轉(zhuǎn)角插銑快速編程技術(shù)

白玉珍，宋萬(wàn)萬(wàn)，倪家強(qiáng)，王曉峰

（沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽(yáng) 110034）

0 引言

轉(zhuǎn)角特征是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中最為典型的特征之一，在大型的壁板、框、梁、肋等結(jié)構(gòu)件中，轉(zhuǎn)角特征數(shù)量從幾十至幾百甚至上千。通常，結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工流程依照先粗后精的原則進(jìn)行規(guī)劃，粗加工一般選用較大直徑的刀具去除大余量，而后續(xù)精加工時(shí)選用直徑較小刀具，這樣，如果不預(yù)先進(jìn)行轉(zhuǎn)角加工，則在精加工階段，刀具在轉(zhuǎn)角處徑向切深突然增大，切削力也增大，極易引起振動(dòng)、凹刀或顫刀現(xiàn)象，影響零件加工精度和表面質(zhì)量，較嚴(yán)重會(huì)出現(xiàn)刀具崩刃或斷裂，造成零件報(bào)廢。故在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中，轉(zhuǎn)角加工成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，針對(duì)轉(zhuǎn)角加工環(huán)節(jié)，主要有兩種加工方法：分層輪廓銑和插銑。分層輪廓銑是在軸向和徑向上分層，用刀具側(cè)刃逐層去除余量，加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)向切削力；而插銑加工是刀具做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，利用刀具底刃的鉆、銑組合切削方式進(jìn)行余量去除，加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削力主要在軸向方向[1]。鑒于這兩種加工方式的特點(diǎn)，對(duì)于深窄型轉(zhuǎn)角，插銑加工具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，可以減少加工中的振顫和讓刀，切削更加平穩(wěn)，加工質(zhì)量更容易保證。但是，目前的數(shù)控編程軟件，插銑編程模塊需要用戶自定義大量的插銑點(diǎn)位，操作較為繁瑣，尤其對(duì)于大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，轉(zhuǎn)角數(shù)量多，采用插銑加工時(shí)，插銑點(diǎn)位規(guī)劃復(fù)雜，編程任務(wù)量巨大，編程質(zhì)量和效率難以保證。為此，提出一種殘留退縮式轉(zhuǎn)角插銑布點(diǎn)算法，并結(jié)合CATIA V5二次開發(fā)技術(shù)，在CATIA V5平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)角插銑加工的快速編程。

1 殘留退縮式轉(zhuǎn)角插銑布點(diǎn)算法

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的轉(zhuǎn)角特征，通常為兩相鄰側(cè)壁之間的過(guò)渡性結(jié)構(gòu)，主要包括兩側(cè)壁面和圓柱面（或可近似擬合為圓柱面的曲面）。在研究插銑加工插銑點(diǎn)位布置時(shí)，首先在一個(gè)二維的平面區(qū)域內(nèi)開展布點(diǎn)，該平面為垂直于轉(zhuǎn)角軸線且與轉(zhuǎn)角圓柱面相交的平面，并以二者相交所得輪廓為對(duì)象，研究插銑點(diǎn)位布置方案。

1.1 轉(zhuǎn)角殘留區(qū)域計(jì)算

插銑點(diǎn)位布置的合理性直接關(guān)系到插銑加工的效率，因此在布點(diǎn)時(shí)，首先需要準(zhǔn)確計(jì)算轉(zhuǎn)角區(qū)域上次加工時(shí)的殘留量。假設(shè)上道工序中加工刀具半徑為Rp，加工余量為δp，li、lc和lo為轉(zhuǎn)角理論輪廓邊界，將轉(zhuǎn)角切入端輪廓線li和切出端輪廓線lo分別向圓心方向偏置δp，得到上道工序加工邊界lpi和lpo，然后以Rp為半徑，對(duì)lpi和lpo進(jìn)行倒圓角，獲得圓弧線lpc，如圖1所示，其中切點(diǎn)A為殘留區(qū)域的切寬增大起始點(diǎn)，切點(diǎn)B為殘留區(qū)域的切寬增大結(jié)束點(diǎn)，至此，由邊界線li、lc和lo以及l(fā)pc包圍形成的區(qū)域δp即為轉(zhuǎn)角區(qū)域上次加工時(shí)的殘留區(qū)域。

