超精密铣削加工表面形貌纹理控制方法

摘要

本发明公开了一种超精密铣削加工中的表面形貌纹理控制方法，包括：设定加工表面形貌纹理方向角δ；根据纹理方向角δ确定相邻刀路的刀具初始相位角差

说明书

技术领域

本发明涉及超精密铣削加工领域，具体为一种铣削加工中的表面形貌纹理控 制方法，尤其适用于三轴超精密铣削加工和高速铣削加工。

背景技术

加工表面形貌对产品的质量和性能有着显著地影响。表面形貌会直接影响到 工件表面的接触强度、抗腐蚀性、耐磨性、密封性、抗疲劳性、配合性质、摩擦、 润滑、光学特性和传热性等。因此，对加工表面形貌的控制具有重要意义。

在铣削加工中，由于切削刃在主轴旋转运动中的空间位置，在铣削加工表面 形成进给残留和行距残留。而在普通铣削加工中，由于行距较大，且每齿进给量 远小于行距，因此行距残留是铣削加工表面形貌的主要形式。超精密球头铣削加 工中，由于行距非常小，导致每齿进给量与行距非常接近。而在高速铣削加工中， 由于进给速度非常快，同样导致每齿进给量与行距非常接近。Jenq-Shyong Chen、 罗忠诚等人对高速铣削、超精密球头铣削表面形貌分析中指出当每齿进给量与行 距的比值接近1时，进给残留甚至比行距残留对表面形貌的影响更大。

进给残留不仅受到每齿进给量、行距、刀具倾角和刀具半径的影响，而且还 受到相邻刀路初始切入相位角差的影响。近来，通过铣削表面形貌仿真程序，对 刀路初始切入相位角对加工表面形貌的影响进行了分析。在每齿进给量远小于行 距时，表面形貌主要由行距残留决定，而进给残留的影响相对较小，因此刀路初 始切入相位角的影响无法体现。而当每齿进给量与行距接近时，刀路初始切入相 位角对进给残留的影响不容忽视，因而也对加工表面形貌具有重大影响。

每齿进给量、刀具倾角和刀具半径的控制比较简单，只需调整加工参数即可。 在超精密铣削加工中，主轴转速高达数万转每分，而且主轴转速和各轴运动的启 动过程是一个动态的、复杂的过程，因此要控制每行刀路切入时刀具的相位角非 常困难。

对刀具初始相位角对表面形貌纹理的影响分析发现，本质上是相邻刀路的刀 具初始相位角差影响了表面形貌纹理，而不是每行刀路的刀具初始相位角。而相 邻刀路的刀具初始相位角差的控制相对于每行刀路切入时刀具的相位角的控制 而言，更具有可行性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过控制相邻刀路初始切入相位角差来实现对 超精密铣削加工表面形貌纹理控制的方法，该方法通过控制非切削路径的长度控 制相邻刀路的初始切入相位角差，进而对加工表面形貌纹理的方向进行控制，实 现表面形貌纹理的有效控制。

实现本发明的目的所采用的超精密铣削加工中的表面形貌纹理控制方法，其 具体过程如下：

（一）设定加工表面形貌纹理方向角δ。

（二）根据步骤（一）设定的加工表面形貌纹理方向角δ，确定相邻刀路的 刀具初始相位角差

（三）根据步骤（二）确定的相邻刀路的刀具初始相位角差进行切削 区域和非切削的刀路规划，并生成刀位轨迹文件。

（四）根据步骤（三）获得的刀位轨迹文件，后置处理成超精密铣削加工机 床数控系统可以识别的加工代码。

（五）使用步骤（四）生成的代码，进行超精密铣削加工。

作为本发明的改进，所述刀具初始相位角差指相邻刀路的刀具初始切入 相位角之差，其中，所述刀具初始相位角指刀具刀刃上任一点在垂直于刀轴 且过刀具中心点的平面上的投影点与刀具中心点所形成的直线与机床坐标系X 轴方向的夹角。

