专利名称：槽特征内型转角一体化精加工方法
技术领域：
本发明涉及一种机械零件的加工方法，尤其是一种槽内型及其转角的精加工方法，具体地说是一种在数控铣床上利用同一把刀具对槽特征内型和转角进行一体化精加工的方法。
背景技术：
槽特征在飞机结构件中广泛存在，目前航空主机厂采用的加工方法是先用大直径的刀具精加工内型，然后采用小直径的刀具精加工转角。这种方法在加工过程中需要进行换刀，影响加工效率；加工转角时由于切削力的急剧变化，导致刀具震动加剧，磨损加速，可能出现刀具崩刃、断刀等事故发生；此外由于换刀的原因会在转角处有明显的接刀痕，影响了零件的表面加工质量。查阅现有技术与文献发现，专利(专利号CN201110059891.4)公布了一种高速铣加工壁板类零件转角加工方法，该专利提出了转角特征典型加工步骤首先进行槽腔粗加工，对侧壁留有余量；然后选用与转角半径对应的铣刀进行转角精加工；转角的切点向外偏置:T5mm作为刀具的切入点，同时设置刀具切入角度；最后采用大切深精铣转角。该方法能够解决转角加工的问题，但是没有考虑刀具的受力情况。H. S. Choy 等在学术期刊《Computer-Aided Design))2003, 35 (2)pl55_166 上发表的论文“A corner-looping based tool path for pocket milling”,公开了一种内型转角加工方法，该方法采用同一把刀具加工槽特征内型和转角。通过在转角处采用多次走刀的方式，使得切削量均匀，从而达到改善刀具切削力的目的。但是该方法没有考虑刀具接触角变化对刀具受力的影响。M. Sharif UDDIN 等在会议 International Conference on Leading EdgeManufacturing in 21st Century 上发表的论文“Constant engagement tool pathgeneration enhance machining accuracy in end milling，，，公开了一种精力口工刀轨算法，为了避免加工最后一层刀轨时，刀具接触角发生变化，刀具负荷不稳定，引起刀具震动，影响工件表面加工质量。通过改变刀具轨迹使得最后一层刀轨的余量满足刀具恒定接触角的要求，从而使得刀具负荷恒定，避免刀具震动，提高工件表面加工质量。但是该方法没有考虑在整个加工过程中的接触角变化对刀具受力的影响，并且不能适应于内型-转角一体的加工。槽特征内型转角精加工方法是用在飞机结构件的槽特征，到目前为止，尚没有公开采用恒定接触角和最大接触角原则，使用同一把刀具加工槽特征内型转角的方法及其刀轨的生成方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有的槽特征内型转角加工存在的效率低、工件表面加工质量低、加工过程中刀具受力不均匀，导致刀具震动，容易引起刀具崩刃、断刀等事故发生等问题，发明了一种效率高、表面加工质量高、刀具负荷平稳的槽特征内型转角一体加工方法。本发明的技术方案是
一种槽特征内型转角一体加工方法，其特征是它包括以下步骤
步骤1，根据槽特征的粗加工信息，获得转角槽特征内型及转角的粗加工余量；
步骤2，根据粗加工余量信息，构建包含粗加工余量的信息模型，在槽特征腹板所在平面内建立含粗加工余量的槽特征内型边的曲线方程，以下简称加工余量的曲线方程；
步骤3，依据加工余量的曲线方程，按照一定的离散精度对粗加工余量曲线进行离散，得到离散点集P ；
步骤4，选择进刀点，设置圆弧进刀；
步骤5，计算在加工侧面直线段L时刀具的接触角叹并将α设定为最大接触角；步骤6，将侧面余量方程离散得到的点沿各自在内型面外法向方向偏置形成加工侧面直线段时的刀位点；
