孫智源，張承冰，楊巍，倪家強，王曉峰

(沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司工程技術(shù)中心，遼寧沈陽 110850)

0 前言

隨著航空零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制造精度要求的不斷提高，其加工難度也不斷增大，對數(shù)控加工設(shè)備的行程、精度等主要性能要求也越加苛刻。在實際生產(chǎn)中，通常根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點、復(fù)雜程度及尺寸選擇不同結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控設(shè)備進行加工。一般情況下，對于結(jié)構(gòu)簡單、不存在五軸加工特征的零件可選用三軸數(shù)控加工設(shè)備；而五軸聯(lián)動機床主要用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在開閉角及復(fù)雜曲面特征的大型結(jié)構(gòu)件加工。其中，雙擺軸五軸聯(lián)動機床的擺軸結(jié)構(gòu)多樣，如A-B、A-C及B-C等形式。A-B結(jié)構(gòu)擺軸行程較小，介于0～1/2π之間；而A-C擺軸行程相對較大，C軸旋轉(zhuǎn)角度介于π～2π之間，但仍無法實現(xiàn)模態(tài)主軸的整周旋轉(zhuǎn)[1-2]。因此，存在的主要問題是機床加工范圍受限。在航空零件的制造中，經(jīng)常出現(xiàn)超出機床行程的現(xiàn)象。

目前，針對雙擺軸五軸聯(lián)動機床旋轉(zhuǎn)角度受限的問題，唐清春等[3-4]針對A-C式雙擺軸五軸機床C軸不能360°自由回轉(zhuǎn)的問題，研究后置處理旋轉(zhuǎn)角的優(yōu)化選擇方法，并對該優(yōu)化方法進行了試驗驗證；武躍等人[5-6]基于A-C雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動數(shù)控機床，運用最短路徑算法，對后置處理中A、C2個軸的旋轉(zhuǎn)角進行了選擇優(yōu)化，進而達到優(yōu)化刀路以及減小機床運動學誤差的目的。但上述研究主要集中在A-C結(jié)構(gòu)機床非模態(tài)C軸旋轉(zhuǎn)角度范圍大于π時的回轉(zhuǎn)路徑優(yōu)化選擇及后置處理軟件開發(fā)上，而針對A-B雙擺軸結(jié)構(gòu)機床A、B擺軸旋轉(zhuǎn)范圍較小，應(yīng)用范圍受限問題的研究較少。

目前，為解決在航空零件制造中，應(yīng)用A-B雙擺軸五軸聯(lián)動機床經(jīng)常出現(xiàn)超出機床行程的問題，飛機零件生產(chǎn)廠常用的方案有2個：(1)在進行數(shù)控編程時考慮機床極限旋轉(zhuǎn)角度，將零件的特殊結(jié)構(gòu)依據(jù)機床行程極限進行區(qū)域劃分，超出機床加工范圍的部分由普通銑床加工完成；(2)直接將整個特征結(jié)構(gòu)由普通銑床加工完成，以簡化工序流程。但上述2種方法均需要預(yù)先在零件上刻劃待加工形面的投影曲線，再通過刀具逐漸逼近該投影曲線實現(xiàn)加工。因此，加工后零件的尺寸及輪廓精度較低，實際形面誤差較大，表面質(zhì)量及加工效率較低，且無法實現(xiàn)雙曲面的銑削加工。

本文作者研究基于現(xiàn)有A-B雙擺軸的五軸聯(lián)動加工設(shè)備，以某機鈦合金傘艙支座為加工對象，通過建立機床運動學模型，分析增大機床旋轉(zhuǎn)行程的方法，研究機床最大擺角行程及零件允許最大轉(zhuǎn)動范圍，探究零件快速定位方法。

1 零件結(jié)構(gòu)及加工設(shè)備

某機傘艙支座是飛機阻力傘艙的重要連接件，材料為鈦合金TA15(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)，零件數(shù)模如圖1所示。零件兩端分別與傘艙外輪緣和垂直隔板相連；外形面為理論外緣變角度曲面，與飛機蒙皮貼合，并通過兩處交點孔與后機身對合，具有傳遞一定載荷和實現(xiàn)飛機各部位連接的作用。

圖1 某機傘艙支座三維結(jié)構(gòu)

該零件腹板及緣條較薄，且毛料余量較大，加工中腹板容易發(fā)生翹曲等變形。交點孔孔位及裝配槽口要求嚴格，加工槽口時需嚴重保證槽口尺寸及上下兩側(cè)壁厚。零件外形配合精度高，外形公差為-0.3～0 mm，加工后需采用測量機進行精密測量。耳片及緣條曲面切線與腹板所成最大角度分別為64°、119°，且要求表面粗糙度Ra為1.6 μm。

