專利名稱：槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角一體化精加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機械零件的加工方法，尤其是一種槽內(nèi)型及其轉(zhuǎn)角的精加工方法，具體地說是一種在數(shù)控銑床上利用同一把刀具對槽特征內(nèi)型和轉(zhuǎn)角進行一體化精加工的方法。
背景技術(shù)：
槽特征在飛機結(jié)構(gòu)件中廣泛存在，目前航空主機廠采用的加工方法是先用大直徑的刀具精加工內(nèi)型，然后采用小直徑的刀具精加工轉(zhuǎn)角。這種方法在加工過程中需要進行換刀，影響加工效率；加工轉(zhuǎn)角時由于切削力的急劇變化，導(dǎo)致刀具震動加劇，磨損加速，可能出現(xiàn)刀具崩刃、斷刀等事故發(fā)生；此外由于換刀的原因會在轉(zhuǎn)角處有明顯的接刀痕，影響了零件的表面加工質(zhì)量。查閱現(xiàn)有技術(shù)與文獻發(fā)現(xiàn)，專利(專利號CN201110059891.4)公布了一種高速銑加工壁板類零件轉(zhuǎn)角加工方法，該專利提出了轉(zhuǎn)角特征典型加工步驟首先進行槽腔粗加工，對側(cè)壁留有余量；然后選用與轉(zhuǎn)角半徑對應(yīng)的銑刀進行轉(zhuǎn)角精加工；轉(zhuǎn)角的切點向外偏置:T5mm作為刀具的切入點，同時設(shè)置刀具切入角度；最后采用大切深精銑轉(zhuǎn)角。該方法能夠解決轉(zhuǎn)角加工的問題，但是沒有考慮刀具的受力情況。H. S. Choy 等在學(xué)術(shù)期刊《Computer-Aided Design))2003, 35 (2)pl55_166 上發(fā)表的論文“A corner-looping based tool path for pocket milling”,公開了一種內(nèi)型轉(zhuǎn)角加工方法，該方法采用同一把刀具加工槽特征內(nèi)型和轉(zhuǎn)角。通過在轉(zhuǎn)角處采用多次走刀的方式，使得切削量均勻，從而達到改善刀具切削力的目的。但是該方法沒有考慮刀具接觸角變化對刀具受力的影響。M. Sharif UDDIN 等在會議 International Conference on Leading EdgeManufacturing in 21st Century 上發(fā)表的論文“Constant engagement tool pathgeneration enhance machining accuracy in end milling，，，公開了一種精力口工刀軌算法，為了避免加工最后一層刀軌時，刀具接觸角發(fā)生變化，刀具負(fù)荷不穩(wěn)定，引起刀具震動，影響工件表面加工質(zhì)量。通過改變刀具軌跡使得最后一層刀軌的余量滿足刀具恒定接觸角的要求，從而使得刀具負(fù)荷恒定，避免刀具震動，提高工件表面加工質(zhì)量。但是該方法沒有考慮在整個加工過程中的接觸角變化對刀具受力的影響，并且不能適應(yīng)于內(nèi)型-轉(zhuǎn)角一體的加工。槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角精加工方法是用在飛機結(jié)構(gòu)件的槽特征，到目前為止，尚沒有公開采用恒定接觸角和最大接觸角原則，使用同一把刀具加工槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角的方法及其刀軌的生成方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角加工存在的效率低、工件表面加工質(zhì)量低、加工過程中刀具受力不均勻，導(dǎo)致刀具震動，容易引起刀具崩刃、斷刀等事故發(fā)生等問題，發(fā)明了一種效率高、表面加工質(zhì)量高、刀具負(fù)荷平穩(wěn)的槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角一體加工方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角一體加工方法，其特征是它包括以下步驟
步驟1，根據(jù)槽特征的粗加工信息，獲得轉(zhuǎn)角槽特征內(nèi)型及轉(zhuǎn)角的粗加工余量；
步驟2，根據(jù)粗加工余量信息，構(gòu)建包含粗加工余量的信息模型，在槽特征腹板所在平面內(nèi)建立含粗加工余量的槽特征內(nèi)型邊的曲線方程，以下簡稱加工余量的曲線方程；
