一種槽特征側銑加工刀軌生成方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種機械零件的數控加工方法，尤其是一種槽特征的側銑加工方法， 具體地說是一種利用同一把刀具對槽特征進行側銑加工的刀軌生成方法。
【背景技術】
[0002] 飛機結構件是構成飛機機體骨架和氣動外形的重要組成部分，設計中常存在大量 槽特征以滿足飛機的輕量化設計要求。槽特征的內型加工精度較高，粗糙度要求一般為 3. 2 μπι，關鍵部位可達1.6 μπι或0.8 μπι。在側銑轉角過程中，切削方向突變，甚至出現刀 軌尖點，致使切削寬度、切削力急劇變化，導致刀具振動加劇，機床發生顫振，影響工件加工 質量。在鈦合金等難加工材料的加工中，這種現象尤為明顯，切削力的變化會加劇刀具的磨 損，出現刀具崩刃、彈刀、拉刀等事故，嚴重影響工件加工質量，甚至導致零件報廢。
[0003] 查閱相關技術和文獻發現，專利（專利號CN201310001740)公布了一種槽特征內 型轉角一體化精加工方法，該方法根據恒定接觸角和最大接觸角原則在轉角處進行循環加 工，保證了轉角加工過程中切削力的穩定，但是在轉角循環加工過程中，刀軌曲率突變，對 機床加速度、加加速度等機床動力學特性的要求高。如果機床動力學特性無法滿足要求，會 直接影響工件表面加工質量、加工精度以及加工效率。因此為了提高零件加工質量和合格 率，需要考慮切削力和機床動力學特性雙重約束，對加工刀軌進行優化。
[0004] Hyun-Chul(2007)在學術期刊《International Journal of Production Research》2007, 45(24)，p5715_5729 發表 了論文"Tool path modification for optimized pocket milling"公開了一種槽特征加工方法，通過穩定的材料去除率保證切 削力穩定，避免加工過程中的振動。但是該方法沒有考慮機床固有最大加速度、加加速度對 進給方向和進給速度的影響。
[0005] Pamali 等在學位論文 "Using Clothoidal Spirals to Generate Smooth Tool Paths For High Speed Machining"中提出了一種基于變螺旋曲線的轉角加工刀軌優化算 法。該方法通過使用變螺旋曲線保證了刀軌二階連續以更好地適應機床運動學特性，并依 據機床動力學特性對刀軌形狀進行優化，但是優化后的刀軌形狀復雜，材料去除率不均勻， 切削力不穩定。
[0006] 到目前為止，尚沒有公開采用切削力和機床動力學特性雙重約束原則，使用同一 把刀具加工槽特征側壁和轉角的刀軌生成方法。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是針對機床在槽特征側銑過程中因刀具受力不均勻，切削方向突 變，導致機床發生振動，刀具磨損加劇，嚴重影響加工質量等問題，提出了一種槽特征側銑 加工刀軌生成方法，使刀具負荷平穩，刀軌曲率均勻變化的考慮切削力和機床動力學特性 雙重約束的。
[0008] 本發明的技術方案思路是：一種槽特征側銑加工刀軌，綜合考慮切削力和機床動 力學特性雙重約束，由用于側壁加工的單層刀軌和用于轉角加工的多層刀軌組成。通過偏 置側壁加工驅動線得到側壁單層刀軌；以轉角循環銑策略為基礎，通過考慮切削力和機床 動力學特性雙重約束生成轉角加工多層刀軌，其中轉角加工每層循環刀軌由變螺旋曲線、 圓弧和直線組成。側壁單層加工刀軌和轉角多層加工刀軌構成完整的槽特征側銑加工刀 軌。
