專利名稱：基于槽腔特征的飛機結構件高效粗加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機械加工方法，尤其是一種以槽腔為特征的飛機結構件粗加工方法，具體地說一種通過采用插銑與合理編程相結合，通過提高編程效率和加工效率來提高粗加工效率的基于槽腔特征的飛機結構件高效粗加工方法。
背景技術：
眾所周知，飛機結構件尺寸大，零件材料去除率高，通常都達到90%以上，粗加工是去除材料的主要工序,飛機結構件主要由 大量的槽腔特征構成，因此飛機結構件槽腔特征的粗加工是影響加工效率的主要環(huán)節(jié)。目前飛機結構件粗加工主要選用層切法，采用螺旋下刀方式，從內向外切除材料。如劉偉軍等在學術期刊《計算機集成制造系統》2005, 11
(9)，P1296-1300上發(fā)表的論文“層切法模具粗加工中自適應刀軌規(guī)劃方法”中涉及的層切法粗加工方法，這種加工方法單位時間的材料去除率低，尤其在加工難加工材料零件時，機床的切深和切寬設置得較小，層切法粗加工的效率非常低，加工時間往往占到整個零件加工時間的85%以上，并且加工過程中刀具的磨損非常嚴重，制造成本較高。插銑法是通過刀具的軸向運動實現高效切削的一種加工方法，采用插銑法進行零件粗加工具有較高的加工效率。如中國專利文獻刊載的專利申請?zhí)朇N201210078460. 7，
公開日2012年7月25日，發(fā)明名稱“一種整體葉輪開槽插銑加工優(yōu)化方法”以及李恬等在學術期刊《計算機集成制造系統》2010，16 (8)，P1696-1701上發(fā)表的論文“整體葉輪插銑粗加工算法”中都涉及采用插銑法進行零件粗加工的方法，但這些方法都不適用于飛機結構件槽腔特征。并且由于飛機結構件所包含槽腔特征的數量大，目前槽腔特征粗加工刀軌的程序編制主要采用手工選取幾何元素和設置加工參數的方式，編程效率低下，導致加工周期長，效率不高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現有的飛機結構件槽腔特征粗加工效率低的問題，提出了一種基于槽腔特征的飛機結構件高效粗加工方法，尤其是所提出飛機結構件槽腔特征高效粗加工刀軌自動生成方法，采用加工特征作為加工知識載體，實現刀軌生成的自動化，并采用插銑方法進行粗加工材料去除，極大地提高了飛機結構件粗加工效率。本發(fā)明的技術方案是一種基于槽腔特征的飛機結構件高效粗加工方法，其特征是首先選用數控插銑加工作為粗加工手段，其次，以槽腔特征為基礎自動生成粗加工刀軌以節(jié)約編程時間，提高加工效率；第三，將所生成的加工刀軌程序輸入數控機床中進行機械粗加工。所述的粗加工刀軌生成方法包括以下步驟步驟I :輸入零件模型及零件特征信息；零件模型的輸入方式是在CAM環(huán)境下打開零件的加工工藝模型，該模型中包含零件加工坐標系，零件特征信息是與該零件模型對應的特征文件，以自動讀取的形式輸入；
步驟2 :人工選取需要生成粗加工刀軌的槽腔特征信息；在特征信息列表中通過鼠標點擊選取需要粗加工的槽腔特征，也可以在零件模型中采用鼠標點擊幾何面的方式來確定需要粗加工的槽腔特征，通過比對所選幾何面的標識值與槽腔特征信息列表中的各個槽腔特征所包含幾何元素的標識值來實現槽腔特征定位；步驟3 :輸入刀軌生成所需信息；粗加工刀軌生成信息包括安全平面SF，層安全高度s，底面粗加工余量BA和側面粗加工余量SA、刀具直徑D、縱向切深ZD、切寬YL、步長XL，主軸轉速s信息；步驟4 :并生成槽腔特征的粗加工邊界；步驟5 :計算槽腔特征中各子加工區(qū)域的粗加工刀位點，設置進給速度，生成粗加工軌跡；連接各子加工區(qū)域對應的粗加工軌跡，連接方式為直線連接，進給設為快速進給，生成整個槽腔特征的粗加工刀軌；步驟6 :采用側銑加工方法，生成各子加工區(qū)域加工邊界的側銑加工軌跡，清除步 驟5加工之后加工區(qū)域邊界處形成的鋸齒狀殘留。