；8、铣刀旋转方向；9、当前最高切削位置；10、工件上表面；11、铣刀底部；12、工件。
具体实施方式
[0043]
为了使本领域的技术人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将通过几个具体的实施例来进一步说明实现本技术发明目的的技术方案，需要说明的是，本技术要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
[0044]
目前，大型复杂结构件在铣削加工过程中，结构件与铣削刀具的相对位姿关系往往是时变的，也就是说刀具切削余量具有时变特性，这就造成了切削载荷在加工过程中呈现剧烈变化，这种切削载荷的剧烈的变化，会造成高价值的大型复杂结构件表面质量问题、刀具寿命异常磨损破损、切削效率无法得到有效提升等问题。
[0045]
基于此，本实施例针对铣削加工过程中，切削余量具有时变特性的特点，提出了一种余量时变下铣削加工载荷参数优化方法，不仅提升了大型复杂结构件表面的铣削加工质量以及加工效率，同时也提高了刀具加工寿命。
[0046]
参照说明书附图1所示，本方法具体包括如下步骤：
[0047]
步骤s1.根据工件12的未加工表面4与待加工表面5的相对位置关系，以及刀具1半径确定铣刀实时包络角。
[0048]
在本实施例中，需要说明的是铣刀实时包络角的具体确定方法为本领域技术人员均知晓的手段，也就是说本技术并未对铣刀实时包络角的确定方法做出改进。
[0049]
参照说明书附图2所示，刀具1与工件的未加工表面4相交于切入点2，刀具1与工件的待加工表面5相较于切出点3，沿铣刀进给方向7逐渐加工形成已加工表面，刀具沿方向8旋转，切入点2及切出点3与铣刀1中心点的连线夹角即为刀具实时包络角φ。
[0050]
步骤s2.根据刀具1与工件上表面10之间实际接触的最高切削位置，确定实时切削深度。
[0051]
参照说明书附图3以及附图4所示，刀具1沿铣刀进给方向7切削工件12过程中，与工件上表面10进行接触，在复杂结构件中，工件上表面10呈现出显著的高低变化特征，刀具1与工件上表面10之间的接触点即为当前最高切削位置9，其与铣刀底部11的高度差即为实时切削深度a
p
。
[0052]
步骤s3.引用铣削三方向切削力理论模型，将铣刀的实时包络角以及实时切削深度分别代入模型中，得到当前切削参数下平面内沿进给方向切削力、平面内垂直于进给方向切削力和垂直于平面沿刀具轴向切削力。
[0053]
铣削过程中，三个方向的铣削切削力分别为：
[0054]
沿刀具进给方向的铣削切削力f
x
；
[0055]
垂直于刀具进给方向铣削切削力fy；
[0056]
垂直于平面沿刀具轴向铣削切削力fz；
[0057]
三方向切削力理论模型如下：
[0058][0059][0060][0061]
其中，其中，f
x
为平面内沿刀具进给方向的铣削切削力；fy为平面内垂直于刀具进给方向的铣削切削力；fz为垂直于平面沿刀具轴向的铣削切削力；z为铣削刀具的刀齿数量；a
p
为刀具实时切削深度；fz为刀具每齿进给量；φ
st
为刀具切入角；φ
ex
为刀具切出角；φ为刀具实时包络角；k
tc
、k
rc
、k
te
、k
re
、k
ac
、k
ae
为切削力预测系数；
[0062]
切入角2和切出角3之间的角度即为刀具的包络角，可以将切出角近似看做零，那么切入角2所对应的角度大小即为刀具的包络角；将φ
st
＝0以及φ
ex
＝φ带入上述三方向切削力理论模型中，最终可以得到以包络角、切削深度以及每齿进给量为自变量的三方向切削力计算表达式
[0063][0064][0065][0066]
步骤s4.铣削加工载荷稳定约束条件下，分别对刀具三个方向切削力所对应的每齿进给量进行求解。
[0067]
根据铣削加工载荷稳定的要求，三方向切削力前后两个时刻的变化应该为零或者变化极小，将此要求设定为参数优化的目标，进而得到三方向切削力稳定控制要求约束条件下所对应的三方向每齿进给量；
[0068]
假设t1时刻对应的刀具切削深度、每齿进给量、包络角以及三个方向的切削力分别为a
p1
，f
z1
，φ1，f
x1
，f
y1
，f
z1
；t2时刻对应的刀具切削深度、每齿进给量、包络角以及三个方向的切削力分别为a
p2
，f
z2
，φ2，f
x2
，f
y2
，f
z2
，那么铣削加工载荷稳定约束条件的计算表达式如下
[0069][0070]
将三方向切削力理论模型分别代入上述表达式中，最终得到刀具三个方向切削力所对应的每齿进给量
[0071]
由f
x2-f
x1
＝0可得，f
z2_x
＝f
_x
(f
z1
)；
[0072]
进一步地，
[0073]
其中：
[0074][0075]
由f
y2-f
y1
＝0可得，f
z2_y
＝f
_y
(f
z1
)；
[0076]
进一步地，
[0077]
其中：
[0078][0079]
由f
z2-f
z1
＝0可得，f
z2_z
＝f
_z
(f
z1
)；
[0080]
进一步地，
[0081]
其中：
[0082][0083]
步骤s5.根据影响工件几何加工精度、表面质量和刀具磨损的关键为平面内的两方向切削力，因此将平面内沿进给方向的切削力稳定控制所得到的每齿进给量，以及平面内垂直于进给方向切削力稳定控制所得到的每齿进给量进行对比，取两者中较小值作为优化后的载荷进行使用，即将步骤s4中优化得到的f
