立铣刀端铣加工表面形貌仿真的研究-论文.pdf

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1、l訇似．．．2．匦亘——立铣刀端铣加工表面形貌仿真的研究Researchonsimulationofsurfacetopographymachinedbyendmillingusingend-mills董永亨，李言，张倩’DONG、『，0ng．heng。，LIYan，ZHANGQian。(1．西安理工大学高等技术学院，西安710082；2．西安理工大学机械与精密仪器工程学院，西安710048)摘要：基于运动齐次坐标的变换矩阵和矢量运算法则，建立了立铣刀端铣加工过程中刀齿的运动轨迹方程，给出了立铣刀端铣加工所产生表面形貌的仿真算法，

2、并基于MATLAB开发了表面形貌仿真系统。基于仿真系统研究了进给量对表面形貌的影响规律，为进给量的选择提供了理论依据。关键词：表面形貌；立铣刀端铣；变换矩阵；Z-MAP；仿真系统中图分类号：THI61；TG54文献标识码：A文章编号：1009-0134(2014)04(下)-0001-03Doi：10．3969／J．issn．1009-0134．2014．04(下)．O10引言型是仿真的关键。铣削加工作为零件表面获得的主要方法之1．1参考坐标系一为了便于建模，建立图1所示的坐标系。，近年来针对其加工产生的表面几何形貌仿真研究较多n

3、】。随着高速铣削技术的广泛应用，采其中，0-XYwz是固定在工件上的参考坐标用小直径立铣刀进行端铣加工以加工灵活、切削系，称为工件坐标系，简称{w}；o-XYAz称为抗力小等优点而广泛用在型面的粗、半精和精加主轴随动坐标系，简称{A}；O-XYcz刀具局部工等各个阶段。如果能从理论上进行仿真，预测坐标系，简称{C}；Oj-XjYjZj称为刀齿局部坐标出被加工表面的三维几何形貌，计算出表面特征系，简称{j)。参数，将为合理设置加工参数提供依据。在高速铣削中，广泛采用高速轻载的加工策略，积屑瘤和鳞刺几乎不存在，刀具因受力而引起的变形也

4、很小。因此，这些物理因素对立铣刀端铣表面形貌的影响可以不考虑，这样会极大降低理齿论仿真的难度。另外，借助MATLAB强大的数学计算功能，可以高效地解决立铣刀端铣加工过程的坐标计算问题，为理论仿真提供强有力的支撑。图1刀齿运动参考坐标系图2立铣刀的刃形1立铣刀端铣加工的数学建模1．2刀齿在{j}下的数学表达式本文建立仿真系统的基本思路是按照立铣刀如图2所示，立铣刀刀刃上任意点P在坐标系端铣的一般加工过程，求解出刀刃在空间的轨{J-i】中的齐次坐标可由式(1)求得：迹，然后在选定的时刻，判断刀刃是否切入工(Xjp，Yjp，zjp，1)

5、：【xjp，0，一)tan，1)(1)件，如果切入则需更新工件被切部位的高度坐式中，e为基准底齿在坐标平面0，XjZ，里与坐标。最终将残留在工件表面的点拓扑连接，便获标轴0X的夹角。得所要求的被加工表面形貌。所以，确定刀刃和1．3{j)和{C}之间的变换矩阵工件的相对运动关系，建立铣削中刀刃的运动模为了更加直观，图2仅画出了一个起始刀齿的收稿日期：2013-12-18基金项目：国家“973”高技术研究计划项目(2009CB724406)作者简介：董永亨(1981一)，男，宁夏西吉人，讲师，硕士，研究方向为先进制造技术及状态检测。第

6、36卷第4期2014-04(下)【1】务l匐似刃形，该刃形线与坐标轴OX在平面OX的投影需的时间；i为刀具的第i次进给O=1，2，3⋯)；Vf为夹角，称为初始相位，用。表示。假定任意刀齿j刀具进给速度；f为进给行距；l为刀具在轴与起始刀齿的夹角用(p0表示，则：OYw方向的走刀长度。(pci=(p0+2g(一1)／r／(2)式中J为刀齿标号，n为刀齿总数。坐标系{J)和坐标系{C}的变换矩阵为：cosq％00sm％jO0=(3)一C010(a)单向走刀(b)往复走刀01呲■r)0)001阳图3铣削加工的走刀路线1．4{C)和{A}

7、之间的变换矩阵1．5．2主轴旋转铣削刀具的径向跳动和轴向窜动对表面质量假定主轴的转速为n(r／min)，则主轴随动的影响很大。假定刀具轴线Oz与主轴回转轴线坐标系{A)绕0Z轴负向以(I)=Ⅱn／30的角速度旋OZ的偏心距离为Ar，刀具轴向窜动的振幅为转，相应的变换矩阵为：△，且是正弦运动，则刀具坐标系{C】相对于主轴00随动坐标系{A}的齐次变换矩阵可用公式(4)表示。00rz=(7)100Arcos(A(x-o~t)10010Arsin(Ac~——tot)01M=(4)001AIsin(Ay一(1)f、考虑刀具的位姿等，主轴随

8、动坐标系{A}相对O001于工件坐标系{W)的总变换矩阵为：式中△0c和△Y分别为刀具径向跳动和轴向窜MwA=ⅣAftf81动振荡波的初始相位角；(1)为主轴旋转时的角速C一全面考虑前述各种情况，球头铣刀加工过程度；t为当前的切削时间。(}00Of