在粗加工刀軌的槽腔特征信息生成時，若不進行槽腔特征的手動選取，將默認為需要生成零件所有槽腔特征的粗加工刀軌；所述第四步的槽腔特征的粗加工邊界的生成方法包含以下步驟步驟I :將槽腔特征包含的每一個底面和與其呈凹連接關系的槽腔側面歸為一個子加工區(qū)域，定義底面與其凹連接側面的相交線為硬邊界，其余邊界為軟邊界；步驟2 :提取子加工區(qū)域所包含側面S，將其投影至底面B上，得到投影區(qū)域0P，求
η
出OP與B的相交區(qū)域I = OP η B，依次求出所有側面對應的相交區(qū)域集合U A，η>0，η為
=1
η
子加工區(qū)域包含側面的數量。子加工區(qū)域為，提取去Bo中的邊界線，其中包含
I=I
于或等于B中軟邊界的邊界線仍為軟邊界，其余為硬邊界。所述的每一個子加工區(qū)域粗加工軌跡的生成方法為步驟I :計算參考加工刀位點；若加工邊界中包含軟界面，則參考刀位點計算方法為I)將子加工區(qū)域中所有硬邊界在底面上向內偏置距離01，01為粗加工側面余量SA與刀具半徑D/2之和，得到偏置后線段OBl，求OBl與該子加工區(qū)域軟邊界組成封閉相交區(qū)域0B2，0B2為最外層參考刀位軌跡的理論路徑；對0B2按長度XL進行點位離散，得到最外圈刀位點；2)將0B2在底面上逐層向內偏置，直至偏置結果為空，每次偏置大小為切寬YL。分別將得到的偏置邊界按長度XL進行點位離散，得到各內層上的參考刀位點；若加工邊界中只包含硬邊界，則底層參考刀位點計算方法為將加工區(qū)域邊界在底面上向內偏置距離01，01為粗加工側面余量SA與刀具半徑D/2之和，得到偏置后封閉線段OBl，對OBl按步長XL進行點位離散，得到最外層參考刀位點。將OBl在底面上逐層向內偏置，直至偏置結果為空，每次偏置大小為切寬YL。分別將得到的偏置邊界按長度XL進行點位離散，得到各內層上的參考刀位點；步驟2 :對步驟I所得參考刀位點進行調整。首先去除參考刀位點中的復刀位點。對所有參考刀位點進行排序處理，采用由內而外的原則，先加工內層刀位點，再逐層加工外層刀位點。選擇最內層的某一刀位點為起始點，按照最小距離原則，對該層刀位點進行排序，外一層起始點選擇與內層最后一個刀位點距離最近的點，再按照最小距離原則對該層刀位點進行排序，最后完成所有參考刀位點的排序；步驟3 :根據參考刀位點計算每一層的粗加工終止刀位點；計算方法如下I)將參考刀位點沿加工軸向向上偏置粗加工底面余量值BA，得到最底層粗加工終止刀位點，記作EPL;2)計算底面至毛坯面的距離H，軸向終止刀位點的層數η為(H_BA)/ZD，若η為整數，則將EPL沿加工軸向向上逐層偏置η次，每次偏置距離為ZD，得到對應層的插銑終止刀位點LPL ;若η為非整數，則取η的整數部分N，將EPL沿軸向向上偏置(H_BA_ZD*N)，得到倒數第二層粗加工終止刀位點SPL，然后將該層刀位點沿軸向向上逐層偏置N次，每次偏置距離為ZD，得到對應層的插銑終止刀位點LPL ； 步驟4 :計算所有粗加工終止刀位點對應的粗加工起始刀位點,第i層插統終止刀位點對應的插銑起始刀位點為第i+Ι層終止刀位點沿軸向向上偏置層安全高度S。