步骤7，由于转角处余量不均匀，为改善刀具的受力情况，在加工转角时采用循环铣的方式进行加工，根据转角处余量曲线方程离散的点求解循环铣径向第一层切削刀轨的刀位点与接触点；
步骤8，通过圆弧段、直线段和圆弧段三段线段将径向第一层循环刀轨形成封闭刀轨；步骤9，按照步骤3的方法对封闭环中的圆弧和直线段进行离散，得到相应的刀位点；步骤10，以上一层径向循环刀轨加工过程的接触点为控制顶点，拟合成B样条曲线，得到当前加工余量的曲线方 程；
步骤11，根据拟合的B样条曲线，计算刀具与转角面贴合时的刀具接触角於；
步骤12，如果於，则刀具按照直线走刀，该直线刀轨同加工侧面时的直线刀轨在同一直线上。当刀具与转角面完全贴合时，刀轨改变方向加工转角另一侧面。按照一定的离散精度对相应的曲线方程进行离散，得到该段的刀位点，则该处转角本层刀轨计算完毕，继续步骤14 ；
步骤13，如果於>α ,则重复步骤6、7、8、9、10、11，直到接触角岁；
步骤14，同理，求出其他内型转角和侧面处的走刀方式，轴向第一层刀位点计算完毕；步骤15，沿刀具轴向反向将轴向第一层刀位点按轴向切深逐层偏置，直至最后一层，形成所有层的刀位点；
步骤16，设置圆弧退刀，设置每个刀位点的刀轴矢量，形成槽特征内型转角精加工完整加工刀轨。所述的根据粗加工信息建立曲线方程的方法为首先建立局部坐标系，以转角处余量圆弧的圆心为坐标原点，以转角两侧面余量直线方程方向为X，Y轴向建立局部坐标系；再根据各段余量信息建立曲线方程；根据粗加工信息可知，两侧面余量方程为直线，转角处余量方程为圆弧，则曲线方程可表示如下侧面I x=- (Rcu+r), -h ^ y O ；转角x2+y2=(Rcu+r)2,- (Rcu+r) ^x^0,0^y^ (Rcu+r)；侦愐2y=Rcu+r, 0彡x彡h’。其中Reu为粗加工刀具半径，r为粗加工时的高速转角，h，h’分别为直线段长度。所述的加工侧面直线段L时的刀具接触角的计算方法为a =arccos[(R-y )/R]，式中μ为粗加工侧面余量，R为刀具半径。所述的偏置值ε的计算方法为ε = Rcos α，式中R为刀具半径。所述的径向第一层刀轨之后采用圆弧和直线段形成的封闭环各段之间具有相切关系，且圆弧段的半径为1*。/2，其中r。为转角半径。所述的离散精度介于O. 005 O. 015之间。所述的根据粗加工信息建立数学方程的方法为如图2所示，根据粗加工信息可知，AB段和⑶段为直线，BC段为圆弧。以BC圆弧圆心为原点，以⑶和AB为X、Y轴向建立局部坐标系，则数学方程可表示如下AB x=-(Rcu+r),-h彡y彡O ;BC x2+y2= (Rcu+r)2, - (Rcu+r) ^x^0,0^y^ (Rcu+r) ；CD y = Rcu+r, 0 < x < h，。其中Reu为粗加工刀具半径，r为粗加工时的高速转角，h为AB段长度，h’为CD段长度。曲线段FG、EH的特点为曲线段FG、EH为圆弧，半径为re/2，rc为转角半径。FG、EH同EF、HG相切。本发明的有益效果本发明有助于提高工件的表面加工质量，避免加工内型和转角采用不同的刀具，而在工件表面留下接刀痕；避免了加工过程中的换刀，提高了加工效率；在加工转角时，采用恒定接触角原则，保证刀具负荷稳定，减小刀具震动；当无法满足恒定接触角原则时，限制接触角的最大值，使刀具受力不超过规定的阈值，从而减少刀具的磨损，达到延长刀具使用寿命的目的。本发明可采用同一把刀`具加工出内型和转角。避免了加工过程中的换刀，提高了加工效率；同时避免了接刀痕的出现，提高了工件表面的加工质量。
