一种控制切削力和切削温度的刀具轨迹优化方法

摘要

本发明公开了一种控制切削力和切削温度的刀具轨迹优化方法，属于材料加工技术领域。所述优化方法根据G代码，判断切削轨迹上的所有采样点处计算的切削力和切削温度是否过大，如果过大，根据不同的切削类型，生成不同的优化切削轨迹。本发明可以保护刀具在加工过程中不因为过大的切深切宽造成的切削力过大发生断刀的现象；通过控制切深切宽，间接控制加工中的温度，防止发生粘刀现象；更好的保护机床和提高加工的精度；减少极端切削情况，减少刀具磨损，提高机床和刀具的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种防止在铣削加工过程中切削力和切削温度过大的刀具轨迹优化方法。

背景技术

数控加工过程中，由几何模型生成的刀具轨迹，一般没有考虑加工过程中的物理信息如切削过程中的切削力、切削温度等，在一些加工的位置由于过大的切深、切宽，造成切削力和切削温度过高，所以经常在实际加工中可能会产生断刀、刀具磨损、粘刀、机床损坏、加工精度降低等现象。所以对加工过程中的切削轨迹进行一定的优化，降低原来切削位置的切深或切宽，来保证加工过程中的切削力和切削温度在合理的范围内，从而保护机床和刀具，提高加工精度，提升加工过程的安全性有重要的实际意义。

现有的零件模型生成的刀具轨迹一般只考虑了模型的外形信息，没有充分的考虑加工过程中，一些位置过大的切削用量会造成各种加工过程中的问题，如引起断刀和机床损坏等。

现有的切削仿真优化技术一般都只停留在对刀具轨迹进给速度的控制上，通过控制材料的切除速率来优化，但是这并不能降低轨迹中有些位置过大的切削宽度或切削深度，这可能会导致切削过程中的切削力和切削温度等物理量不能在合理的范围内，也无法对刀具轨迹进行重新的规划，以生成更合理的刀具轨迹。

发明内容

本发明提供一种防止铣削过程中切削力和切削温度过大的刀具轨迹优化方法，可以用于修改加工过程中的刀具轨迹路径，控制加工过程中的切深和切宽，从而控制加工过程中的切削力和切削温度不超过合理的范围。

所述的刀具轨迹优化方法包括如下步骤：

第一步，读取G代码文件，毛坯模型文件和零件模型文件。

第二步，获取每句G代码对应的切削轨迹。

第三步，将获取的G代码对应的切削轨迹离散成一系列的采样点，通过几何仿真技术获取每个采样点的切削用量。

第四步，计算每句G代码对应切削轨迹的采样点处的切削力和切削温度。

第五步，判断每句G代码对应的切削轨迹上的所有采样点处计算的切削力和切削温度是否过大。如果过大，当前G代码对应的轨迹进行修改，执行第六步，否则不修改。

第六步，判断当前切削类型。所述的切削类型包括余量切削和边界切削。

第七步，根据不同的切削类型，生成不同的优化切削轨迹。

如果是余量切削，将刀具沿刀轴方向直接抬刀，将前一次切削掉的材料分层切削。

如果是边界切削，先沿刀具径向退刀再抬刀再进行分层切削。

第八步，如果对当前G代码对应的切削轨迹有修改，则将修改后的刀具轨迹生成相应的G代码语句替代原来的G代码，如果没有，则保留当前的G代码。

本发明的优点在于：

1.保护刀具在加工过程中不因为过大的切深切宽造成的切削力过大发生断刀的现象。

2.通过控制切深切宽，间接控制加工中的温度，防止发生粘刀现象。

3.更好的保护机床和提高加工的精度。

4.减少极端切削情况，减少刀具磨损，提高机床和刀具的使用寿命。

附图说明

图1为余量切削过程中分层切削示意图。

图2为边界切削过程中分层切削示意图。

图3为本发明提供的刀具轨迹优化方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种控制切削力和切削温度的刀具轨迹优化方法，如图3所示流程，具体步骤如下：

步骤一、读取G代码文件，毛坯模型文件，零件模型文件。

步骤二、分析G代码文件，获取每句G代码对应的切削轨迹。

步骤三、将获取的G代码对应的切削轨迹从切削轨迹的起点开始每间隔1mm的距离

(间隔的距离可以根据精度需求的不同设定得更长或更短)取一个采样点，利用这种采样方式从切削轨迹上获取一系列的采样点，通过几何仿真技术获取每个采样点的切削用量(包括位置坐标、切削宽度、切削深度、进给速度和主轴转速)。

步骤四、通过切削力经验公式和切削温度经验公式计算每句G代码对应切削轨迹的采样点处的切削力和切削温度。

步骤五、判断每句G代码对应的切削轨迹上的所有采样点处计算的切削力和切削温度是否过大。所述的过大是指在采样点处计算的切削力和切削温度超出了切削加工中所要求的合理范围。