由于最頂層插銑終止點在毛坯頂面上，因此舍去最頂層插銑終止點；步驟5 :將參考刀位點投影至安全平面SF上，得到抬刀位置點；步驟6 :根據以上步驟得到的點位信息生成每一個最小粗加工路徑單元。該路徑單元由抬刀點SP、粗加工起始刀位點S和粗加工終止刀位點F構成,其軌跡組成形式為SP->S->F->SP，其中SP->S段和F->SP段為快速進給，S->F段為加工進給；步驟7 :根據設定的走刀策略生成最終的粗加工軌跡。走刀策略包括徑向優(yōu)先策略和軸向優(yōu)先策略。選擇徑向優(yōu)先策略時，按軸向上的由高到低進行逐層加工，每一層上的插銑順序按步驟2得到的參考點順序。選擇軸向優(yōu)先策略時，按步驟2得到的參考點順序進行插銑，每一個參考刀位點對應的加工位置加工到位之后再順序加工下一參考刀位點；粗加工路徑在徑向上的連接為直線連接，進給設為快速進給方式。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的方法較傳統的層切法粗加工方法具有加工效率高、加工穩(wěn)定性好和刀具損耗低的優(yōu)點。并且能夠有效解決手動編程時添加幾何輔助點困難，編程效率低，編程工作量大、耗時長等問題，實例證明該方法在企業(yè)的實際應用中取得良好的效果，極大提高飛機結構件，尤其是難加工材料的粗加工效率和編程效率，縮短零件的生產周期，提高企業(yè)的經濟效益。相對于現有的粗加工方法，本發(fā)明還具有如下明顯優(yōu)點(I)單位時間材料去除率高，可達到層切法加工數倍以上；(2)刀具損耗小，加工成本低；(3)加工軌跡生成速度快、效率高、實用性強。


圖I是本發(fā)明的飛機結構件高效粗加工軌跡生成方法流程。圖2是本發(fā)明的槽腔特征粗加工區(qū)域的加工邊界示意圖。BI和B2為該槽腔特征的兩個底面，該槽腔特征包含兩個自加工區(qū)域。{SI，S2，S3，S4，S5}為與BI呈凹連接關系的槽腔側面，OPl為SI在BI面上的投影區(qū)域。{E1，E2，E3，E4，E5，E6，E7，E8}為BI對應自加工區(qū)域的粗加工加工邊界，其中實線段{E1，E2，E3，E4，E5}為硬邊界，虛線段{E6，E7，E8}為軟邊界。圖3是本發(fā)明的粗加工參考刀位點示意圖。粗實線表示加工邊界中的硬邊界，粗虛線表示加工邊界中的軟邊界，細實線表示各內層參考刀位軌跡的理論路徑。T為刀具在底面上的投影，D/2為刀具半徑，SA為刀具側面粗加工余量，XL為設定步長，YL為切寬。圖4本發(fā)明的軸向各層刀位點生成策略示意圖。圖中BI和B2表示槽腔特征的兩個底面，Hl和H2分別為兩個底面距頂面的高度。ZD為設定的切深，SA，BA分別為側面和底面的粗加工余量。rpl和rp2分別為BI和B2上的兩個粗加工參考刀位點，最底層刀位點為參考刀位點沿軸向Dir偏置底面加工余量BA得到，分別為pi和p4。n= (H-BA)/ZD表示縱向刀位點偏置次數，若η為整數，如BI處，η=2,將pi沿軸向Dir偏置2次,第i次偏置的偏置距離為i*ZD，分別得到p2，p3。若η為非整數，如Β2處，取η的整數部分為N，將ρ4沿Dir方向偏置(H2-BA-N*ZD)距離，得到p5，將p5沿Dir方向偏置2次，第i次偏置的偏置距離為i*ZD，分別得到p6，p7。 圖5是本發(fā)明的軸向各層刀位點求解及加工路徑示意圖。