图1为本发明的槽特征内型转角一体加工方法加工步骤及其生成方法流程图。图2为本发明的刀轨详细说明图；图中A-B-C-D为粗加工之后的加工余量边界。1-J-K为径向第一层刀轨加工之后转角处的加工余量边界；x-Y-z为径向第二层刀轨加工之后转角处的加工余量边界；M-E-F-G-H-E-L-T-R-S-L-N-P为加工的刀轨轨迹；圆0为刀具示意图；U、V点为刀具圆与余量方程的交点；图中1、2、3···15为刀具加工的顺序。图3为典型飞机结构件槽特征示意图。图4为本发明的刀轨示意图；其中16表示加工刀轨，17表示典型飞机结构件槽特征，18表示转角处循环走刀轨迹，19表示圆弧进退刀。图5为槽特征粗加工余量示意图；其中20表示粗加工余量，21表示槽特征内型理论位置，22表示含粗加工余量的内型边。图6为刀具同粗加工余量方程交点示意图；图中阴影部分为未切除的余量，U点始终在材料未切除一侧。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-6所示。附图2和图3是典型飞机结构件槽特征的及加工路径示意图，详述如下。一种槽特征内型转角的一体化精加工方法，它应首先利用现有技术将图3所示的零件的三维数学模型输入计算机中并根据现有的加工工艺生成粗加工工艺数控程序，然后再将所生成的粗加工工艺程序存入计算机中供调用，本实施例及本发明的一切出发点均是在粗加工工艺信息已生成的前提下进行的。整个内型和转角一体化加工步骤为(如图1所示)步骤1，根据槽特征的粗加工信息，获得槽特征内型及转角的粗加工余量。其中粗加工信息包括粗加工刀具直径、粗加工侧面偏置和高速转角半径；
步骤2，根据粗加工余量信息，构建包含粗加工余量的信息模型，在槽特征腹板所在平面内建立含粗加工余量的槽特征内型边的曲线方程，如图2所示，以槽特征的局部转角及侧面为例说明粗加工余量信息的曲线方程。根据粗加工信息可知，AB段和CD段为直线，BC段为圆弧。以BC圆弧圆心为原点，以CD和AB的方向为X、Y轴向建立局部坐标系，则曲线方程可表示如下
AB x=- (Rcu+r)，-h ≤ y ≤ O ;
BC x2+y2=(Rcu+r)2, - (Rcu+r) ^x^0,0^y^ (Rcu+r)；
⑶W=Rc^r, 0 < X < ·h’。其中Reu为粗加工刀具半径，r为粗加工时的高速转角半径，h为AB段长度，h’为⑶段长度。
步骤3，按照一定的离散精度对曲线方程进行离散，得到离散点集P;离散精度σ可以根据需要在O. 005 O. 015之间进行设定，本例取σ=0.01。针对步骤2中的曲线方程，具体离散方法如下
权利要求
1.一种槽特征内型转角一体化精加工方法，其特征是它包括以下步骤 步骤1，根据槽特征的粗加工信息，获得转角槽特征内型及转角的粗加工余量； 步骤2，根据粗加工余量信息，构建包含粗加工余量的信息模型，在槽特征腹板所在平面内建立含粗加工余量的槽特征内型边的曲线方程，以下简称加工余量的曲线方程； 步骤3，依据加工余量的曲线方程，按照设定的离散精度对粗加工余量曲线进行离散，得到离散点集P ； 步骤4，选择进刀点，设置圆弧进刀； 步骤5，计算在加工侧面直线段L时刀具的接触角《，并将a设定为最大接触角；步骤6，将侧面余量方程离散得到的点沿各自在内型面外法向方向偏置一个值e形成加工侧面直线段时的刀位点； 步骤7，由于转角处余量不均匀，为改善刀具的受力情况，在加工转角时采用循环铣的方式进行加工，根据转角处余量曲线方程离散的点求解循环铣径向第一层切削刀轨的刀位点与接触点； 步骤8，通过圆弧段、直线段和圆弧段三段线段将径向第一层循环刀轨形成封闭刀轨；步骤9，按照步骤3的方法对封闭环中的圆弧和直线段进行离散，得到相应的刀位点；步骤10，以上一层径向循环刀轨加工过程的接触点为控制顶点，拟合成B样条曲线，得到当前加工余量的曲线方程； 