如果否，当前G代码对应的轨迹不需要修改。

如果是过大，当前G代码对应的轨迹需要修改，执行步骤六。

步骤六，判断当前G代码进行的切削是余量切削还是边界切削，具体判断方法如下：

通过将刀具沿着当前G代码对应的刀具轨迹偏移一个很小的距离得到的等距线轨迹(有两条，轨迹的两侧各有一条)生成两个刀具扫掠体，分别将两个刀具扫掠体与零件模型求交。如果有相交代表当前进行的切削为边界切削，如果不相交代表当前进行的切削为余量切削。简单的将这种判断方法命名为试切法。

所述的余量切削是指当前刀具轨迹切削后形成的轮廓边界不是零件的最终轮廓边界，还有后续的刀具轨迹会对当前的位置的一些余量进行切削。所述的边界切削是指当前刀具轨迹切削后形成的轮廓边界是零件的最终的轮廓边界，不会再有刀具轨迹对当前的位置进行切削。

步骤七，通过不同的切削类型生成不同的优化切削轨迹。

(1)余量切削，因为当前的切削是余量切削，以后还有刀具轨迹会对当前的位置进行切削，所以不用考虑粗糙度等的影响，优化的轨迹的方法是：我们只需要将刀具简单的沿刀轴方向直接抬刀一定的高度，将当前G代码以前一次加工切削掉的材料分成几层来切削掉，这样就可以通过降低切削深度来降低切削力和切削温度，具体分为几层可以通过切削力和切削温度的经验公式计算得到，简单的示意图如图1所示，图1中最左侧竖直向上箭头线代表刀轴方向，原G代码刀具轨迹为一条垂直与刀轴方向的直线，优化后的刀具轨迹由抬刀轨迹、落刀轨迹、水平切削轨迹和水平退刀轨迹组成，其中与刀轴方向平行的竖直向上的箭头线为抬刀轨迹，与刀轴方向平行的竖直向下的箭头线代表落刀轨迹，与原G代码刀具轨迹平行的水平向右的箭头线为水平切削轨迹，与原G代码刀具轨迹平行的水平向左的箭头线为水平退刀轨迹，如图1所示的优化后的刀具轨迹的加工路径为抬刀轨迹→水平切削轨迹→水平退刀轨迹→落刀轨迹→水平切削轨迹→水平退刀轨迹→落刀轨迹→水平切削轨迹，这样优化后的刀具轨迹将原来一次切削掉的余量分为3层来切削，使切削深度降到原来的三分之一，间接降低了切削力和切削温度。虽然示意图只是对直线情况作了说明，但是该方法对圆弧轨迹同样适用。

(2)边界切削，因为当前的切削是边界切削，切削后形成的轮廓边界是零件的最终轮廓边界。所以需要考虑刀具轨迹修改后对零件粗糙度造成的不利影响，所以一般不允许像余量切削时使用的直接轴向抬刀方法，需要先沿刀具径向退刀再抬刀再进行分层切削，具体的分层切削示意图如图2所示，图中最左侧竖直向上的箭头线代表刀轴方向，与其相邻的相互垂直的箭头线代表刀具径向，原G代码刀具轨迹为一条直线，箭头的方向代表刀具轨迹移动的方向，优化后的刀具轨迹由抬刀轨迹、落刀轨迹、径向退刀轨迹、径向进刀轨迹、水平切削轨迹和水平退刀轨迹组成，其中与刀轴方向平行的竖直向上的箭头线为抬刀轨迹，与刀轴方向平行的竖直向下的箭头线代表落刀轨迹，与刀具径向平行并箭头方向一致的箭头线代表径向退刀轨迹，与刀具径向平行但箭头方向相反的箭头线为径向进刀轨迹，与原G代码刀具轨迹平行的向右的箭头线为水平切削轨迹，与原G代码刀具轨迹平行的向左的箭头线为水平退刀轨迹。如图所示的优化后的刀具轨迹的加工路径为径向退刀轨迹→抬刀轨迹→径向进刀轨迹→水平切削轨迹→径向退刀轨迹→水平退刀轨迹→落刀轨迹→径向进刀轨迹→水平切削轨迹→径向退刀轨迹→水平退刀轨迹→落刀轨迹→径向进刀轨迹→水平切削轨迹，这样优化后的刀具轨迹将原来一次切削掉的余量分为3层来切削，使切削深度降到原来的三分之一，间接降低了切削力和切削温度。虽然示意图只是对直线情况作了说明，但是该方法对圆弧轨迹同样适用。

步骤八，如果对当前G代码对应的切削轨迹有修改，则将修改后的刀具轨迹生成相应的G代码语句替代原来的G代码，如果没有，则保留当前的G代码。