一种槽特征侧铣加工刀轨生成方法

摘要

本发明提出了一种槽特征侧铣加工刀轨生成方法，该方法综合考虑了切削力和机床动力学特性双重约束。在转角处采用以循环铣为基础的多层刀轨进行加工；侧壁处则以单层刀轨进行加工。通过对加工过程中刀具接触角的限制，实现对切削力的约束；通过使用变螺旋曲线，使刀轨曲线曲率的变化满足机床动力学特性。本发明提出的槽特征侧铣加工刀轨二阶连续，导轨曲率连续变化，可有效减小加工过程中的切削力和振动，提高零件加工质量、效率及合格率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械零件的数控加工方法，尤其是一种槽特征的侧铣加工 方法，具体地说是一种利用同一把刀具对槽特征进行侧铣加工的刀轨生成方法。

背景技术

飞机结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的重要组成部分，设计中常存 在大量槽特征以满足飞机的轻量化设计要求。槽特征的内型加工精度较高，粗 糙度要求一般为3.2μm,关键部位可达1.6μm或0.8μm。在侧铣转角过程中，切 削方向突变，甚至出现刀轨尖点，致使切削宽度、切削力急剧变化，导致刀具 振动加剧，机床发生颤振，影响工件加工质量。在钛合金等难加工材料的加工 中，这种现象尤为明显，切削力的变化会加剧刀具的磨损，出现刀具崩刃、弹 刀、拉刀等事故，严重影响工件加工质量，甚至导致零件报废。

查阅相关技术和文献发现，专利(专利号CN201310001740)公布了一种槽 特征内型转角一体化精加工方法，该方法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，保证了转角加工过程中切削力的稳定，但是在转角循环 加工过程中，刀轨曲率突变，对机床加速度、加加速度等机床动力学特性的要 求高。如果机床动力学特性无法满足要求，会直接影响工件表面加工质量、加 工精度以及加工效率。因此为了提高零件加工质量和合格率，需要考虑切削力 和机床动力学特性双重约束，对加工刀轨进行优化。

Hyun-Chul(2007)在学术期刊《InternationalJournalofProductionResearch》 2007,45(24),p5715-5729发表了论文“Toolpathmodificationforoptimizedpocket milling”公开了一种槽特征加工方法，通过稳定的材料去除率保证切削力稳定， 避免加工过程中的振动。但是该方法没有考虑机床固有最大加速度、加加速度 对进给方向和进给速度的影响。

Pamali等在学位论文“UsingClothoidalSpiralstoGenerateSmoothToolPaths ForHighSpeedMachining”中提出了一种基于变螺旋曲线的转角加工刀轨优化算 法。该方法通过使用变螺旋曲线保证了刀轨二阶连续以更好地适应机床运动学 特性，并依据机床动力学特性对刀轨形状进行优化，但是优化后的刀轨形状复 杂，材料去除率不均匀，切削力不稳定。

到目前为止，尚没有公开采用切削力和机床动力学特性双重约束原则，使 用同一把刀具加工槽特征侧壁和转角的刀轨生成方法。

发明内容

本发明的目的是针对机床在槽特征侧铣过程中因刀具受力不均匀，切削方 向突变，导致机床发生振动，刀具磨损加剧，严重影响加工质量等问题，提出 了一种槽特征侧铣加工刀轨生成方法,使刀具负荷平稳，刀轨曲率均匀变化的考 虑切削力和机床动力学特性双重约束的。

本发明的技术方案思路是：一种槽特征侧铣加工刀轨，综合考虑切削力和 机床动力学特性双重约束，由用于侧壁加工的单层刀轨和用于转角加工的多层 刀轨组成。通过偏置侧壁加工驱动线得到侧壁单层刀轨；以转角循环铣策略为 基础，通过考虑切削力和机床动力学特性双重约束生成转角加工多层刀轨，其 中转角加工每层循环刀轨由变螺旋曲线、圆弧和直线组成。侧壁单层加工刀轨 和转角多层加工刀轨构成完整的槽特征侧铣加工刀轨。