步骤11，根据拟合的B样条曲线，计算刀具与转角面贴合时的刀具接触角3 ； 步骤12，如果P ( a，则刀具按照直线走刀，该直线刀轨同加工侧面时的直线刀轨在同一直线上；当刀具与转角面完全贴合时，刀轨改变方向加工转角另一侧面；按照一定的离散精度对相应的曲线方程进行离散，得到该段的刀位点，则该处转角本层刀轨计算完毕，继续步骤14 ； 步骤13，如果3>a，则重复步骤6、7、8、9、10、11，直到接触角P彡a ; 步骤14，同理，求出其他内型转角和侧面处的刀具轨迹，轴向第一层刀位点计算完毕；步骤15，沿刀具轴向反向将轴向第一层刀位点按轴向切深逐层偏置，直至最后一层，形成所有层的刀位点； 步骤16，设置圆弧退刀，设置每个刀位点的刀轴矢量，形成槽特征内型转角精加工完整加工刀轨。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的根据粗加工信息建立曲线方程的方法为首先建立局部坐标系，以转角处余量圆弧的圆心为坐标原点，以转角两侧面余量直线方程方向为X，Y轴向建立局部坐标系；再根据各段余量信息建立曲线方程；根据粗加工信息可知，两侧面余量方程为直线，转角处余量方程为圆弧，则曲线方程可表示如下侧面 I =X=-(Rc^r)，-h 彡 y 彡 0 ; 转角x2+y2=(Rcu+r)2, - (Rcu+r) ^x^0,0^y^ (Rcu+r)； 侧面2 y=Rcu+r, 0 < x < h’，其中Reu为粗加工刀具半径，r为粗加工时的高速转角，h，h’分别为直线段长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的加工侧面直线段L时的刀具接触角的计算方法为a =arccos [ (R- U ) /R],式中U为粗加工侧面余量，R为刀具半径。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的偏置值e的计算方法为=Rcosa，式中R为刀具半径。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的径向第一层刀轨之后采用圆弧和直线段形成的封闭环各段之间具有相切关系，且圆弧段的半径为1"。/2，其中r。为转角半径。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的离散精度介于O.005 O. 015之间。
全文摘要
一种槽特征内型转角一体化加工方法，它首先根据槽特征粗加工信息，建立粗加工余量曲线方程；然后对粗加工余量曲线进行离散；将侧面余量方程离散的点向外法向偏置形成加工侧面的刀位点；利用转角处的离散点和侧面余量曲线方程，根据恒定接触角和最大接触角原则在转角处进行循环加工，求出转角处的刀位点，进而形成轴向第一层刀位点；沿刀具轴向反向将第一层刀位点按轴向切深逐层偏置直至最后一层，得到所有刀位点；设置进退刀圆弧，连接所有刀位点，形成槽特征内型转角一体加工方法的完整刀轨。该发明避免了换刀，提高了工件表面加工质量；考虑了接触角对刀具受力的影响，提出了恒定接触角和最大接触角原则，减少刀具震动，延长了刀具的使用寿命。
文档编号B23C3/00GK103042262SQ201310001740
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月5日 优先权日2013年1月5日
发明者李迎光, 刘长青, 高鑫, 郝小忠, 刘旭, 王伟, 李海 申请人:南京航空航天大学