[0009] 本發明提出的一種槽特征側銑加工刀軌生成方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟1，根據槽特征粗加工信息和零件模型，獲取待加工材料余量μ，并計算粗加 工余量曲線；
[0011] 步驟2,依據設定的離散精度對步驟1中計算得到的粗加工余量曲線進行離散，得 到離散點集Ρ;
[0012] 步驟3,根據采用精加工和半精加工相結合方式進行加工的精度要求，設置半精加 工后材料余量S值；
[0013] 步驟4,選擇側壁加工進刀點，設置圓弧進刀，其中進刀點應選擇在開敞無干涉 處；
[0014] 步驟5,依據步驟1中得到的粗加工余量曲線及步驟3中設置的半精加工余量δ， 對槽特征側壁粗加工余量曲線進行偏置得到槽特征半精加工中側壁單層加工刀軌，偏置量 ε =艮+δ-μ，其中R。是刀具半徑，偏置方向為離散點處側面的外法向；
[0015] 步驟6,依據步驟5中得到的側壁單層加工刀軌計算槽特征側壁半精加工中的最 大切削力F_，并將F_設定為槽特征側銑加工中的最大切削力；
[0016] 步驟7,驗證槽特征轉角處當前余量加工的最大切削力F是否滿足步驟6中設定 的最大切削力？_;若？汗_，執行步驟8、9、10、11，計算槽特征半精加工中轉角多層加工 刀軌；若F < F_，則執行步驟12,計算槽特征半精加工中轉角多層刀軌的最后一層圓弧刀 軌；
[0017] 步驟8,根據當前轉角處余量曲線離散點集P中的離散點求解轉角多層刀軌中徑 向層切削刀軌的刀位點以及刀具與材料的接觸點；
[0018] 步驟9,為保證刀軌曲率的連續變化，轉角加工刀軌采用變螺旋曲線進行過渡，即 變螺旋曲線一圓弧曲線一變螺旋曲線的連接方式；轉角多層加工刀軌中的第i層刀軌的最 大切削力F 1= min (F，F _)，通過R可計算得到變螺旋曲線參數C和圓弧曲率半徑R，進而 最終確定變螺旋曲線和圓弧曲線方程；
[0019] 步驟10,完成步驟9中得到的變螺旋曲線一圓弧曲線一變螺旋曲線加工刀軌后， 通過變螺旋曲線一直線一變螺旋曲線連接方式進行過渡，形成完整的轉角循環銑徑向層加 工刀軌；
[0020] 步驟11，將步驟8中得到的刀具與材料接觸點擬合成樣條曲線，可得到當前轉角 處的余量曲線；重復步驟7對當前轉角處余量進行最大切削力驗證；
[0021] 步驟12,若當前轉角處余量滿足最大切削力約束，則設置轉角多層刀軌的最后一 層圓弧刀軌半徑值R t= RD_R。，其中RD為轉角設計半徑值；依據轉角加工精度，采用變螺旋 曲線連接轉角半精加工最后一層圓弧刀軌和側壁單層刀軌；
[0022] 步驟13,在開敞無干涉處選擇退刀點，添加退刀圓弧；將步驟5中得到的側壁半精 加工單層刀軌與轉角半精加工多層刀軌進行組合形成槽特征側銑半精加工軸向層加工刀 軌；
[0023] 步驟14,在開敞處選擇精加工進刀點和退刀點，并設置精加工進退刀圓弧；
[0024] 步驟15,偏置側壁處粗加工余量曲線得到側壁精加工單層刀軌，其中偏置值為 R。- μ，并將轉角精加工圓弧刀軌半徑設為RD-R。;依據轉角加工精度，采用變螺旋曲線連接 轉角精加工圓弧刀軌和側壁精加工單層刀軌，形成槽特征側銑精加工刀軌；
[0025] 步驟16,將槽特征側銑半精加工和精加工刀軌組合形成槽特征側銑軸向層刀軌
[0026] 步驟17,沿刀軸矢量，按照設定的切深參數對槽特征側銑軸向層刀軌進行偏置，得 到完成的槽特征側銑加工刀軌。
