[发明专利]一种正交车铣加工表面微观形貌的仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于机械制造加工技术领域，具体是一种正交车铣加工表面微 观形貌的仿真方法。

背景技术

正交车铣是通过工件旋转、铣刀旋转和铣刀沿工件轴向的直线移动三 种运动方式的合成完成工件的加工。正交车铣作为车铣加工最常用的一种 加工技术，由于其不受工件直径和刀具直径的限制，且具有加工精度高的 优点，故普遍适用于薄壁、细长轴、大型回转类零件的加工。

正交车铣加工时，工件表面在宏观上呈多棱柱。同时，旋转的铣刀必 定在工件表面留下移动的刀痕，而这种刀痕的变化规律即为微观形貌，将 直接影响正交车铣加工工件的表面粗糙度。正交车铣加工的宏观和微观形 貌共同决定了其表面粗糙度，反映了正交车铣的加工质量，因此对正交车 铣加工表面形貌的研究应包括宏观形貌和微观形貌两方面。深入探讨切削 参数对正交车铣加工表面形貌和表面粗糙度的影响规律，对提高正交车铣 的加工质量和加工效率具有重要作用。

软件仿真能够直接生成表面形貌的图形，可以有效地观察表面形貌的 变化，因此是正交车铣表面形貌研究的一个重要方法。目前，正交车铣表 面形貌仿真的研究都是采用常用包络原理对工件的宏观表面形貌进行研究， 即正交车铣加工后已加工表面的形貌宏观上为多棱柱，比如，中国发明专 利：一种车铣复合切削加工表面粗糙度及表面形貌仿真预测方法，公开号：102592035A；论文1：姜增辉,刘日韦,李晓岩.正交车铣已加工件表面微 观形貌的模拟[J].制造技术与机床,2008(7):93-95；论文2：Zhu L,Li H, Wang W.Research on rotary surface topography by orthogonal turn-milling[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2013, 69(9):2279-2292)。而上述的研究未考虑刀痕对加工表面形貌的影响，即没 有考虑正交车铣加工微观形貌的变化规律。上述研究进行的已加工表面的 宏观形貌只能反映正交车铣加工的形状误差和表面波纹度的变化，并不能 反映正交车铣刀痕的变化(微观形貌)以及表面粗糙度的变化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种正交车铣加工表面微观形貌的仿 真方法，该仿真方法能够准确反映正交车铣微观形貌和表面粗糙度的变化， 为分析切削参数对正交车铣加工表面微观形貌的影响规律、预测正交车铣 加工的表面粗糙度值以及正交车铣切削参数的选择和加工质量的提高提供 合理依据。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案包括建立刀具坐标系下 刀刃的数学模型、工件坐标系下工件和刀刃的数学建模、正交车铣加工表 面微观形貌的表示方法等。具体技术方案如下：

一种正交车铣加工表面微观形貌的仿真方法，包括以下步骤：

1)将工件局部表面沿轴向和周向等分m×n个网格，用矩阵H[i,j] (i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)表示工件表面对应位置的高度，该矩阵的初始值 为0；

2)将刀刃数Z、刀具半径r_t和时间离散，计算刀刃点P在工件坐标系 下的坐标值(P_wx，P_wy，P_wz)，P点到工件截面圆心的半径r_p和残留高度(r_p-r_w)， r_w为已加工表面半径；

3)计算刀刃点P对应矩阵H中的i和j；

4)判断刀刃点P是否到达加工工件表面的范围；

5)生成正交车铣加工表面微观几何形貌。

进一步的，所述步骤2)中计算刀刃点P在工件坐标系下的坐标值(P_wx， P_wy，P_wz)需要经过两个坐标系的变换：

21)建立刀具坐标系下刀刃的数学模型：

设P为铣刀底刃任意一点，则P点在刀具坐标系O_t—x_ty_tz_t下的坐标为：

设铣刀刃数为Z，各刃之间均匀分布，以铣刀x_t轴为基准，得各刃的转 角ψ_k为：

ψ_k＝ω_t·t+2π·(k-1)/Z (2)

将式(2)代入式(1)，得：