圖1 轉(zhuǎn)角殘留區(qū)域計(jì)算示意圖

1.2 初始刀位軌跡線構(gòu)建

初始刀位軌跡線是轉(zhuǎn)角插銑加工時(shí)首層插銑點(diǎn)位的軌跡線。以轉(zhuǎn)角區(qū)域上道工序加工殘留邊界線lpc為基準(zhǔn)，向非殘留方向（即圓心Op一側(cè)）偏置δ，即可獲得初始刀位軌跡線f1，其中Fs為起始點(diǎn)，F(xiàn)e為終止點(diǎn)，如圖2所示。其中偏置量δ按式(1)計(jì)算：

圖2 初始刀位軌跡線計(jì)算示意圖

式中：

Rc為當(dāng)前加工刀具的半徑，

Wc為當(dāng)前刀具的切寬。

1.3 插銑布點(diǎn)域構(gòu)建

將轉(zhuǎn)角理論輪廓邊界li、lc、lo向圓心Op所在內(nèi)側(cè)方向偏置δc，獲得基于轉(zhuǎn)角理論輪廓邊界的刀位軌跡邊界線bi、bc、bo，當(dāng)Rc≥rc時(shí)（rc為轉(zhuǎn)角半徑），邊界線bc不存在。連接AOp，與bt相交于Bs，連接BOp，與bo相交于Be，Bs為邊界線起始點(diǎn)，Be為邊界線終止點(diǎn)，由邊界線bi、bc、bo、BeOp和OpBs組成的環(huán)所包圍的區(qū)域Ec為插銑布點(diǎn)域，如圖3所示。其中偏置量δc按式(2)計(jì)算：

圖3 插銑布點(diǎn)域計(jì)算示意圖

式中：

Rc為當(dāng)前加工刀具的半徑，

Ac為當(dāng)前刀具加工后的余量。

1.4 基于殘留域進(jìn)行殘留退縮式分層

當(dāng)初始刀位軌跡線f1與bi、bc、bo均不相交，且f1不包含在插銑布點(diǎn)域Ec時(shí)，分層結(jié)束，加工轉(zhuǎn)角殘留需要分層數(shù)N=1；否則，以初始刀位軌跡線f1為基線，沿去除余量的方向（由Op指向Oc的方向）逐層進(jìn)行偏置，偏置量為當(dāng)前刀具切寬Wc，每層偏置線fi=f1+（i-1）×Wc，當(dāng)fi與bi、bc、bo均不相交，且fi不包含在插銑布點(diǎn)域Ec時(shí)，分層結(jié)束，加工轉(zhuǎn)角殘留需要分層數(shù)N=i，如圖4所示。

圖4 殘留退縮式分層示意圖

1.5 計(jì)算每層有效布點(diǎn)輪廓線

設(shè)第i層插銑布點(diǎn)域?yàn)镋i，第i層有效布點(diǎn)域?yàn)閂i，第i層有效布點(diǎn)輪廓線Lvi，當(dāng)i=1時(shí)，Ei=Ec；當(dāng)i≥2時(shí)，Ei=Ei-1－Vi-1；設(shè)第i層刀位輪廓域?yàn)門i，延長(zhǎng)線段OpBe和OpBs，與分層圓弧偏置線fi分別交于Fei、Fsi，則由fi、OpFei、OpFsi邊界環(huán)所包圍區(qū)域即為Ti，則有Vi=Ei∩Ti，提取域Vi邊界環(huán)Li，可求的第i 層有效布點(diǎn)輪廓線Lvi=Li∩{fi，bi，bc，bo}，如圖5所示。