本发明提出的一种槽特征侧铣加工刀轨生成方法，包括以下步骤：

步骤1，根据槽特征粗加工信息和零件模型，获取待加工材料余量μ，并计 算粗加工余量曲线；

步骤2，依据设定的离散精度对步骤1中计算得到的粗加工余量曲线进行离 散，得到离散点集P；

步骤3，根据采用精加工和半精加工相结合方式进行加工的精度要求，设置 半精加工后材料余量δ值；

步骤4，选择侧壁加工进刀点，设置圆弧进刀，其中进刀点应选择在开敞无 干涉处；

步骤5，依据步骤1中得到的粗加工余量曲线及步骤3中设置的半精加工余 量δ，对槽特征侧壁粗加工余量曲线进行偏置得到槽特征半精加工中侧壁单层加 工刀轨，偏置量ε＝R_c+δ-μ，其中R_c是刀具半径，偏置方向为离散点处侧面的 外法向；

步骤6，依据步骤5中得到的侧壁单层加工刀轨计算槽特征侧壁半精加工中 的最大切削力F_max，并将F_max设定为槽特征侧铣加工中的最大切削力；

步骤7，验证槽特征转角处当前余量加工的最大切削力F是否满足步骤6 中设定的最大切削力F_max；若F>F_max,执行步骤8、9、10、11，计算槽特征半 精加工中转角多层加工刀轨；若F≤F_max，则执行步骤12，计算槽特征半精加 工中转角多层刀轨的最后一层圆弧刀轨；

步骤8，根据当前转角处余量曲线离散点集P中的离散点求解转角多层刀轨 中径向层切削刀轨的刀位点以及刀具与材料的接触点；

步骤9，为保证刀轨曲率的连续变化，转角加工刀轨采用变螺旋曲线进行过 渡，即变螺旋曲线—圆弧曲线—变螺旋曲线的连接方式；转角多层加工刀轨中 的第i层刀轨的最大切削力F_i＝min(F,F_max)，通过F_i可计算得到变螺旋曲线参数 C和圆弧曲率半径R，进而最终确定变螺旋曲线和圆弧曲线方程；

步骤10，完成步骤9中得到的变螺旋曲线—圆弧曲线—变螺旋曲线加工刀 轨后，通过变螺旋曲线—直线—变螺旋曲线连接方式进行过渡，形成完整的转 角循环铣径向层加工刀轨；

步骤11，将步骤8中得到的刀具与材料接触点拟合成样条曲线，可得到当 前转角处的余量曲线；重复步骤7对当前转角处余量进行最大切削力验证；

步骤12，若当前转角处余量满足最大切削力约束，则设置转角多层刀轨的 最后一层圆弧刀轨半径值R_t＝R_D-R_c，其中R_D为转角设计半径值；依据转角加 工精度，采用变螺旋曲线连接转角半精加工最后一层圆弧刀轨和侧壁单层刀轨；

步骤13，在开敞无干涉处选择退刀点，添加退刀圆弧；将步骤5中得到的 侧壁半精加工单层刀轨与转角半精加工多层刀轨进行组合形成槽特征侧铣半精 加工轴向层加工刀轨；

步骤14，在开敞处选择精加工进刀点和退刀点，并设置精加工进退刀圆弧；

步骤15，偏置侧壁处粗加工余量曲线得到侧壁精加工单层刀轨，其中偏置 值为R_c-μ，并将转角精加工圆弧刀轨半径设为R_D-R_c；依据转角加工精度， 采用变螺旋曲线连接转角精加工圆弧刀轨和侧壁精加工单层刀轨，形成槽特征 侧铣精加工刀轨；

步骤16，将槽特征侧铣半精加工和精加工刀轨组合形成槽特征侧铣轴向层 刀轨

步骤17，沿刀轴矢量，按照设定的切深参数对槽特征侧铣轴向层刀轨进行 偏置，得到完成的槽特征侧铣加工刀轨。

所述的粗加工余量曲线的计算方法为：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，半径为R_d，则曲线方程可表示如下：

转角：$x^2+y^2=R_d^2,$$\begin{array}{c}0<\theta <\pi /2,\left(\begin{array}{c}-R_d\le x\le 0\\ -R_{d}cos\theta \le y\le R_d\end{array}\right)\\ \pi /2\le 0\le \pi ,\left(\begin{array}{c}-R_{d}sin\theta \le x\le 0\\ -R_{d}cos\theta \le y\le R_d\end{array}\right)\end{array};$

