[发明专利]五轴数控侧铣加工铣削力预报方法

权利要求书

1.一种五轴数控侧铣加工铣削力预报方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，读入毛坯模型文件、刀路文件以及刀具几何参数数据，并将离散刀位插值获得刀具轴迹面并存储；

步骤2，基于双参数球族法计算当前刀位轴向各高度处特征点g₁和g₂；

步骤3，基于距离场法判定当前刀位刀具-工件啮合区域；

步骤4，将当前刀位切削刃上的点及法向变换到前一刀位刀具坐标系中，采用线面求交的方法得到未变形切屑厚度的解析表达式；

步骤5，采用三轴单齿铣削实验标定得到切向、径向及轴向的铣削力系数，包括剪切力系数K_tc、K_rc、K_ac和刃口力系数K_te、K_re、K_ae；

步骤6，沿轴向将刀具离散为多个薄片微元，根据步骤1中读入的刀具几何参数信息、步骤3中得到的刀具-工件啮合区域信息、步骤4中得到的未变形切屑厚度计算值以及步骤5中标定的铣削力系数，计算得到各薄片微元切向、径向、轴向铣削力；

步骤7，将步骤6中得到的各薄片微元切向、径向、轴向铣削力坐标变换到X、Y、Z轴方向，然后沿刀轴方向对各个薄片微元进行积分得到当前时刻的五轴侧铣加工铣削力预报值F_x(t)、F_y(t)、F_z(t)。

2.根据权利要求1所述的五轴数控侧铣加工铣削力预报方法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1，选取特征点g₁和g₂之间进给方向一侧圆弧上的点，基于如下距离场函数判断圆弧上的点与毛坯体位置关系：

dS(p)=inf∀q∈∂S||p-q||2p∈S-inf∀q∈∂S||p-q||2P∉S---(1)]]>

其中，p为圆弧上的点，q为毛坯边界上的点，为毛坯边界面，S为毛坯体，d_S(p)为圆弧上的点p到毛坯边界面的最小距离值；

步骤3.2，根据式(1)求得的距离值，进行如下判断：

-若距离值为正值，表示该点位于毛坯体内；

-若距离值为负值，表示该点位于毛坯体外；

-若为零，表示该点位于毛坯体边界上；

根据圆弧上各点与毛坯体位置关系，采用二分法获得位于毛坯体边界上的点，并结合特征点g₁和g₂与毛坯体的位置关系，得到当前轴向高度处切削刃微元的切入角和切出角；

步骤3.3，沿轴向各高度重复步骤3.1和步骤3.2的操作，得到当前刀位刀具-工件啮合区域。

3.根据权利要求1所述的五轴数控侧铣加工铣削力预报方法，其特征在于，所述步骤4中，未变形切屑厚度的计算方法具体为：

获取当前刀位的刀具坐标系o-x_iy_iz_i和距当前刀位为每齿进给量处的前一刀位的刀具坐标系o-x_i-1y_i-1z_i-1，则当前刀位到前一刀位的变换为：

Tii-1=Rii-1pii-101---(2)]]>

Rii-1=xi-1yi-1zi-1Txiyizi---(3)]]>

^i-1p_i＝o_i-1o_i    (4)

其中：为当前刀位到前一刀位刀具坐标系的变换矩阵，为对应的旋转变换矩阵，为对应的平移变换矩阵；

设p₀、d分别为当前刀位切削刃上的点及单位法向通过上述变换后在坐标系o-x_i-1y_i-1z_i-1下的表示，p₀和d组成的空间直线方程表达式L(h)为：

L(h)＝p₀+hd    (5)

其中，h为未变形切屑厚度；

刀具回转面S的方程表示为：

S(z，θ)＝[r(z)cosθ，r(z)sinθ，z]^T，(z，θ)∈[0，H]×[0，2π)    (6)

其中，z为刀具轴向高度，r(z)为轴向高度z处的刀刃回转半径，θ为周向角度值，H为切削刃长度；

瞬时未变形切屑厚度为切削刃上点沿其法线到上一刀位刀具回转面的距离值，所以联立式(5)和式(6)，即可求得未变形切屑厚度值：

r(z)2=(p0x+hdx)2+(p0y+hdy)2z=p0z+hdz---(7)]]>

其中，p_0x、p_0y、p_0z分别为点p₀的x、y、z坐标分量；d_x、d_y、d_z分别为法向d的x、y、z分量；

r(z)与z呈线性关系，则式(7)中第二个方程代入第一个方程即得到未变形切屑厚度h的一元二次方程，进而得到未变形切屑厚度的解析表达式。