圖5 層內(nèi)有效布點(diǎn)輪廓線計(jì)算示意圖

1.6 計(jì)算插銑進(jìn)刀點(diǎn)位集Pa

設(shè)第i層有效布點(diǎn)輪廓線Lvi={mi，mc，mf，mo}，其中mi∈bi，mc∈bc，mi∈fi，mo∈bo，針對(duì)不同分層mi，mc，mf，mo可以為空，但不能全部為空，Lvi包含多段線段，需要分段進(jìn)行布點(diǎn)。

1）在mf，mi，mc，mo上布點(diǎn)算法：

以mf段布點(diǎn)為例，其余線段間布點(diǎn)方法相同。以mf為基準(zhǔn)，向殘留退縮方向偏置Rc，獲得理論加工邊界線b，取mf兩端點(diǎn)，分別以兩端點(diǎn)為圓心，作半徑均為Rc的圓c1和c2，當(dāng)c1和c2相交且二者相交所形成的尖點(diǎn)（取距離理論加工邊界線b較近的交點(diǎn)，該點(diǎn)為實(shí)際加工中真實(shí)的殘留尖點(diǎn)）與b的距離H≤A（A為用戶定制的允許最終殘留量）時(shí)，完成mf上插銑布點(diǎn)；當(dāng)c1和c2不相交或者二者相交所形成的尖點(diǎn)與b的距離H＞A時(shí)，等距遞增1個(gè)插銑點(diǎn)位，再次判別相鄰兩刀所形成殘留是否滿足H≤A，如果不滿足條件，繼續(xù)等距遞增1個(gè)插銑點(diǎn)位，直至相鄰兩刀間殘留滿足條件H≤A，完成mf區(qū)域內(nèi)的插銑布點(diǎn)。同樣方法依次在mi，mc，mo上完成區(qū)段分別布點(diǎn)。

2）分段完成布點(diǎn)后，形成點(diǎn)位集Pi，對(duì)Pi進(jìn)行去重復(fù)處理，然后以O(shè)p為參考點(diǎn)，對(duì)Pi包含點(diǎn)進(jìn)行逆時(shí)針排序，至此完成第i層有效布點(diǎn)輪廓線Lvi上的插銑布點(diǎn)，求得點(diǎn)位集Pi。

3）按照上述方法，依次獲得每層的點(diǎn)位集P1、P2……Pn，由此，可求得進(jìn)刀點(diǎn)位集Pa為:

圖6 層內(nèi)布點(diǎn)計(jì)算示意圖

1.7 計(jì)算插銑退刀點(diǎn)位集Pr

設(shè)Pai為進(jìn)刀點(diǎn)位集Pa中第i個(gè)點(diǎn)，以Pai為基點(diǎn)，按r方向偏置距離Dret，即可求的當(dāng)前進(jìn)刀點(diǎn)Pai對(duì)應(yīng)的退刀點(diǎn)Pri，如圖7所示，據(jù)此，求得與進(jìn)刀點(diǎn)位集Pa對(duì)應(yīng)的退刀點(diǎn)位集Pr。

圖7 退刀點(diǎn)位計(jì)算示意圖

1.8 計(jì)算插銑點(diǎn)位集P

設(shè)進(jìn)刀點(diǎn)位集Pa中第i個(gè)點(diǎn)為Pai，將點(diǎn)Pai沿著轉(zhuǎn)角軸線方向分別向轉(zhuǎn)角的頂面和底面進(jìn)行投影，得到進(jìn)刀階段的兩極限位置點(diǎn)Paui、Padi；

設(shè)退刀點(diǎn)位集Pr中第i個(gè)點(diǎn)為Pri，將點(diǎn)Pri沿著轉(zhuǎn)角軸線方向分別向轉(zhuǎn)角的底面和頂面進(jìn)行投影，得到退刀階段的兩極限位置點(diǎn)Prdi、Prui；

由此可求得轉(zhuǎn)角殘留區(qū)域插銑加工的插銑點(diǎn)位集P為：

2 轉(zhuǎn)角插銑編程應(yīng)用示例

基于上述插銑點(diǎn)位創(chuàng)建算法，運(yùn)用CATIA V5二次開發(fā)技術(shù)，在CAA V5平臺(tái)上開發(fā)出轉(zhuǎn)角插銑快速編程模塊，并應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控編程中，大幅簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)角插銑編程工作，顯著提升了編程效率。