[0027] 所述的粗加工余量曲線的計算方法為：首先建立局部坐標系，以轉角處余量圓弧 的圓心為坐標原點，以轉角兩側面余量直線方程方向為X，Y軸向建立局部坐標系；再根據 各段余量信息建立曲線方程；根據粗加工信息可知，兩側面余量方程為直線，轉角處余量方 程為圓弧，半徑為R d，則曲線方程可表示如下：
[0030] 同轉角相連的另一側面：y = Rd, 0彡X彡L2;
[0031] 其中，Li，L2分別為直線段長度，Θ表示轉角處側壁切向的夾角。
[0032] 所述的槽特征轉角當前余量最大切削力指的是針對當前轉角處余量，采用步驟12 中計算得到的轉角最后一層圓弧刀軌加工過程中的最大切削力；
[0033] 所述的依據切削力求解變螺旋曲線的方法如下：根據當前層刀軌的最大切削力h 及切削力模型反算求解刀具接觸角γ以及切削力最大處的刀位點；在該點處作側壁刀軌 垂線，交轉角角平分線于點S ;以該點距點S的距離為半徑，點S為原點作圓，同轉角角平分 線相交于點Τ ;點Τ即為使用變螺旋曲線進行過渡后的刀位點，則變螺旋曲線參數C可通過 下式進行計算：
[0035] 其中1表示變螺旋曲線的長度；(X，Y)，（xT，yT)，（x s，ys)分別為變螺旋曲線與圓弧 連接點、點T、點S的坐標；y = kx+t是角平分線的解析式，
t表示角平分線與 Y軸交點的X坐標值；Θ表示轉角兩側壁切向的夾角；γ表示刀具接觸角。
[0036] 通過確定參數C即可確定變螺旋曲線。
[0037] 本發明的有益效果：
[0038] 本發明提出的一種槽特征側銑加工刀軌生成方法得到的刀軌，同時滿足切削力和 機床動力學特性雙重約束；在機床動力學特性一定的情況下，本發明提出的側銑加工刀軌 可明顯提高工件的表面加工質量；本發明提出的側銑加工刀軌二階連續，刀軌曲率連續變 化，在加工中刀具負荷穩定，切削力穩定，可適用于高速銑削；本發明提出的槽特征側銑加 工刀軌對機床性能要求低，原本只能在價格昂貴、高精度、高性能的機床加工完成的具有槽 特征的工件，可以在性能相對較差的機床上完成，降低了加工成本。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發明的一種槽特征側銑加工刀軌生成方法流程圖。
[0040] 圖2為典型飛機結構件槽特征示意圖。
[0041] 圖3為槽特征待加工材料余量示意圖；其中1表示待加工材料余量，2表示槽特征 內型理論位置，3表示含粗加工余量的內型邊；含粗加工余量的內型邊由線段AB、DE和圓弧 Β0Ε構成；Θ表示轉角處側壁的夾角；Χ0Υ為局部坐標系。
[0042] 圖4為本發明的轉角第一層刀軌計算過程的示意圖；圖中FEC為優化刀軌，MNH為 經典刀軌；VW為變螺旋曲線，VH為圓弧，麗為直線，NH為圓弧，mn為角平分線；4為精加工 余量，3為含粗加工余量的內型邊。
[0043] 圖5為本發明提出方法在轉角處的刀軌示意圖；A' B' C' D' E' F' G' H' 為徑向第一層刀軌，以第一層刀軌為例詳細說明刀軌的構成；A' B'為變螺旋曲線，連接 側壁刀軌和圓弧；C為圓弧N為變螺旋曲線，N E'和P P為一對變螺旋曲 線，F' 為直線，G'屮和屮A'為變螺旋曲線；D' P ^ A'完成封閉循環 刀軌。
[0044] 圖6為本發明提出槽特征側銑加工刀軌示意圖。5為槽特征側壁單層刀軌，6為槽 特征轉角多層刀軌。
【具體實施方式】
[0045] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0046] 本發明提出的刀軌生成方法以粗加工為基礎。以圖2中所示典型槽特征說明本 發明提出的一種槽特征側銑加工刀軌生成方法流程，該槽特征大小為200mmX 160mm，選用 Φ 12