BI表示底面，BA為粗加工底面余量，rpl為參考刀位點，{pl，p2，p3}為軸向各層粗加工終止刀位點，ZD為軸向切深，SF為安全平面，sp為抬刀點，s為安全高度，ρΓ和ρ2’為pi和ρ2對應的粗加工起始刀位點，Z為軸向方向，帶箭頭直線I :G00，2 G01和3 G00表示加工點p2的一個基本粗加工路徑單元，GOO為快速進給，GOl為加工進給。圖6是本發(fā)明的徑向優(yōu)先與軸向優(yōu)先加工策略示意圖。a為徑向優(yōu)先策略，pl，p2，p3分別為同一軸向層上的刀位點，徑向優(yōu)先策略是指加工完同一軸向層上的所有點之后，再向下加工下一層上的點。b為軸向優(yōu)先策略，pi, p2為同一參考刀位點對應的一組軸向點，軸向優(yōu)先策略是指依次去除每一個參考刀位點處的材料，沿軸向加工到位之后再按順序加工其他參考刀位點處的材料。Z為軸向方向。圖7是本發(fā)明的粗加工殘留材料清除處理示意圖。T為加工刀具，{a, b, c, d}為一組粗加工邊界，其中{a，b，c}為硬邊界，d為軟邊界，SA為粗加工側面余量，{al，bl，cl}為{a，b，c}向內偏置SA得到的粗加工理論邊界，采用方法進行粗加工之后，會在{al，bl，cl}處形成如圖a中陰影部分1，2處的鋸齒殘留。在圖b中生成{al，bl, cl}邊界上的側銑加工軌跡，箭頭方向為逆時針加工方向，生成軌跡時切深和切寬需要根據側銑加工要求來設置。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1-7所示。一種基于槽腔特征的飛機結構件高效粗加工方法，它包括加工方法的選擇以及粗加工刀軌程序的快速自動生成，本發(fā)明的流程圖如圖I所示，本發(fā)明首先選用數控插銑加工作為粗加工手段，其次，以槽腔特征為基礎自動生成粗加工刀軌以節(jié)約編程時間，提高加工效率；第三，將所生成的加工刀軌程序輸入數控機床中進行機械粗加工。整個粗加工過程為步驟I :輸入零件模型及零件特征信息。零件模型的輸入方式是在CAM環(huán)境下打開零件的加工工藝模型，該模型中包含零件加工坐標系，零件特征信息是與該零件模型對應的特征文件，以自動讀取的形式輸入；步驟2 :選取需要生成粗加工刀軌的槽腔特征信息。在特征信息列表中通過鼠標點擊選取需要粗加工的槽腔特征，也可以在零件模型中采用鼠標點擊幾何面的方式來確定需要粗加工的槽腔特征，通過比對所選幾何面的標識值與槽腔特征信息列表中的各個槽腔特征所包含幾何元素的標識值來實現槽腔特征定位。若不進行槽腔特征的手動選取，將默認為需要生成零件所有槽腔特征的粗加工刀軌；步驟3 :輸入刀軌生成信息。粗加工刀軌生成信息包括安全平面SF，層安全高度S，底面粗加工余量BA和側面粗加工余量SA、刀具直徑D、縱向切深ZD、切寬YL、步長XL，主軸轉速s等信息,如圖3,4,5所示；步驟4 :自動提取槽腔特征的粗加工邊界。粗加工區(qū)域自動創(chuàng)建方法包含以下步驟I)將槽腔特征包含的每一個底面和與其呈凹連接關系的槽腔側面歸為一個子加工區(qū)域，定義底面與其凹連接側面的相交線為硬邊界，其余邊界為軟邊界，如圖2中底面BI與側面{SI，S2，S3，S4, S5}構成一個子加工區(qū)域，其中虛線段{E6，E7，E8}為軟邊界。2)提取子加工區(qū)域所包含側面S，將其投影至底面B上，得到投影區(qū)域0P，求出OP與B的相交區(qū)域I = OP η B，如圖2中，側面SI至底面B的投影區(qū)域為陰影部分區(qū)域0Ρ1，
η