同转角相连的一个侧面：$\begin{array}{c}0<\theta <\pi /2,\left(\begin{array}{c}-R_{d}sin\theta \le x\le -R_{d}sin\theta +L_{1}cos\theta \\ -R_{d}cos\theta -L_{1}sin\theta \le y\le -R_{d}cos\theta \end{array}\right)\\ \pi /2\le 0\le \pi ,\left(\begin{array}{c}-R_{d}sin\theta +L_{1}cos\theta \le x\le -R_{d}sin\theta \\ -R_{d}cos\theta -L_1\sin \theta \le y\le -R_{d}cos\theta \end{array}\right)\end{array};$

同转角相连的另一侧面：y＝R_d,0≤x≤L₂；

其中，L₁，L₂分别为直线段长度，θ表示转角处侧壁切向的夹角。

所述的槽特征转角当前余量最大切削力指的是针对当前转角处余量，采用 步骤12中计算得到的转角最后一层圆弧刀轨加工过程中的最大切削力；

所述的依据切削力求解变螺旋曲线的方法如下：根据当前层刀轨的最大切 削力F_i及切削力模型反算求解刀具接触角γ以及切削力最大处的刀位点；在该点 处作侧壁刀轨垂线，交转角角平分线于点S；以该点距点S的距离为半径，点S 为原点作圆，同转角角平分线相交于点T；点T即为使用变螺旋曲线进行过渡后 的刀位点，则变螺旋曲线参数C可通过下式进行计算：

$\left(\begin{array}{c}R·l=C\\ X=l-\frac{l^5}{40C^2}+\frac{l^9}{3456C^4}\\ Y=\frac{l^3}{6C}-\frac{l^7}{336C^3}+\frac{l^{11}}{42240C^5}\\ \beta =\frac{l}{2R}\\ {\left(X-x_S\right)}^2+{\left(Y-y_S\right)}^2=R^2\\ {\left(x_T-x_S\right)}^2+{\left(y_T-y_S\right)}^2=R^2\\ y_S={\mathrm{kx}}_S+t\\ y_T={\mathrm{kx}}_T+t\\ 2R\tan \frac{\pi -\theta +\gamma }{2}=\sqrt{{\left(X-x_T\right)}^2+{\left(Y-y_T\right)}^2}\end{array}\right)$

其中l表示变螺旋曲线的长度；(X,Y)，(x_T,y_T)，(x_S,y_S)分别为变螺旋曲线与圆 弧连接点、点T、点S的坐标；y＝kx+t是角平分线的解析式，t 表示角平分线与Y轴交点的X坐标值；θ表示转角两侧壁切向的夹角；γ表示刀 具接触角。

通过确定参数C即可确定变螺旋曲线。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种槽特征侧铣加工刀轨生成方法得到的刀轨，同时满足切 削力和机床动力学特性双重约束；在机床动力学特性一定的情况下，本发明提 出的侧铣加工刀轨可明显提高工件的表面加工质量；本发明提出的侧铣加工刀 轨二阶连续，刀轨曲率连续变化，在加工中刀具负荷稳定，切削力稳定，可适 用于高速铣削；本发明提出的槽特征侧铣加工刀轨对机床性能要求低，原本只 能在价格昂贵、高精度、高性能的机床加工完成的具有槽特征的工件，可以在 性能相对较差的机床上完成，降低了加工成本。

附图说明

图1为本发明的一种槽特征侧铣加工刀轨生成方法流程图。

图2为典型飞机结构件槽特征示意图。

图3为槽特征待加工材料余量示意图；其中1表示待加工材料余量，2表示 槽特征内型理论位置，3表示含粗加工余量的内型边；含粗加工余量的内型边由 线段AB、DE和圆弧BOE构成；θ表示转角处侧壁的夹角；XOY为局部坐标系。

图4为本发明的转角第一层刀轨计算过程的示意图；图中FEC为优化刀轨， MNH为经典刀轨；VW为变螺旋曲线，VH为圆弧，MN为直线，NH为圆弧， mn为角平分线；4为精加工余量，3为含粗加工余量的内型边。