作为本发明的改进，所述的刀具初始相位角差如下式确定：

其中，m为铣刀刃数，f_z为每齿进给量，V_f为进给速度，N为主 轴转速，p为行距。

作为本发明的改进，所述非切削的刀路路径规划具体为：首先，确定每行刀 路中的切削刀路轨迹的长度L_e；其次，根据所述切削刀路轨迹的长度L_e确定每 行非切削刀路轨迹的长度L_n；最后，根据确定的非切削路径长度L_n，即可规划 出所述非切削的刀路路径。

作为本发明的改进，所述非切削刀路轨迹长度L_n通过下式确定：

式中，n为正整数，表示非切削路径长度调配系数，V_f为进给速度，N为主 轴转速。

作为本发明的改进，所述非切削的刀路路径具体为：对于任一行切削刀路的 最后一个刀位点，在刀轴与走刀方向构成的平面内建立过渡曲线，构成对应该行 的退刀路径；对于下一行的第一个刀位点，同样在该平面内建立另一过渡曲线， 构成该下一行刀路的进刀路径；然后，连接所述退刀路径和进刀路径，形成该任 一行对应的非切削路径；根据所述非切削路径长度L_n和每行的非切削路径即可 完成非切削的刀路路径规划。

作为本发明的改进，所述过渡曲线为圆弧，即每一行非切削路径的切入切出 路径采用圆弧连接，从而使非切削路径与切削路径平滑连接。

本发明的方法通过控制相邻刀路的刀具初始相位角差而不是控制每行刀路 的初始相位角，避开了主轴和各轴运动的启动过程，从而使控制的可行性大幅提 升；另外，通过规划非切削路径，从而对相邻刀路的刀具初始相位角差进行有效 控制，进而实现了对超精密铣削加工表面形貌的控制。利用本发明的超精密铣削 加工表面形貌纹理的控制方法，在超精密铣削加工时可以获得规律性的、特定纹 理的表面形貌，从而实现了对超精密铣削加工表面形貌纹理更有效控制。

附图说明

图1为本发明实施例的加工表面形貌纹理方向示意图；

图2为本发明实施例的初始切入相位角示意图；

图3为本发明实施例的非切削路径规划示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。以下实施例仅是解释性 的，并不构成对本发明的限定，凡是在不脱离本发明技术方案精神实质下的修改 或变形，均属于本发明的保护范围。

本实施例中的超精密铣削加工中的表面形貌纹理控制方法具体实施步骤如 下：

（一）设定加工表面形貌纹理方向角

如图1所示，首先设定加工表面形貌纹理方向角δ。其中加工表面形貌纹理 方向角δ是指超精密铣削加工中表面进给残留纹理与行距方向的夹角。

加工表面形貌纹理方向角δ的设定值可以根据表面形貌加工需求进行具体 设定，如可以设定加工表面形貌纹理方向角δ为定值。

（二）确定相邻刀路的刀具初始相位角差

设定铣削加工参数：球头铣刀刀具半径R，铣刀刀具刃数m，主轴转速N， 进给速度V_f，行距p，走刀方向优选设定为X方向。

刀具初始相位角指刀具刀刃上任一点在垂直于刀轴且过刀具中心点的平 面上的投影点与刀具中心点所形成的直线与X轴的夹角。刀具初始相位角差即是指相邻刀路的刀具初始切入相位角之差。

本实施例中优选以三轴超精密球头铣削为例，对初始切入相位角差的确定进 行说明。如图2所示，在三轴铣床中，定义机床固定坐标系O_w-X_wY_wZ_w。在每 行刀路刀具刚切削工件时，平移机床固定坐标系O_w-X_wY_wZ_w使其原点与球头铣 刀球心O重合，形成新的坐标系O-XYZ。此时，刀具切削刃1上一点P在平面 XOY上的投影为P'，则直线OP'与OX的夹角为即刀具的初始相位角，并定义 相邻刀路的刀具初始切入相位角之差为