I = OPl η BI = OPl0依次求出所有側面對應的相交區(qū)域集合
權利要求
1.一種基于槽腔特征的飛機結構件高效粗加工方法，其特征是首先選用數控插銑加工作為粗加工手段，其次，以槽腔特征為基礎自動生成粗加工刀軌以節(jié)約編程時間，提高加工效率；第三，將所生成的加工刀軌程序輸入數控機床中進行機械粗加工。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征是所述的粗加工刀軌生成方法包括以下步驟 步驟I :輸入零件模型及零件特征信息；零件模型的輸入方式是在CAM環(huán)境下打開零件的加工工藝模型，該模型中包含零件加工坐標系，零件特征信息是與該零件模型對應的特征文件，以自動讀取的形式輸入； 步驟2 :人工選取需要生成粗加工刀軌的槽腔特征信息；在特征信息列表中通過鼠標點擊選取需要粗加工的槽腔特征，也可以在零件模型中采用鼠標點擊幾何面的方式來確定需要粗加工的槽腔特征，通過比對所選幾何面的標識值與槽腔特征信息列表中的各個槽腔特征所包含幾何元素的標識值來實現槽腔特征定位； 步驟3 :輸入刀軌生成所需信息；粗加工刀軌生成信息包括安全平面SF，層安全高度S，底面粗加工余量BA和側面粗加工余量SA、刀具直徑D、縱向切深ZD、切寬YL、步長XL，主軸轉速s信息； 步驟4 :并生成槽腔特征的粗加工邊界； 步驟5 :計算槽腔特征中各子加工區(qū)域的粗加工刀位點，設置進給速度，生成粗加工軌跡；連接各子加工區(qū)域對應的粗加工軌跡，連接方式為直線連接，進給設為快速進給，生成整個槽腔特征的粗加工刀軌； 步驟6 :采用側銑加工方法，生成各子加工區(qū)域加工邊界的側銑加工軌跡，清除步驟5加工之后加工區(qū)域邊界處形成的鋸齒狀殘留。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征是在粗加工刀軌的槽腔特征信息生成時，若不進行槽腔特征的手動選取，將默認為需要生成零件所有槽腔特征的粗加工刀軌。
4.根據權利要求2所述的方法，其特征是所述第四步的槽腔特征的粗加工邊界的生成方法包含以下步驟 步驟I :將槽腔特征包含的每一個底面和與其呈凹連接關系的槽腔側面歸為一個子加工區(qū)域，定義底面與其凹連接側面的相交線為硬邊界，其余邊界為軟邊界； 步驟2 :提取子加工區(qū)域所包含側面S，將其投影至底面B上，得到投影區(qū)域0P，求出OPη與B的相交區(qū)域I = OP Π B，依次求出所有側面對應的相交區(qū)域集合IJ A，η>0，η為子加工 =1 η區(qū)域包含側面的數量。子加工區(qū)域為Bo=B_U(，提取去Bo中的邊界線，其中包含于或等 =1于B中軟邊界的邊界線仍為軟邊界，其余為硬邊界。
5.根據權利要求2所述的方法，其特征是所述的每一個子加工區(qū)域粗加工軌跡的生成方法為 步驟I :計算參考加工刀位點；若加工邊界中包含軟界面，則參考刀位點計算方法為 I)將子加工區(qū)域中所有硬邊界在底面上向內偏置距離01，01為粗加工側面余量SA與刀具半徑D/2之和，得到偏置后線段0Β1，求OBl與該子加工區(qū)域軟邊界組成封閉相交區(qū)域0Β2，0Β2為最外層參考刀位軌跡的理論路徑；對0Β2按長度XL進行點位離散，得到最外圈刀位點；2)將0B2在底面上逐層向內偏置，直至偏置結果為空，每次偏置大小為切寬YL。