圖8中的框類結(jié)構(gòu)件，包含255處深窄型轉(zhuǎn)角特征，我們分別采用傳統(tǒng)交互式編程和轉(zhuǎn)角插銑快速編程模塊編程兩種方式對(duì)轉(zhuǎn)角特征進(jìn)行插銑編程，二者編程效率對(duì)比如表1所示，證明了采用插銑快速編程模塊編程可以顯著提升編程效率。

圖8 框類結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)角插銑編程

表1 轉(zhuǎn)角插銑編程效率對(duì)比

圖9所示為三軸和五軸轉(zhuǎn)角特征應(yīng)用轉(zhuǎn)角插銑快速編程模塊編程結(jié)果，其中圖9(a)和圖9(b)為三軸轉(zhuǎn)角特征插銑加工刀軌和仿真結(jié)果，圖9(c)和圖9(d)為五軸轉(zhuǎn)角特征插銑加工刀軌和仿真結(jié)果，由仿真結(jié)果看出插銑刀軌正確，加工中無(wú)過(guò)切，由此表明了該方法的通用性和正確性。

圖9 三軸和五軸轉(zhuǎn)角插銑快速編程及仿真示例

圖10所示為針對(duì)轉(zhuǎn)角區(qū)域不同殘留量時(shí)，采用轉(zhuǎn)角插銑快速編程模塊生成的刀軌示意圖，其中圖10(a)為基于上道工序采用Φ25刀具加工后的殘留量進(jìn)行插銑時(shí)的刀軌，圖10(b)為基于上道工序采用Φ40刀具加工后的殘留量進(jìn)行插銑時(shí)的刀軌，對(duì)比這兩種情況，圖10(a)中轉(zhuǎn)角殘留量較小，相應(yīng)的插銑加工刀軌數(shù)量較少，圖10(b)中轉(zhuǎn)角殘留量較大，相應(yīng)的插銑加工刀軌數(shù)量較多，證明了該算法的智能化特點(diǎn)。

圖10 不同殘留量對(duì)應(yīng)的插銑刀軌示例

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前轉(zhuǎn)角插銑編程中存在的插銑點(diǎn)位布置繁雜，編程效率低下，編程質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，提出了一種殘留退縮式轉(zhuǎn)角插銑布點(diǎn)技術(shù)，在CAA V5平臺(tái)上應(yīng)用實(shí)施，成功開發(fā)出轉(zhuǎn)角插銑快速編程模塊，該模塊已在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)角插銑編程中進(jìn)行了應(yīng)用和驗(yàn)證，證明了該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

1）顯著提升了轉(zhuǎn)角插銑編程效率，降低編程人員勞動(dòng)強(qiáng)度；

2）該技術(shù)能夠依據(jù)轉(zhuǎn)角殘留量大小，以及插銑加工參數(shù)，自動(dòng)規(guī)劃轉(zhuǎn)角插銑加工點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)了插銑點(diǎn)位的智能化計(jì)算，避免了不必要刀軌浪費(fèi)，有效保證了轉(zhuǎn)角插銑程序的加工效率；

3）該技術(shù)尚未對(duì)轉(zhuǎn)角軸線與底面的夾角有特殊要求，因此能夠同時(shí)用于三軸和五軸類型的轉(zhuǎn)角插銑快速編程，通用性較強(qiáng)，具有重要的工程應(yīng)用意義。

本論文中基于轉(zhuǎn)角區(qū)域上道工序加工殘留進(jìn)行了徑向方向的分層排布插銑刀位，對(duì)于五軸轉(zhuǎn)角，在計(jì)算殘留區(qū)域時(shí)，本論文中簡(jiǎn)化選取了最大殘留量，但是實(shí)際切削加工中，對(duì)于五軸轉(zhuǎn)角殘留區(qū)域，在軸向方向上，殘留量是不同的，因此，插銑刀位排布在軸向方向上的進(jìn)一步細(xì)化分層研究，是后續(xù)研究的一個(gè)方向。