本发明涉及铣削加工，具体涉及一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法。
背景技术：
1、加工表面形貌是影响产品表面性能的重要因素，与零件的表面光洁度、耐磨性、耐腐蚀性、装配精度和使用寿命等有着密切联系。铣削是工业中应用最广泛的金属去除工艺之一，根据采用切削刃的不同，可分为周铣和端铣两种方式。与实验研究相比，构建三维铣削表面形貌模型不仅降低了试验成本，减少了时间消耗，还具有较高的灵活性，为数控铣削加工提供了重要的理论指导，对合理选取切削参数、控制加工表面质量等方面具有重要意义。
2、国内外学者对工件三维铣削表面形貌进行了研究，先后提出了一些构建工件加工表面形貌模型的方法。然而这些方法基本上集中在考虑铣削方式、机床主轴偏心、刀具倾斜角、刀具振动等情况下的表面形貌预测，目前还鲜有将铣削过程中刀具随切削时间的实时动态磨损对工件表面形貌的影响考虑到加工表面形貌预测模型中。上述问题亟待解决，为此，提出一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有加工表面预测模型未考虑到刀具实时动态磨损的问题，提供了一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法，从而提高了工件表面形貌预测模型的准确度。
2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
3、s1：构建多组坐标系，确定铣刀切削刃的动态运动轨迹方程；
4、s2：离散工件加工区域、切削刃和切削时间；
5、s3：根据铣刀正常磨损阶段的动态磨损获取铣刀切削刃离散微元的实时旋转半径，进而得到切削刃的动态运动轨迹方程；
6、s4：根据径向切削深度和铣削方式，获取切削刃离散微元切入、切出工件的有效切削时间，并在该时间内根据切削刃的动态运动轨迹方程生成相应的运动轨迹点；
7、s5：根据有效切削时间内切削刃离散微元的轨迹点高度，与工件初始高度进行对比判断，提取形貌特征点，进而生成周铣加工三维表面形貌。
8、更进一步地，在所述步骤s1中，构建多组坐标系包括工件坐标系oⅰxⅰyⅰzⅰ、主轴移动坐标系oⅱxⅱyⅱzⅱ、主轴旋转坐标系oⅲxⅲyⅲzⅲ以及刀齿局部坐标系okxkykzk，其中，工件坐标系oⅰxⅰyⅰzⅰ固定在所加工工件表面上，主轴移动坐标系oⅱxⅱyⅱzⅱ用于表示主轴的进给平移运动以及径向切深运动，进给速度为vf，径向切削深度为ae，在主轴旋转坐标系oⅲxⅲyⅲzⅲ中，带动铣刀绕以角速度w绕轴线匀速旋转，刀齿局部坐标系okxkykzk用于表示第k个切削齿的几何方程。
9、更进一步地，在所述步骤s1中，当刀具未发生磨损时，切削刃在工件坐标系下的动态运动轨迹方程为：
10、
11、其中，(xⅰ，yⅰ，zⅰ)为切削刃离散微元在工件坐标系下的轨迹坐标，t为铣削的实时时间，σk为铣刀第k个切削齿与第1个切削齿之间的夹角，r为铣刀未磨损时的初始半径，θ为坐标参数，β为立铣刀切削刃螺旋角，k为铣刀第k个切削齿。
12、更进一步地，在所述步骤s2中，将工件加工区域沿进给方向和铣刀轴向均分成m列、n行，列间距、行间距分别为δm和δn；切削刃的离散长度为δd，不大于行间距δn；切削时间的离散间隔δt内需使切削刃离散微元在工件表面进给方向上最多划过一个网格点。
13、更进一步地，在所述步骤s3中，具体处理过程如下：
14、s31：根据刀具动态磨损量与连续切削时间的关系，假设考虑刀具实时动态磨损时铣刀实时半径为：
15、r(t)＝r-kt(t)
16、其中，r(t)为切削刃离散微元在铣削时间t时的实时旋转半径，t(t)为在铣削时间t内切削刃与工件接触的总时间，k为单位时间内铣刀半径的磨损量；
17、s32：根据立铣刀的实时半径，得到考虑铣刀动态磨损的切削刃动态运动轨迹方程。
18、更进一步地，在所述步骤s32中，考虑铣刀动态磨损的切削刃动态运动轨迹方程如下：
19、
20、更进一步地，在所述步骤s4中，采用顺铣加工时，平稳铣削阶段，切削刃离散微元切入工件的时刻t1由下式判断并插值求得：
21、
22、其中，x(r(t),ae,w,z,t)是在径向切削深度为ae、主轴角速度为w、铣刀轴向高度为z、铣削时间t时，切削刃离散微元相对于工件初始高度的高度值，δt为铣削时间的离散间隔；
23、平稳铣削阶段，切削刃离散微元切出工件的时刻t2由下式判断并插值求得：
24、
25、其中，y(r(t),vf,w,z,t)是在进给速度为vf，主轴角速度为w、铣刀轴向高度为z、铣削时间t时，切削刃离散微元在工件坐标系上沿进给方向上的坐标位置；h[z,y(r(t),vf,w,z,t)]为铣削时间为t时已加工工件上，对应沿铣刀轴向位置坐标为z和沿进给方向位置坐标为y(r(t),vf,w,z,t)的实时高度；