為滿足精度要求，本文作者采用A-B雙擺軸RAMMATIC五坐標立式銑床對該零件進行整體加工。利用專用工裝，采用兩孔一面及壓板定位壓緊方式固定零件。

以加工緣條形面為例，按照常規(guī)方式，以零件腹板上的2個交點孔為基準孔建立零件坐標系OwXwYwZw，如圖2所示。此時，緣條形面直母線與OwXw平行，則該處形面與Zw成29°夾角。在銑削時，可通過A軸旋轉(zhuǎn)29°實現(xiàn)零件緣條加工。但文中所采用的五坐標立式銑床為非模態(tài)主軸類機床，A、B擺軸無法進行整周回轉(zhuǎn)，僅具有±25°的旋轉(zhuǎn)行程。所需的A軸理論旋轉(zhuǎn)角度已超出機床行程，無法單純地通過A軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)零件緣條及耳片處外形的大角度曲面加工。

圖2 常規(guī)坐標系下所需擺軸旋轉(zhuǎn)角度

2 機床最大復(fù)合擺角

在圖2所示的基礎(chǔ)上，將零件在OwXwYw平面內(nèi)繞Zw軸轉(zhuǎn)動一個角度β，建立新零件坐標系OwXβYβZβ，如圖3所示。此時刀具軸線由處于OwYwZw平面內(nèi)變?yōu)榕cZw形成了空間角度，即在新坐標系下，A、B擺軸同時旋轉(zhuǎn)，使刀具軸線同時與Xβ及Yβ形成一定大小的夾角，刀具主軸與Zw構(gòu)成復(fù)合角度φ。若此復(fù)合角度φ大于A、B擺軸的擺角行程，且滿足所需加工擺角大小，則可通過轉(zhuǎn)動零件，使刀具軸線與Zw形成復(fù)合擺角，由此擴大刀具擺角范圍，實現(xiàn)大角度外形的五軸加工。因此，首先需要確定機床復(fù)合擺角與A、B軸旋轉(zhuǎn)行程的對應(yīng)關(guān)系及其最大值。

圖3 零件位置變換后刀軸擺角示意

2.1 機床運動學模型

以機床擺軸的回轉(zhuǎn)中心為原點，建立機床固定坐標系OXYZ。由于該機床結(jié)構(gòu)為B軸基于A軸轉(zhuǎn)動，在構(gòu)成復(fù)合擺角時，A軸于初始位置繞機床固定坐標系X軸旋轉(zhuǎn)角度a后，形成坐標系OXaYaZa，此時Za為刀具主軸的實際位置方向，與Z軸所成角度為a；B軸基于坐標系OXaYaZa，繞Ya軸旋轉(zhuǎn)角度b后形成坐標系OXbYbZb，此時Zb軸為最終刀具主軸方向，OXbYbZb為刀軸坐標系，與Za軸所成角度為b。機床固定坐標系、刀軸坐標系與工件坐標系各軸方向均相同，從而得到零件轉(zhuǎn)動后的機床運動學模型，如圖4所示。

圖4 零件旋轉(zhuǎn)后機床運動學模型

基于多體系統(tǒng)理論，針對機床結(jié)構(gòu)將切削運動系統(tǒng)分為2個子運動鏈，分別為由機床床身到刀具構(gòu)成的運動鏈及由機床床身到工件構(gòu)成的運動鏈[7-8]，如圖5所示。

圖5 切削系統(tǒng)運動鏈

2.2 機床最大復(fù)合擺角范圍

在由機床床身到刀具構(gòu)成的運動鏈中，設(shè)刀具端部中心到原點O的長度為T，端部中心在機床坐標系OXYZ內(nèi)坐標為x,y,z、在坐標系OXbYbZb內(nèi)的坐標為xb,yb,zb。基于多體系統(tǒng)理論，通過坐標變換有：

(1)

式中：z=-Tcosφ；zb=-T；yb=0；xb=0。

因此可以求得：

cosφ=cosa·cosb

(2)

公式(2)即為刀具軸線與機床固定坐標系OXYZ中Z軸所形成的空間復(fù)合角度φ及a、b角度之間的對應(yīng)關(guān)系。由此可知，當機床A、B軸均旋轉(zhuǎn)至25°極限位置時，復(fù)合角度φ為34.8°，即刀具置于空間的角度范圍由25°擴大至34.8°。故在利用刀具側(cè)刃進行曲面加工時，當所需刀具擺角介于25°～34.8°之間時，可將零件在OwXwYw平面內(nèi)繞Zw軸旋轉(zhuǎn)一定角度，使單一軸回轉(zhuǎn)變換為兩軸配合回轉(zhuǎn)，從而形成復(fù)合擺角，實現(xiàn)零件的大角度曲面加工。

3 零件的轉(zhuǎn)動范圍

根據(jù)上述論證，可通過調(diào)整零件空間位置，使它轉(zhuǎn)動一定角度來控制機床復(fù)合擺角。因此，需確定零件轉(zhuǎn)動角度β與最大復(fù)合擺角φ之間的對應(yīng)關(guān)系，僅當零件在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動時，才可保證刀軸置于空間的復(fù)合擺角在機床固有最大復(fù)合擺角范圍之內(nèi)。