根据步骤（一）设定的超精密铣削加工表面形貌纹理方向角δ，按照式（1） 确定相邻刀路的刀具初始相位角差

其中，m为铣刀刃数，f_z为每齿进给量，V_f为进给速度，N为 主轴转速，p为行距，为相位角差，δ为加工表面形貌加工表面形貌纹理方 向角。

（三）切削刀路轨迹规划

通过对待加工曲面进行偏置（偏置距离为球头铣刀刀具半径R），并结合走 刀方向、行距等加工参数，即可获得切削区域的路径轨迹。

（四）非切削刀路轨迹规划

相邻刀路的刀具初始相位角差与刀具在该行刀路运动过程中刀具所旋转 的角度有关。设定主轴转速和进给速度在加工过程中保持恒定，则刀具在加工过 程中旋转角度的控制，可以等效为刀具行走的路径长度的控制。因此，对相邻刀 路的刀具初始相位角差的控制转变为对刀路轨迹长度的控制。铣削加工刀路 分为切削刀路和非切削刀路，切削刀路根据待加工曲面确定而受到限制，故需通 过非切削刀路的规划来实现刀路轨迹长度的控制。

首先，确定每行刀路中的切削刀路轨迹的长度L_e。

每行刀路中的切削刀路轨迹的长度L_e可以通过对该行切削刀路轨迹曲线的 积分得到。本实施例的三轴超精密球头铣削加工中，可以先通过对加工曲面的偏 置（偏置距离为球头铣刀刀具半径R）获得切削区域的路径轨迹。

其次，根据切削刀路轨迹的长度L_e确定非切削路径的轨迹长度L_n。

通过对非切削路径的规划可以实现对相邻刀路的刀具初始相位角差的控 制，非切削路径的长度是对相邻刀路的刀具初始相位角差的控制的关键，而 对应该行刀路中的非切削刀路的长度L_n可以通过下式（2）确定。

其中，正整数n为非切削路径长度调配系数，该系数是为了确保非切削路径 的长度合理，可根据实际情况设定。

最后，根据确定的非切削路径长度，规划非切削路径的走刀路线。

对于任意第i行切削刀路的最后一个刀位点，在刀轴与走刀方向构成的平面 内建立过渡曲线，构成对应该第i行的退刀路径；对于下一行（i+1）的第一个 刀位点，同样在该平面内建立另一过渡曲线，构成第i+1行刀路的进刀路径；然 后，连接上述退刀路径末点和进刀路径起点，一起形成该任一行对应的非切削路 径。最后，根据所述非切削路径长度L_n和每行的非切削路径即可完成整体的非 切削的刀路路径规划。

如图3所示，在非切削路径的切入切出路径优选采用圆弧连接，从而使非切 削路径与切削路径平滑连接，以避免在切削过程中出现进给速度的波动，影响路 径长度的控制效果。

根据获得的切削区域和非切削区域的刀路轨迹，生成刀位点信息，形成刀位 轨迹文件，并后置处理成超精密铣削加工机床数控系统可以识别的加工代码，即 可通过超精密铣削加工机床进行超精密铣削加工，生成符合精度要求的铣削表面 形貌。

本实施例中以对加工曲面为斜平面的三轴超精密球头铣削加工为例说明切 削区域的刀路生成和非切削路径的刀路规划。

具体步骤如下：

1、确定待加工的斜平面方程如下式（3）所示：

z(x,y)＝ky;$\left(\begin{array}{c}x\in [x_{\min },x_{\max }]\\ y\in [y_{\min },y_{\max }]\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，k为斜平面方程的参数；x，y，z为斜平面的空间位置坐标；x_min、x_max为斜平面X方向的范围；y_min、y_max为斜平面Y方向的范围。

2、通过对加工曲面的偏置（偏置距离为刀具半径R）即可获得切削区域的 刀具路径。

设定走刀方向为X方向，则任意第i行刀路第j个刀位点的位置坐标如下式 （4）所示：

$P_{i,j}=\left(\begin{array}{c}x=x_{\min }+(j-1)·\mathrm{\Delta x}\\ y=y_{\min }+(i-1)·p-k·R/\sqrt{1+k^2}\\ z=k·(y_{\min }+i·p-p)+R/\sqrt{1+k^2}\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中，p为行距，R为球头铣刀刀具半径，Δx为刀路离散间隔，在此可优选 取Δx=0.001mm；i为正整数，i=1,2，……；j为正整数，j＝1,2，……。其中，i， j需要满足式（5）所示条件：

$\left(\begin{array}{c}i\le (y_{\max }-y_{\min })/p+1\\ j\le (x_{\max }-x_{\min })/\mathrm{\Delta x}+1\end{array}\right)---\left(5\right)$