26、在铣刀刚与工件接触的过渡阶段，切削刃离散微元切出工件的时刻t3由下式判断并插值求得：
27、
28、在铣刀开始切出工件的过渡阶段，切削刃离散微元切入工件的时刻t4由下式判断并插值求得：
29、
30、其中，l为工件加工区域在进给方向上的长度。
31、更进一步地，在所述步骤s4中，采用逆铣加工时，平稳铣削阶段，切削刃离散微元切入工件的时间t1由下式判断并插值求得：
32、
33、平稳铣削阶段，切削刃离散微元切出工件的时间t2由下式判断并插值求得：
34、
35、在铣刀刚与工件接触的过渡阶段，切削刃离散微元切入工件的时刻t4由下式判断并插值求得：
36、
37、在铣刀开始切出工件的过渡阶段，切削刃离散微元切出工件的时刻t3由下式并插值求得：
38、
39、当且仅当在时间区间[t1，t2]、[t1，t3]或[t4，t2]内切削刃才会与工件接触摩擦发生磨损，并且仅在该有效切削时间区间内，对切削刃的动态运动轨迹进行生成。
40、更进一步地，在所述步骤s5中，在有效切削时间内，获取切削刃的动态运动轨迹离散点，并与工件的初始高度进行对比，保留两者中较小的高度数值作为已加工表面的高度，进而遍历所有形貌高度点，得到周铣加工表面的三维形貌。
41、本发明相比现有技术具有以下优点：该考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法，根据径向切深参数和铣削方式判断铣刀-工件的相对位置，获取了切削刃离散微元切入、切出工件的有效切削时间，并在有效切削时间区间内生成切削刃动态运动轨迹方程，避免了切削刃空转阶段的时间损耗，减少了计算量，提高了仿真效率；此外，在铣削过程将铣刀半径随有效切削时间的实时动态磨损考虑到周铣表面形貌预测模型中，有效提高了周铣加工表面形貌特征与粗糙度的预测精度。
1.一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法，其特征在于：在所述步骤s1中，构建多组坐标系包括工件坐标系oⅰxⅰyⅰzⅰ、主轴移动坐标系oⅱxⅱyⅱzⅱ、主轴旋转坐标系oⅲxⅲyⅲzⅲ以及刀齿局部坐标系okxkykzk，其中，工件坐标系oⅰxⅰyⅰzⅰ固定在所加工工件表面上，主轴移动坐标系oⅱxⅱyⅱzⅱ用于表示主轴的进给平移运动以及径向切深运动，进给速度为vf，径向切削深度为ae，在主轴旋转坐标系oⅲxⅲyⅲzⅲ中，带动铣刀绕以角速度w绕轴线匀速旋转，刀齿局部坐标系okxkykzk用于表示第k个切削齿的几何方程。
3.根据权利要求2所述的一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法，其特征在于：在所述步骤s1中，当刀具未发生磨损时，切削刃在工件坐标系下的动态运动轨迹方程为：
4.根据权利要求1所述的一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法，其特征在于：在所述步骤s2中，将工件加工区域沿进给方向和铣刀轴向均分成m列、n行，列间距、行间距分别为δm和δn；切削刃的离散长度为δd，不大于行间距δn；切削时间的离散间隔δt内需使切削刃离散微元在工件表面进给方向上最多划过一个网格点。
5.根据权利要求1所述的一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法，其特征在于：在所述步骤s3中，具体处理过程如下：
6.根据权利要求5所述的一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法，其特征在于：在所述步骤s32中，考虑铣刀动态磨损的切削刃动态运动轨迹方程如下：
7.根据权利要求1或6所述的一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法，其特征在于：在所述步骤s4中，采用顺铣加工时，平稳铣削阶段，切削刃离散微元切入工件的时刻t1由下式判断并插值求得：
8.根据权利要求7所述的一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法，其特征在于：在所述步骤s4中，采用逆铣加工时，平稳铣削阶段，切削刃离散微元切入工件的时间t1由下式判断并插值求得：
9.根据权利要求8所述的一种考虑刀具实时动态磨损的周铣表面形貌预测方法，其特征在于：在所述步骤s5中，在有效切削时间内，获取切削刃的动态运动轨迹离散点，并与工件的初始高度进行对比，保留两者中较小的高度数值作为已加工表面的高度，进而遍历所有形貌高度点，得到周铣加工表面的三维形貌。