在整個切削運動系統(tǒng)運動鏈中，設(shè)刀具端部中心點在坐標系OwXβYβZβ中的坐標為(xβ,yβ,zβ)，在坐標系OwXwYwZw中的坐標為(xw,yw,zw)。基于多體系統(tǒng)理論，通過坐標變換有：

(3)

式中:zw=Tcosφ;yw=-Tsinφ；xw=0。

由公式(1)—(3)可得：

sinβ=sinb/sinφ

(4)

cosβ=sinacosb/sinφ

(5)

由公式(4)(5)，且a≤25°、b≤25°，0°≤β≤90°、0°≤φ≤34.8°可知：

當0°≤φ≤25°時有：

0°≤β≤90°

(6)

當25°<φ≤34.8°時有：

(7)

因此，由公式(6)(7)可知，當所需主軸擺角小于25°時，可利用單一軸旋轉(zhuǎn)或?qū)⒘慵贠wXwYw平面內(nèi)介于0°～90°之間任意轉(zhuǎn)動形成復(fù)合擺角以實現(xiàn)外形的五軸加工。當所需主軸擺角達到極限值34.8°時，零件繞Zw軸轉(zhuǎn)動角度唯一，即47.8°。當所需主軸擺角介于25°～34.8°之間時，零件繞Yw軸旋轉(zhuǎn)角度范圍較大，僅需滿足公式(7)即可。

經(jīng)計算，在銑削某機傘艙支座時，令零件在XY平面內(nèi)轉(zhuǎn)動44.248°，此時A軸旋轉(zhuǎn)19.1°、B軸轉(zhuǎn)動22.9°，可實現(xiàn)其緣條及外形的精密加工，很好地解決了在RAMMATIC五坐標立式銑床上加工該零件的超程問題。

4 專用快速定位工裝設(shè)計

在實際生產(chǎn)中，零件轉(zhuǎn)動角度的測量需要采用角度測量儀，操作比較繁瑣，影響生產(chǎn)效率。從圖4可以看出，零件旋轉(zhuǎn)角度β和刀具軸線在OwXβYβ平面內(nèi)的投影與Yβ軸夾角相同。而零件轉(zhuǎn)動角度β可通過零件轉(zhuǎn)動后兩基準孔之間的階差計算得出。設(shè)兩基準孔直線距離為L，階差為L0，則L、L0與β之間的對應(yīng)關(guān)系為

β=arcsin(L0/L)

(8)

結(jié)合公式(9)，可以得到L、L0與φ之間的對應(yīng)關(guān)系：

(9)

因此，若無需使用專用工裝時，在裝夾零件過程中，可以直接通過調(diào)節(jié)2個基準孔之間的階差L0，使零件處于合理位置，得到相應(yīng)的機床復(fù)合擺角，以滿足實現(xiàn)需求。這樣可避免采用角度測量儀測量工件旋轉(zhuǎn)角度，能提高效率。

若零件數(shù)量較多，存在同批次相同零件需要同時加工的情況時，無論是通過調(diào)整每個零件的旋轉(zhuǎn)角度還是調(diào)節(jié)基準孔階差使其處于合適位置，繁瑣的調(diào)整過程均會大大降低加工效率。因此，為方便快速確定零件的合理位置，可將此轉(zhuǎn)動角度β投影至裝夾工裝，如圖6所示。工裝2個定位銷之間的連線與兩個找正原件連線的夾角為零件旋轉(zhuǎn)角度β。零件置于工裝上后，可利用工裝找正元件快速拉直找正工裝，此時零件自然處于合適位置，可有效保證零件緣條的順利加工，縮短工藝準備時間。

圖6 快速定位專用工裝

5 結(jié)論

本文作者針對現(xiàn)有機床擺軸行程無法滿足飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件大角度開角或閉角緣條及外形加工的問題，提出了基于零件空間位置變化的擴大機床擺角行程方法。

(1)通過變換零件空間位置，可改變加工過程的機床擺軸旋轉(zhuǎn)模式，從而有效增大機床行程。

(2)通過建立機床最大復(fù)合擺角與A、B擺軸旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系，研究了機床復(fù)合擺角范圍。結(jié)果表明：當機床擺軸行程為±25°時，最大復(fù)合擺角為34.8°。

(3)建立加工動態(tài)坐標系，在建立機床運動學模型的基礎(chǔ)上，研究了零件轉(zhuǎn)動角度與機床復(fù)合擺角之間的對應(yīng)關(guān)系以及零件在加工平面內(nèi)允許旋轉(zhuǎn)的最大角度。結(jié)果表明：當所需機床擺角介于25°～34.8°時，零件可轉(zhuǎn)動角度范圍隨所需擺角的增大而減小，由0°～90°的范圍逐漸縮小，直至所需擺角為極限值34.8°時，轉(zhuǎn)動角度范圍縮小至唯一值47.8°。

(4)完成了專用快速定位工裝設(shè)計，實現(xiàn)了零件合適位置的快速找正，避免了反復(fù)調(diào)節(jié)零件位置，提高了生產(chǎn)效率。