图5为本发明提出方法在转角处的刀轨示意图；A′B′C′D′E′F′G′H′为径向第 一层刀轨，以第一层刀轨为例详细说明刀轨的构成；A′B′为变螺旋曲线，连接侧 壁刀轨和圆弧；B′C′为圆弧，C′D′为变螺旋曲线，D′E′和E′F′为一对变螺旋曲线， F′G′为直线，G′H′和H′A′为变螺旋曲线；D′E′F′G′H′A′完成封闭循环刀轨。

图6为本发明提出槽特征侧铣加工刀轨示意图。5为槽特征侧壁单层刀轨， 6为槽特征转角多层刀轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提出的刀轨生成方法以粗加工为基础。以图2中所示典型槽特征说 明本发明提出的一种槽特征侧铣加工刀轨生成方法流程，该槽特征大小为 200mm×160mm，选用Φ12mm刀具进行加工，槽特征侧铣加工刀轨生成流程如 下：

步骤1，根据槽特征粗加工信息和零件模型，获取待加工材料余量μ，并计 算粗加工余量曲线；

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，半径为R_d，则曲线方程可表示如下：

转角：$x^2+y^2=R_d^2,$$\begin{array}{c}0<\theta <\pi /2,\left(\begin{array}{c}-R_d\le x\le 0\\ -R_{d}cos\theta \le y\le R_d\end{array}\right)\\ \pi /2\le \theta \le \pi ,\left(\begin{array}{c}-R_{d}sin\theta \le x\le 0\\ -R_{d}cos\theta \le y\le R_d\end{array}\right)\end{array};$

AB：$\begin{array}{c}0<\theta <\pi /2,\left(\begin{array}{c}-R_{d}sin\theta \le x\le -R_{d}sin\theta +L_{1}cos\theta \\ -R_{d}cos\theta -L_{1}sin\theta \le y\le -R_{d}cos\theta \end{array}\right)\\ \pi /2\le \theta \le \pi ,\left(\begin{array}{c}-R_{d}sin\theta +L_{1}cos\theta \le x\le -R_{d}sin\theta \\ -R_{d}cos\theta -L_1\sin \theta \le y\le -R_{d}cos\theta \end{array}\right)\end{array};$

DE：y＝R_d,0≤x≤L₂；

其中，L₁，L₂分别为直线段长度，θ表示转角处侧壁切向的夹角。

步骤2，依据设定的离散精度对步骤1中计算得到的粗加工余量曲线进行离 散，得到离散点集P；

步骤3，根据采用精加工和半精加工相结合方式进行加工的精度要求，设置 半精加工后材料余量δ值；

步骤4，选择侧壁加工进刀点，设置圆弧进刀，其中进刀点应选择在开敞无 干涉处；

步骤5，依据步骤1中得到的粗加工余量曲线及步骤3中设置的半精加工余 量δ，对槽特征侧壁粗加工余量曲线进行偏置得到槽特征半精加工中侧壁单层加 工刀轨，偏置量ε＝R_c+δ-μ，其中R_c是刀具半径，偏置方向为离散点处侧面的 外法向；

步骤6，依据步骤5中得到的侧壁单层加工刀轨计算槽特征侧壁半精加工中 的最大切削力F_max，并将F_max设定为槽特征侧铣加工中的最大切削力；

步骤7，验证槽特征转角处当前余量加工的最大切削力F是否满足步骤6 中设定的最大切削力F_max；若F>F_max,执行步骤8、9、10、11，计算槽特征半 精加工中转角多层加工刀轨；若F≤F_max，则执行步骤12，计算槽特征半精加 工中转角多层刀轨的最后一层圆弧刀轨；

其中槽特征转角当前余量最大切削力指的是针对当前转角处余量，采用转 角最后一层圆弧刀轨加工过程中的最大切削力；

步骤8，根据当前转角处余量曲线离散点集P中的离散点求解转角多层刀轨 中径向层切削刀轨的刀位点以及刀具与材料的接触点；

步骤9，为保证刀轨曲率的连续变化，转角加工刀轨采用变螺旋曲线进行过 渡，即变螺旋曲线—圆弧曲线—变螺旋曲线的连接方式；转角多层加工刀轨中 的第i层刀轨的最大切削力F_i＝min(F,F_max)，通过F_i可计算得到变螺旋曲线参数 C和圆弧曲率半径R，进而最终确定变螺旋曲线VW和圆弧曲线HV的方程；