3、非切削路径刀路规划

对斜平面的铣削加工中非切削路径规划如图3所示。选取任意第i行刀路最 后一个刀位点P_c，在XOZ平面内建立半径为r的半圆弧，构成第i行的退刀路 径1₁。以同样的方式建立第（i+1）行刀路的进刀圆弧路径l₃，对应圆弧半径也为 r。连接进退刀路径构成空切路径l₂。

设定非切削路径的进给速度和主轴转速与切削路径保持一致。第i行切削路 径刀路长度为L_e，L_e=x_max-x_min，mm；第i行与第（i+1）行刀路之间的非切削路 径总长度为L_n，通过上式（2）得到。

为合理确定非切削路径长度调配系数n，设定进退刀圆弧半径r满足下式（6） 条件。

r＝(L_n-L₂)/(2π)≥5       （6）

其中，L₂为路径l₂的长度L₂，通过下式（7）计算获得；r为进退刀圆弧半 径，mm。

$L_2=\sqrt{{(x_{\max }-x_{\min })}^2+p^2+{(k·p)}^2}---\left(7\right)$

通过以上三式（2）、（6）、（7）求取非切削路径长度调配系数n的最小值n_min； 并代入（2）、（6）式，求得r值。

4、计算非切削路径刀位点

第i行非切削刀路中退刀刀路1₁上刀位点Q_i，j1如下式（8）所示

$Q_{{i,j}_1}=\left(\begin{array}{c}{x}_{\max }+r·\cos -(\pi /2+j_1·\mathrm{\Delta \beta })\\ y_{\min }+(i-1)·p-\mathrm{kR}/\sqrt{1+k^2}\\ k·(y_{\min }+i·p-p)+R/\sqrt{1+k^2}+r+r·\sin -(\pi /2+j_1·\mathrm{\Delta \beta })\end{array}\right)---\left(8\right)$

其中，j₁为正整数，j₁=1,2，……；Δβ为圆弧的离散间隔，在此优选取0.0002rad； 且j₁满足以下式（9）的条件：

j₁≤π/(2·Δβ)        （9）

则第i行与第（i+1）行之间非切削刀路中l₂上刀位点Q_i，j2如下式（9）所示。

$Q_{{i,j}_2}=\left(\begin{array}{c}{x}_{\max }+j_2·(x_{\min }-x_{\max })·\mathrm{\Delta x}/L_2\\ y_{\min }+(i-1)·p-k·R/\sqrt{1+k^2}+j_2·p·\mathrm{\Delta x}/L_2\\ k·(y_{\min }+i·p-p)+R/\sqrt{1+k^2}+2·r+j_2·k·p·\mathrm{\Delta x}/L_2\end{array}\right)---\left(10\right)$

其中，j₂为正整数，j₂=1,2，……；Δx为刀路离散间隔，在此可取Δx=0.001mm； 且j₂满足以下式（11）的条件：

j₂≤L₂/Δ_x       （11）

则第（i+1）行进刀刀路l₃上刀位点Q_i，j3如下式（12）所示

$Q_{{i,j}_3}=\left(\begin{array}{c}{x}_{\min }+r·\cos (\pi /2+j_3·\mathrm{\Delta \beta })\\ y_{\min }+i·p-k·R/\sqrt{1+k^2}\\ k·(y_{\min }+i·p)+R/\sqrt{1+k^2}+r+r·\sin (\pi /2+j_3·\mathrm{\Delta \beta })\end{array}\right)---\left(12\right)$

其中，j₃为正整数，j₃=1,2，……；Δβ为圆弧的离散间隔，在此取=0.0002rad； 且j₃满足以下式（13）的条件：

j₃≤π/(2·Δβ)     （13）

根据切削路径刀位点和非切削路径刀位点，生成斜平面的加工刀位轨迹文件， 进行后置处理后生成加工代码，即可进行斜平面的超精密铣削加工。

另外，本发明中，超精密铣削机床的定位精度Δs应满足以下条件：

Δs≤[ε]·V_f/(2π·N)      （14）

其中，V_f为进给速度，N为主轴转速，Δs为机床的定位精度，[ε]为初始相 位角许可偏差，[ε]的大小根据对表面形貌的控制精度要求确定，一般优选设定 为5°，即π/36。