白玉珍，宋萬萬，倪家強，王曉峰

（沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 110034）

0 引言

轉(zhuǎn)角特征是飛機結(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)精加工時選用直徑較小刀具，這樣，如果不預(yù)先進行轉(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、凹刀或顫刀現(xiàn)象，影響零件加工精度和表面質(zhì)量，較嚴重會出現(xiàn)刀具崩刃或斷裂，造成零件報廢。故在飛機結(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，加工過程中會產(chǎn)生較大的側(cè)向切削力；而插銑加工是刀具做軸向進給運動，利用刀具底刃的鉆、銑組合切削方式進行余量去除，加工過程中產(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，對于深窄型轉(zhuǎn)角，插銑加工具有更明顯的優(yōu)勢，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位，操作較為繁瑣，尤其對于大型飛機結(jié)構(gòu)件，轉(zhuǎn)角數(shù)量多，采用插銑加工時，插銑點位規(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)角插銑布點算法，并結(jié)合CATIA V5二次開發(fā)技術(shù)，在CATIA V5平臺上實現(xiàn)了轉(zhuǎn)角插銑加工的快速編程。

1 殘留退縮式轉(zhuǎn)角插銑布點算法

飛機結(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位布置時，首先在一個二維的平面區(qū)域內(nèi)開展布點，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象，研究插銑點位布置方案。

1.1 轉(zhuǎn)角殘留區(qū)域計算

插銑點位布置的合理性直接關(guān)系到插銑加工的效率，因此在布點時，首先需要準確計算轉(zhuǎn)角區(qū)域上次加工時的殘留量。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lpi和lpo進行倒圓角，獲得圓弧線lpc，如圖1所示，其中切點A為殘留區(qū)域的切寬增大起始點，切點B為殘留區(qū)域的切寬增大結(jié)束點，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)域上次加工時的殘留區(qū)域。

圖1 轉(zhuǎn)角殘留區(qū)域計算示意圖

1.2 初始刀位軌跡線構(gòu)建

初始刀位軌跡線是轉(zhuǎn)角插銑加工時首層插銑點位的軌跡線。以轉(zhuǎn)角區(qū)域上道工序加工殘留邊界線lpc為基準，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，F(xiàn)e為終止點，如圖2所示。其中偏置量δ按式(1)計算：

圖2 初始刀位軌跡線計算示意圖

式中：

Rc為當前加工刀具的半徑，

Wc為當前刀具的切寬。

1.3 插銑布點域構(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Rc≥rc時（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，Be為邊界線終止點，由邊界線bi、bc、bo、BeOp和OpBs組成的環(huán)所包圍的區(qū)域Ec為插銑布點域，如圖3所示。其中偏置量δc按式(2)計算：

圖3 插銑布點域計算示意圖

式中：

Rc為當前加工刀具的半徑，

Ac為當前刀具加工后的余量。

1.4 基于殘留域進行殘留退縮式分層

當初始刀位軌跡線f1與bi、bc、bo均不相交，且f1不包含在插銑布點域Ec時，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）逐層進行偏置，偏置量為當前刀具切寬Wc，每層偏置線fi=f1+（i-1）×Wc，當fi與bi、bc、bo均不相交，且fi不包含在插銑布點域Ec時，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 計算每層有效布點輪廓線

設(shè)第i層插銑布點域為Ei，第i層有效布點域為Vi，第i層有效布點輪廓線Lvi，當i=1時，Ei=Ec；當i≥2時，Ei=Ei-1－Vi-1；設(shè)第i層刀位輪廓域為Ti，延長線段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 層有效布點輪廓線Lvi=Li∩{fi，bi，bc，bo}，如圖5所示。

圖5 層內(nèi)有效布點輪廓線計算示意圖

1.6 計算插銑進刀點位集Pa

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

1）在mf，mi，mc，mo上布點算法：

以mf段布點為例，其余線段間布點方法相同。以mf為基準，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，分別以兩端點為圓心，作半徑均為Rc的圓c1和c2，當c1和c2相交且二者相交所形成的尖點（取距離理論加工邊界線b較近的交點，該點為實際加工中真實的殘留尖點）與b的距離H≤A（A為用戶定制的允許最終殘留量）時，完成mf上插銑布點；當c1和c2不相交或者二者相交所形成的尖點與b的距離H＞A時，等距遞增1個插銑點位，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個插銑點位，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。同樣方法依次在mi，mc，mo上完成區(qū)段分別布點。

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

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

圖6 層內(nèi)布點計算示意圖

1.7 計算插銑退刀點位集Pr

設(shè)Pai為進刀點位集Pa中第i個點，以Pai為基點，按r方向偏置距離Dret，即可求的當前進刀點Pai對應(yīng)的退刀點Pri，如圖7所示，據(jù)此，求得與進刀點位集Pa對應(yīng)的退刀點位集Pr。

圖7 退刀點位計算示意圖

1.8 計算插銑點位集P

設(shè)進刀點位集Pa中第i個點為Pai，將點Pai沿著轉(zhuǎn)角軸線方向分別向轉(zhuǎn)角的頂面和底面進行投影，得到進刀階段的兩極限位置點Paui、Padi；

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

由此可求得轉(zhuǎn)角殘留區(qū)域插銑加工的插銑點位集P為：

2 轉(zhuǎn)角插銑編程應(yīng)用示例

基于上述插銑點位創(chuàng)建算法，運用CATIA V5二次開發(fā)技術(shù)，在CAA V5平臺上開發(fā)出轉(zhuǎn)角插銑快速編程模塊，并應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)件的數(shù)控編程中，大幅簡化了轉(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轉(zhuǎn)角特征進行插銑編程，二者編程效率對比如表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，加工中無過切，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所示為針對轉(zhuǎn)角區(qū)域不同殘留量時，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行插銑時的刀軌，圖10(b)為基于上道工序采用Φ40刀具加工后的殘留量進行插銑時的刀軌，對比這兩種情況，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。

圖10 不同殘留量對應(yīng)的插銑刀軌示例

3 結(jié)語

針對當前轉(zhuǎn)角插銑編程中存在的插銑點位布置繁雜，編程效率低下，編程質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，提出了一種殘留退縮式轉(zhuǎn)角插銑布點技術(shù)，在CAA V5平臺上應(yīng)用實施，成功開發(fā)出轉(zhuǎn)角插銑快速編程模塊，該模塊已在飛機結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)角插銑編程中進行了應(yīng)用和驗證，證明了該技術(shù)具有以下特點：

1）顯著提升了轉(zhuǎn)角插銑編程效率，降低編程人員勞動強度；

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)，自動規(guī)劃轉(zhuǎn)角插銑加工點位，實現(xiàn)了插銑點位的智能化計算，避免了不必要刀軌浪費，有效保證了轉(zhuǎn)角插銑程序的加工效率；

3）該技術(shù)尚未對轉(zhuǎn)角軸線與底面的夾角有特殊要求，因此能夠同時用于三軸和五軸類型的轉(zhuǎn)角插銑快速編程，通用性較強，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行了徑向方向的分層排布插銑刀位，對于五軸轉(zhuǎn)角，在計算殘留區(qū)域時，本論文中簡化選取了最大殘留量，但是實際切削加工中，對于五軸轉(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一步細化分層研究，是后續(xù)研究的一個方向。