步驟3，依據(jù)加工余量的曲線方程，按照一定的離散精度對粗加工余量曲線進行離散，得到離散點集P ；
步驟4，選擇進刀點，設(shè)置圓弧進刀；
步驟5，計算在加工側(cè)面直線段L時刀具的接觸角嘆并將α設(shè)定為最大接觸角；步驟6，將側(cè)面余量方程離散得到的點沿各自在內(nèi)型面外法向方向偏置形成加工側(cè)面直線段時的刀位點；
步驟7，由于轉(zhuǎn)角處余量不均勻，為改善刀具的受力情況，在加工轉(zhuǎn)角時采用循環(huán)銑的方式進行加工，根據(jù)轉(zhuǎn)角處余量曲線方程離散的點求解循環(huán)銑徑向第一層切削刀軌的刀位點與接觸點；
步驟8，通過圓弧段、直線段和圓弧段三段線段將徑向第一層循環(huán)刀軌形成封閉刀軌；步驟9，按照步驟3的方法對封閉環(huán)中的圓弧和直線段進行離散，得到相應(yīng)的刀位點；步驟10，以上一層徑向循環(huán)刀軌加工過程的接觸點為控制頂點，擬合成B樣條曲線，得到當(dāng)前加工余量的曲線方 程；
步驟11，根據(jù)擬合的B樣條曲線，計算刀具與轉(zhuǎn)角面貼合時的刀具接觸角於；
步驟12，如果於，則刀具按照直線走刀，該直線刀軌同加工側(cè)面時的直線刀軌在同一直線上。當(dāng)?shù)毒吲c轉(zhuǎn)角面完全貼合時，刀軌改變方向加工轉(zhuǎn)角另一側(cè)面。按照一定的離散精度對相應(yīng)的曲線方程進行離散，得到該段的刀位點，則該處轉(zhuǎn)角本層刀軌計算完畢，繼續(xù)步驟14 ；
步驟13，如果於>α ,則重復(fù)步驟6、7、8、9、10、11，直到接觸角歲；
步驟14，同理，求出其他內(nèi)型轉(zhuǎn)角和側(cè)面處的走刀方式，軸向第一層刀位點計算完畢；步驟15，沿刀具軸向反向?qū)⑤S向第一層刀位點按軸向切深逐層偏置，直至最后一層，形成所有層的刀位點；
步驟16，設(shè)置圓弧退刀，設(shè)置每個刀位點的刀軸矢量，形成槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角精加工完整加工刀軌。所述的根據(jù)粗加工信息建立曲線方程的方法為首先建立局部坐標(biāo)系，以轉(zhuǎn)角處余量圓弧的圓心為坐標(biāo)原點，以轉(zhuǎn)角兩側(cè)面余量直線方程方向為X，Y軸向建立局部坐標(biāo)系；再根據(jù)各段余量信息建立曲線方程；根據(jù)粗加工信息可知，兩側(cè)面余量方程為直線，轉(zhuǎn)角處余量方程為圓弧，則曲線方程可表示如下側(cè)面I x=- (Rcu+r), -h ^ y O ；轉(zhuǎn)角x2+y2=(Rcu+r)2,- (Rcu+r) ^x^0,0^y^ (Rcu+r)；偵愐2y=Rcu+r, 0彡x彡h’。其中Reu為粗加工刀具半徑，r為粗加工時的高速轉(zhuǎn)角，h，h’分別為直線段長度。所述的加工側(cè)面直線段L時的刀具接觸角的計算方法為a =arccos[(R-y )/R]，式中μ為粗加工側(cè)面余量，R為刀具半徑。所述的偏置值ε的計算方法為ε = Rcos α，式中R為刀具半徑。所述的徑向第一層刀軌之后采用圓弧和直線段形成的封閉環(huán)各段之間具有相切關(guān)系，且圓弧段的半徑為1*。/2，其中r。為轉(zhuǎn)角半徑。所述的離散精度介于O. 005 O. 015之間。所述的根據(jù)粗加工信息建立數(shù)學(xué)方程的方法為如圖2所示，根據(jù)粗加工信息可知，AB段和⑶段為直線，BC段為圓弧。以BC圓弧圓心為原點，以⑶和AB為X、Y軸向建立局部坐標(biāo)系，則數(shù)學(xué)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為粗加工刀具半徑，r為粗加工時的高速轉(zhuǎn)角，h為AB段長度，h’為CD段長度。曲線段FG、EH的特點為曲線段FG、EH為圓弧，半徑為re/2，rc為轉(zhuǎn)角半徑。FG、EH同EF、HG相切。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明有助于提高工件的表面加工質(zhì)量，避免加工內(nèi)型和轉(zhuǎn)角采用不同的刀具，而在工件表面留下接刀痕；避免了加工過程中的換刀，提高了加工效率；在加工轉(zhuǎn)角時，采用恒定接觸角原則，保證刀具負(fù)荷穩(wěn)定，減小刀具震動；當(dāng)無法滿足恒定接觸角原則時，限制接觸角的最大值，使刀具受力不超過規(guī)定的閾值，從而減少刀具的磨損，達到延長刀具使用壽命的目的。本發(fā)明可采用同一把刀`具加工出內(nèi)型和轉(zhuǎn)角。避免了加工過程中的換刀，提高了加工效率；同時避免了接刀痕的出現(xiàn)，提高了工件表面的加工質(zhì)量。


