[发明专利]一种刀具－工件切触区域的判定方法

说明书

本发明公开了一种刀具‑工件切触区域的判定方法，其主要包括以下步骤：分别建立刀具坐标系和工件坐标系，确定切削刃微元同一时刻在两个坐标系中的描述；确定切削刃微元是否在工件加工表面外；确定切削刃微元是否在前切削刃周期最低点下；确定切削刃微元是否在前刀齿包络面内；根据前述步骤，确定切削刃微元是否在有效切触区域内。本发明技术方案的算法，克服了现有技术效率低、过程复杂的不足，具有计算时间短、预测精度高的特点，尤其在五轴复杂曲面加工方面，可以更好地兼顾效率和精度，大大优化了刀具切削力的计算过程。

技术领域

本发明属于切削加工领域，具体涉及一种基于切削刃微元分类的刀具－工件切触区域的判定方法。

背景技术

在切削加工过程中，为了保证工件的加工精度，需要紧密监控切削过程刀具与工件状态。切削力是刀具切入工件和切除切屑所需要的力，是切削加工过程中的重要物理现象之一，由于切削力是促使刀具与工件等产生变形的直接因素，也是监控切削过程刀具与工件状态的重要依据，准确预测切削力对于更好地研究切削机理和规划刀具轨迹具有重要意义。

为了判断刀具切削刃是否参与切削以得到总切削力，需要确定刀具与工件的切触区域(Cutting engagement region)，切触区域的确定是切削力预测中的研究关键点之一。切触区域的确定是一个动态过程，需要随切削的进行更新刀具与工件的曲面。随着自由曲面五轴铣削在加工中日益广泛的应用和展现的优势，针对五轴铣削加工进行精确高效的切削力建模，切触区域判断等相关理论还有待进一步推进和完善。目前切触区域的确定的计算方法大体上有两类：布尔运算方法(Boolean operation method)与Z-map方法。

其中，布尔运算方法计算量较大，尤其是对于五轴复杂曲面加工来说，其计算过程需要耗费大量的时间。Z-map可根据精度需要设置离散网格点，网格点越小，计算时间越长，预测精度越高；反之，网格点越大，计算时间越短。在实际的应用中，布尔运算方法在处理一些低轴简单曲面加工问题上具有一定的优势，但是在五轴复杂曲面加工方面，耗时耗力，精度难以保证；Z-map运算方法虽然可以满足五轴复杂曲面加工的精度要求，但是这种方法无法兼顾效率和精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种刀具－工件切触区域的判定方法，该方法将切削刃微元划分为不同类别，从而可以快速判定切削刃微元是否参与切触,实现精确高效的切触区域判断，具有计算时间短、预测精度高的特点，尤其在五轴复杂曲面加工方面，相较于现有技术，可以更好地兼顾效率和精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种刀具-工件切触区域的判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，分别以刀具和工件为参照系建立刀具坐标系和工件坐标系，确定任意时刻切削刃微元在刀具坐标系和工件坐标系中的数学描述，确定任意时刻工件加工表面在工件坐标系中的数学描述；

步骤二，确定当前时刻切削刃微元与当前工件加工表面在同一坐标系中的数学描述，通过同一坐标系中切削刃微元和当前工件加工表面的数学描述，确定切削刃微元与当前工件加工表面的位置关系，判断切削刃微元是否位于可能切触空间内；

步骤三，获取前一时刻完成的切削周期最低点在刀具坐标系和工件坐标系中的数学描述，通过同一坐标系中切削刃微元和切削周期最低点的数学描述，确定当前时刻切削刃微元与所述最低点的位置关系，判断所述切削刃微元是否位于所述最低点下；

步骤四，比较在同一时刻切削刃微元的切削半径与切削刃微元所在位置同一轴向高度的离散层的刀具半径大小，其中，若切削半径大于刀具半径，则该切削刃微元不在前刀齿包络面内，若切削半径不大于刀具半径，则该切削刃微元在前刀齿包络面内，即确定切削刃微元是否在前刀齿包络面内；

步骤五，满足下列条件之一的微元位于有效切触区域内：

条件一，切削刃微元不在不可能切触空间，且切削刃微元位于前切削刃周期最低点下；