z2_x
和f
z2_y
两者进行比较，选用两者中较小
的值，可以表达为f
z2
＝min[f
z2_x
,f
z2_y
]；
[0084]
最后，将优化得到的工艺加工参数(a
p2
，φ2，f
z2
)组合，应用到实际的大型复杂结构件的铣削加工中，以实现切削载荷稳定性的控制。
[0085]
在本实施例中，需要说明的是，切削力预测系数可以通过切削实验的方式，首先收集三方向切削力，然后通过数学拟合的方式得到，具体的拟合方法如下
[0086][0087]
其中，fi＝f
icfz
+f
ie
(i＝x,y,z)，在不同的每齿进给量fz下，可对f
ic
和f
ie
的各个分量进行拟合从而确定具体数值。
[0088]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的阻碍。
[0089]
在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0090]
以上所述，仅是本技术的较佳实施例，并非对本技术做任何形式上的阻碍，凡是依据本技术的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种余量时变下铣削加工载荷参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1.根据零件未加工表面与待加工表面的相对位置关系，以及刀具半径确定铣刀实时包络角；步骤s2.根据刀具与零件上表面之间实际接触的最高切削位置，确定实时切削深度；步骤s3.将铣刀实时包络角和实时切削深度分别代入铣削三方向切削力模型，得到当前切削参数下的三方向切削力，包括平面内沿进给方向切削力、平面内垂直于进给方向切削力和垂直于平面沿刀具轴向切削力；步骤s4.铣削加工载荷稳定约束条件下，分别对刀具三个方向所对应的每齿进给量进行求解；步骤s5.将平面内沿进给方向切削力所对应的每齿进给量，以及平面内垂直于进给方向切削力所对应的每齿进给量进行对比，取两者中较小值作为优化后的加工载荷参数进行铣削加工。2.根据权利要求1所述的余量时变下铣削加工载荷参数优化方法，其特征在于，所述包络角是指刀具切入角和刀具切出角之间的角度。3.根据权利要求1所述的余量时变下铣削加工载荷参数优化方法，其特征在于，所述步骤s3中，将铣刀的实时包络角以及实时切削深度分别代入如下铣削三方向切削力模型中骤s3中，将铣刀的实时包络角以及实时切削深度分别代入如下铣削三方向切削力模型中骤s3中，将铣刀的实时包络角以及实时切削深度分别代入如下铣削三方向切削力模型中其中，f
x
为平面内沿刀具进给方向切削力；f
y
为平面内垂直于刀具进给方向切削力；f
z
为垂直于平面沿刀具轴向切削力；z为铣削刀具的刀齿数量；a
p
为刀具实时切削深度；f
z
为刀具每齿进给量；φ
st
为刀具切入角；φ
ex
为刀具切出角；φ为刀具实时包络角；k
tc
、k
rc
、k
te
、k
re
、k
ac
、k
ae
为切削力预测系数；取刀具切出角φ
st
近似为零，刀具切入角即为包络角，将φ
st
＝0以及φ
ex
＝φ带入上述铣削三方向切削力模型中，最终得到当前切削参数下的三方向切削力
4.根据权利要求1所述余量时变下铣削加工载荷参数优化方法，其特征在于，所述步骤s4具体包括：铣削加工载荷稳定条件下，三个方向的切削力变化极小或者为零，假设t1时刻对应的刀具切削深度、每齿进给量、包络角以及三个方向的切削力分别为a
p1
，f
z1
，φ1，f
x1
，f
y1
，f
z1
；t2时刻对应的刀具切削深度、每齿进给量、包络角以及三个方向的切削力分别为a
p2
，f
z2
，φ2，f
x2
，f
y2
，f
z2
，那么铣削加工载荷稳定约束条件的计算表达式如下将三方向切削力理论模型分别代入上述表达式中，最终得到刀具三个方向所对应的每齿进给量由f
x2-f
x1
＝0可得，f
z2_x
＝f
_x
(f
z1
)；由f
y2-f
y1
＝0可得，f
z2_y
＝f
_y
(f
z1
)；由f
z2-f
z1
＝0可得，f
z2_z
＝f
_z
(f
z1
)；其中，f
z2_x
表示t2时刻平面内沿刀具进给方向切削力所对应的刀具每齿进给量；f
z2_y
表示t2时刻平面内垂直于刀具进给方向切削力所对应的刀具每齿进给量；f
z2_z
表示t2时刻垂直于平面沿刀具轴向切削力所对应的刀具每齿进给量。5.根据权利要求3所述的余量时变下铣削加工载荷参数优化方法，其特征在于，所述步骤s3中，切削力预测系数根据以下计算表达式进行拟合其中，f
yc
、f
ye
、f
xc
、f
xe
、f
zc
以及f
ze
为切削力参数，通过铣削实验获得。

技术总结

本申请涉及数控铣削加工技术领域，公开了一种余量时变下铣削加工载荷参数优化方法，针对切削余量具有时变特性的特点，通过获取刀具的实时切削深度以及实时包络角，利用铣削三方向切削力模型以及铣削加工载荷稳定约束条件，分别对三个方向切削力所对应的刀具每齿进给量进行求解，最终将平面内沿进给方向切削力所对应的每齿进给量，以及平面内垂直于进给方向切削力所对应的每齿进给量进行对比，取两者中较小值作为优化后的加工载荷参数进行铣削加工。本申请提升了大型复杂结构件表面的铣削加工质量以及加工效率，同时也提高了刀具加工寿命。命。命。