圖1為本發(fā)明的槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角一體加工方法加工步驟及其生成方法流程圖。圖2為本發(fā)明的刀軌詳細說明圖；圖中A-B-C-D為粗加工之后的加工余量邊界。1-J-K為徑向第一層刀軌加工之后轉(zhuǎn)角處的加工余量邊界；x-Y-z為徑向第二層刀軌加工之后轉(zhuǎn)角處的加工余量邊界；M-E-F-G-H-E-L-T-R-S-L-N-P為加工的刀軌軌跡；圓0為刀具示意圖；U、V點為刀具圓與余量方程的交點；圖中1、2、3···15為刀具加工的順序。圖3為典型飛機結(jié)構(gòu)件槽特征示意圖。圖4為本發(fā)明的刀軌示意圖；其中16表示加工刀軌，17表示典型飛機結(jié)構(gòu)件槽特征，18表示轉(zhuǎn)角處循環(huán)走刀軌跡，19表示圓弧進退刀。圖5為槽特征粗加工余量示意圖；其中20表示粗加工余量，21表示槽特征內(nèi)型理論位置，22表示含粗加工余量的內(nèi)型邊。圖6為刀具同粗加工余量方程交點示意圖；圖中陰影部分為未切除的余量，U點始終在材料未切除一側(cè)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
如圖1-6所示。附圖2和圖3是典型飛機結(jié)構(gòu)件槽特征的及加工路徑示意圖，詳述如下。一種槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角的一體化精加工方法，它應(yīng)首先利用現(xiàn)有技術(shù)將圖3所示的零件的三維數(shù)學(xué)模型輸入計算機中并根據(jù)現(xiàn)有的加工工藝生成粗加工工藝數(shù)控程序，然后再將所生成的粗加工工藝程序存入計算機中供調(diào)用，本實施例及本發(fā)明的一切出發(fā)點均是在粗加工工藝信息已生成的前提下進行的。整個內(nèi)型和轉(zhuǎn)角一體化加工步驟為(如圖1所示)步驟1，根據(jù)槽特征的粗加工信息，獲得槽特征內(nèi)型及轉(zhuǎn)角的粗加工余量。其中粗加工信息包括粗加工刀具直徑、粗加工側(cè)面偏置和高速轉(zhuǎn)角半徑；
步驟2，根據(jù)粗加工余量信息，構(gòu)建包含粗加工余量的信息模型，在槽特征腹板所在平面內(nèi)建立含粗加工余量的槽特征內(nèi)型邊的曲線方程，如圖2所示，以槽特征的局部轉(zhuǎn)角及側(cè)面為例說明粗加工余量信息的曲線方程。根據(jù)粗加工信息可知，AB段和CD段為直線，BC段為圓弧。以BC圓弧圓心為原點，以CD和AB的方向為X、Y軸向建立局部坐標(biāo)系，則曲線方程可表示如下
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為粗加工刀具半徑，r為粗加工時的高速轉(zhuǎn)角半徑，h為AB段長度，h’為⑶段長度。
步驟3，按照一定的離散精度對曲線方程進行離散，得到離散點集P;離散精度σ可以根據(jù)需要在O. 005 O. 015之間進行設(shè)定，本例取σ=0.01。針對步驟2中的曲線方程，具體離散方法如下
權(quán)利要求
1.一種槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角一體化精加工方法，其特征是它包括以下步驟 步驟1，根據(jù)槽特征的粗加工信息，獲得轉(zhuǎn)角槽特征內(nèi)型及轉(zhuǎn)角的粗加工余量； 步驟2，根據(jù)粗加工余量信息，構(gòu)建包含粗加工余量的信息模型，在槽特征腹板所在平面內(nèi)建立含粗加工余量的槽特征內(nèi)型邊的曲線方程，以下簡稱加工余量的曲線方程； 步驟3，依據(jù)加工余量的曲線方程，按照設(shè)定的離散精度對粗加工余量曲線進行離散，得到離散點集P ； 步驟4，選擇進刀點，設(shè)置圓弧進刀； 步驟5，計算在加工側(cè)面直線段L時刀具的接觸角《，并將a設(shè)定為最大接觸角；步驟6，將側(cè)面余量方程離散得到的點沿各自在內(nèi)型面外法向方向偏置一個值e形成加工側(cè)面直線段時的刀位點； 步驟7，由于轉(zhuǎn)角處余量不均勻，為改善刀具的受力情況，在加工轉(zhuǎn)角時采用循環(huán)銑的方式進行加工，根據(jù)轉(zhuǎn)角處余量曲線方程離散的點求解循環(huán)銑徑向第一層切削刀軌的刀位點與接觸點； 