根据当前层刀轨的最大切削力F_i及切削力模型反算求解刀具接触角γ以及 切削力最大处的刀位点；在该点处作侧壁刀轨垂线，交转角角平分线于点S；以 该点距点S的距离为半径，点S为原点作圆，同转角角平分线相交于点T；点T 即为使用变螺旋曲线进行过渡后的刀位点，则变螺旋曲线参数C及圆弧曲线半 径可通过下式进行计算：

$\left(\begin{array}{c}R·l=C\\ X=l-\frac{l^5}{40C^2}+\frac{l^9}{3456C^4}\\ Y=\frac{l^3}{6C}-\frac{l^7}{336C^3}+\frac{l^{11}}{42240C^5}\\ \beta =\frac{l}{2R}\\ {\left(X-x_S\right)}^2+{\left(Y-y_S\right)}^2=R^2\\ {\left(x_T-x_S\right)}^2+{\left(y_T-y_S\right)}^2=R^2\\ y_S={\mathrm{kx}}_S+t\\ y_T={\mathrm{kx}}_T+t\\ 2R\tan \frac{\pi -\theta +\gamma }{2}=\sqrt{{\left(X-x_T\right)}^2+{\left(Y-y_T\right)}^2}\end{array}\right)$

其中l表示变螺旋曲线的长度；(X,Y)，(x_T,y_T)，(x_S,y_S)分别为变螺旋曲线与圆 弧连接点、点T、点S的坐标；y＝kx+t是角平分线的解析式，t 表示角平分线与Y轴交点的X坐标值；θ表示转角两侧壁切向的夹角；γ表示刀 具接触角。

通过确定参数C即可确定变螺旋曲线。

步骤10，完成步骤9中得到的变螺旋曲线—圆弧曲线—变螺旋曲线加工刀 轨后，通过变螺旋曲线—直线—变螺旋曲线连接方式进行过渡，形成完整的转 角循环铣径向层加工刀轨；如图5所示，A′B′C′D′E′F′G′H′为转角半精加工径向 第一层刀轨，其中A′B′，C′D，D′E′，E′F′，G′H′和H′A′为变螺旋曲线，B′C′为圆 弧，F′G′为直线。

步骤11，将步骤8中得到的刀具与材料接触点拟合成样条曲线，可得到当 前转角处的余量曲线；重复步骤7对当前转角处余量进行最大切削力验证；

步骤12，若当前转角处余量满足最大切削力约束，则设置转角多层刀轨的 最后一层圆弧刀轨半径值R_t＝R_D-R_c，其中R_D为转角设计半径值；依据转角加 工精度，采用变螺旋曲线连接转角半精加工最后一层圆弧刀轨和侧壁单层刀轨；

步骤13，在开敞无干涉处选择退刀点，添加退刀圆弧；将步骤5中得到的 侧壁半精加工单层刀轨与转角半精加工多层刀轨进行组合形成槽特征侧铣半精 加工轴向层加工刀轨；

步骤14，在开敞处选择精加工进刀点和退刀点，并设置精加工进退刀圆弧；

步骤15，偏置侧壁处粗加工余量曲线得到侧壁精加工单层刀轨，其中偏置 值为R_c-μ，并将转角精加工圆弧刀轨半径设为R_D-R_c；依据转角加工精度， 采用变螺旋曲线连接转角精加工圆弧刀轨和侧壁精加工单层刀轨，形成槽特征 侧铣精加工刀轨；

步骤16，将槽特征侧铣半精加工和精加工刀轨组合形成槽特征侧铣轴向层 刀轨

步骤17，沿刀轴矢量，按照设定的切深参数对槽特征侧铣轴向层刀轨进行 偏置，得到完成的槽特征侧铣加工刀轨；如图6所示，5为槽特征侧壁单层刀轨， 6为槽特征转角多层刀轨。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。