分別將得到的偏置邊界按長度XL進行點位離散，得到各內層上的參考刀位點； 若加工邊界中只包含硬邊界，則底層參考刀位點計算方法為將加工區(qū)域邊界在底面上向內偏置距離01，01為粗加工側面余量SA與刀具半徑D/2之和，得到偏置后封閉線段OBl，對OBl按步長XL進行點位離散，得到最外層參考刀位點。將OBl在底面上逐層向內偏置，直至偏置結果為空，每次偏置大小為切寬YL。分別將得到的偏置邊界按長度XL進行點位離散，得到各內層上的參考刀位點； 步驟2:對步驟I所得參考刀位點進行調整。首先去除參考刀位點中的復刀位點。對所有參考刀位點進行排序處理，采用由內而外的原則，先加工內層刀位點，再逐層加工外層刀位點。選擇最內層的某一刀位點為起始點，按照最小距離原則，對該層刀位點進行排序，外一層起始點選擇與內層最后一個刀位點距離最近的點，再按照最小距離原則對該層刀位點進行排序，最后完成所有參考刀位點的排序； 步驟3 :根據參考刀位點計算每一層的粗加工終止刀位點；計算方法如下 1)將參考刀位點沿加工軸向向上偏置粗加工底面余量值BA，得到最底層粗加工終止刀位點，記作EPL; 2)計算底面至毛坯面的距離H，軸向終止刀位點的層數η為(H-BA)/ZD，若η為整數，則將EPL沿加工軸向向上逐層偏置η次，每次偏置距離為ZD，得到對應層的插銑終止刀位點LPL ;若η為非整數，則取η的整數部分N，將EPL沿軸向向上偏置(H_BA_ZD*N)，得到倒數第二層粗加工終止刀位點SPL，然后將該層刀位點沿軸向向上逐層偏置N次，每次偏置距離為ZD，得到對應層的插銑終止刀位點LPL ； 步驟4 :計算所有粗加工終止刀位點對應的粗加工起始刀位點，第i層插銑終止刀位點對應的插銑起始刀位點為第i+Ι層終止刀位點沿軸向向上偏置層安全高度S。由于最頂層插銑終止點在毛坯頂面上，因此舍去最頂層插銑終止點； 步驟5 :將參考刀位點投影至安全平面SF上，得到抬刀位置點； 步驟6 :根據以上步驟得到的點位信息生成每一個最小粗加工路徑單元。該路徑單元由抬刀點SP、粗加工起始刀位點S和粗加工終止刀位點F構成,其軌跡組成形式為SP->S->F->SP，其中SP->S段和F->SP段為快速進給，S->F段為加工進給； 步驟7 :根據設定的走刀策略生成最終的粗加工軌跡。走刀策略包括徑向優(yōu)先策略和軸向優(yōu)先策略。選擇徑向優(yōu)先策略時，按軸向上的由高到低進行逐層加工，每一層上的插銑順序按步驟2得到的參考點順序。選擇軸向優(yōu)先策略時，按步驟2得到的參考點順序進行插銑,每一個參考刀位點對應的加工位置加工到位之后再順序加工下一參考刀位點；粗加工路徑在徑向上的連接為直線連接，進給設為快速進給方式?！?br> 全文摘要
一種飛機結構件槽腔特征高效粗加工方法，屬于CAD/CAPP/CAM技術領域。其特征是首先進行零件的輸入、零件特征信息讀入等預處理；選取需要進行粗加工處理的槽腔特征，根據粗加工余量、刀具直徑、刀具切深等信息，自動生成槽腔粗加工區(qū)域，計算槽腔粗加工插銑刀位點；最后根據設定的走刀策略生成插銑粗加工軌跡以及鋸齒殘留清除軌跡。采用該方法進行飛機結構件粗加工，可以大大提高飛機結構件粗加工效率，降低刀具損耗，節(jié)約成本。該方法在處理飛機結構件中難加工材料的粗加工時具有很大的應用推廣前景。
文檔編號B23C3/00GK102922013SQ20121041332
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權日2012年10月25日
發(fā)明者李迎光, 劉旭, 郝小忠, 王偉, 劉長青, 李海 申請人:南京航空航天大學