步驟8，通過圓弧段、直線段和圓弧段三段線段將徑向第一層循環(huán)刀軌形成封閉刀軌；步驟9，按照步驟3的方法對封閉環(huán)中的圓弧和直線段進行離散，得到相應(yīng)的刀位點；步驟10，以上一層徑向循環(huán)刀軌加工過程的接觸點為控制頂點，擬合成B樣條曲線，得到當(dāng)前加工余量的曲線方程； 步驟11，根據(jù)擬合的B樣條曲線，計算刀具與轉(zhuǎn)角面貼合時的刀具接觸角3 ； 步驟12，如果P ( a，則刀具按照直線走刀，該直線刀軌同加工側(cè)面時的直線刀軌在同一直線上；當(dāng)?shù)毒吲c轉(zhuǎn)角面完全貼合時，刀軌改變方向加工轉(zhuǎn)角另一側(cè)面；按照一定的離散精度對相應(yīng)的曲線方程進行離散，得到該段的刀位點，則該處轉(zhuǎn)角本層刀軌計算完畢，繼續(xù)步驟14 ； 步驟13，如果3>a，則重復(fù)步驟6、7、8、9、10、11，直到接觸角P彡a ; 步驟14，同理，求出其他內(nèi)型轉(zhuǎn)角和側(cè)面處的刀具軌跡，軸向第一層刀位點計算完畢；步驟15，沿刀具軸向反向?qū)⑤S向第一層刀位點按軸向切深逐層偏置，直至最后一層，形成所有層的刀位點； 步驟16，設(shè)置圓弧退刀，設(shè)置每個刀位點的刀軸矢量，形成槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角精加工完整加工刀軌。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的根據(jù)粗加工信息建立曲線方程的方法為首先建立局部坐標(biāo)系，以轉(zhuǎn)角處余量圓弧的圓心為坐標(biāo)原點，以轉(zhuǎn)角兩側(cè)面余量直線方程方向為X，Y軸向建立局部坐標(biāo)系；再根據(jù)各段余量信息建立曲線方程；根據(jù)粗加工信息可知，兩側(cè)面余量方程為直線，轉(zhuǎn)角處余量方程為圓弧，則曲線方程可表示如下側(cè)面 I =X=-(Rc^r)，-h 彡 y 彡 0 ; 轉(zhuǎn)角x2+y2=(Rcu+r)2, - (Rcu+r) ^x^0,0^y^ (Rcu+r)； 側(cè)面2 y=Rcu+r, 0 < x < h’，其中Reu為粗加工刀具半徑，r為粗加工時的高速轉(zhuǎn)角，h，h’分別為直線段長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的加工側(cè)面直線段L時的刀具接觸角的計算方法為a =arccos [ (R- U ) /R],式中U為粗加工側(cè)面余量，R為刀具半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的偏置值e的計算方法為=Rcosa，式中R為刀具半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的徑向第一層刀軌之后采用圓弧和直線段形成的封閉環(huán)各段之間具有相切關(guān)系，且圓弧段的半徑為1"。/2，其中r。為轉(zhuǎn)角半徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的離散精度介于O.005 O. 015之間。
全文摘要
一種槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角一體化加工方法，它首先根據(jù)槽特征粗加工信息，建立粗加工余量曲線方程；然后對粗加工余量曲線進行離散；將側(cè)面余量方程離散的點向外法向偏置形成加工側(cè)面的刀位點；利用轉(zhuǎn)角處的離散點和側(cè)面余量曲線方程，根據(jù)恒定接觸角和最大接觸角原則在轉(zhuǎn)角處進行循環(huán)加工，求出轉(zhuǎn)角處的刀位點，進而形成軸向第一層刀位點；沿刀具軸向反向?qū)⒌谝粚拥段稽c按軸向切深逐層偏置直至最后一層，得到所有刀位點；設(shè)置進退刀圓弧，連接所有刀位點，形成槽特征內(nèi)型轉(zhuǎn)角一體加工方法的完整刀軌。該發(fā)明避免了換刀，提高了工件表面加工質(zhì)量；考慮了接觸角對刀具受力的影響，提出了恒定接觸角和最大接觸角原則，減少刀具震動，延長了刀具的使用壽命。
文檔編號B23C3/00GK103042262SQ201310001740
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者李迎光, 劉長青, 高鑫, 郝小忠, 劉旭, 王偉, 李海 申請人:南京航空航天大學(xué)