CN102825308B - 飞机结构件闭角清根方法 - Google Patents

Abstract

一种飞机结构件闭角清根方法，属于航空制造工程领域。该方法通过控制单刃铣刀旋转角度与刀具空间运动的规律，使单刃铣刀切削接触点在与刀具轴向成一定夹角的平面上运动，从而完成飞机结构件闭角残留的清根。本发明克服了数控加工刀具切削接触点只能在与刀具轴向垂直平面内运动的局限，显著提高了飞机结构件闭角清根效率，简化了闭角清根工艺，节约了清根刀具的成本。

Description

飞机结构件闭角清根方法

技术领域

本发明涉及一种航空零部件的机械加工方法,尤其是一种闭角根部的加工方法,具体地说是一种飞机结构件闭角清根方法。 

背景技术

随着航空制造技术的飞速发展，在现代飞机设计中，整体数控加工结构件的应用越来越广泛，从框、梁、地板到壁板都大量采用整体数控加工结构件。整体结构件有许多优势，它既可以减轻结构的重量，提高飞机的有效载重，同时也可以增强结构强度，减少连接件数量，提高飞机的疲劳寿命。为了满足飞机外形及气动性能等方面的要求，飞机结构件一般结构复杂，具有一些不利于加工的闭角结构，严重制约了飞机结构件的加工效率。飞机结构件闭角结构加工后往往有比较大的加工残留，严重影响了飞机设计对飞机重量的要求。 

如中国专利文献刊载的专利号ZL200710048269.7，授权公告日2009年3月11日，发明名称“综合检测数控机床精度的“S”形检测试件及其检测方法”，该专利公布了一种检测数控机床的S形检测试件，试件中包含了飞机结构件中常用的闭角结构，但未涉及闭角清根过程，在检测方法中的检测位置也避开了闭角残留区域。采用传统的圆柱平底铣刀加工闭角需要不断地减小刀具直径来减少加工残留，考虑到刀具刚性的问题，刀具直径不可能过小，因此闭角加工残留始终存在，最后需要通过人工手动去除。该方法使用多把刀具，成本高，工作量大，工作效率低，质量不稳定。 

发明内容

本发明的目的是针对现有的闭角清根方法无法实现完全的机加工，且存在闭角清根加工成本高、效率低的问题，发明一种不仅能提高飞机结构件闭角清根效率，简化闭角清根工艺，而且能大幅度节约成本的飞机结构件闭角 清根方法。 

本发明的技术方案是： 

一种飞机结构件闭角清根方法，其特征是它包括以下步骤： 

首先，选择单刃刀片铣刀作为加工刀具，控制刀尖夹角α小于飞机结构件待加工闭角λ，使铣刀带有刀刃的一边与组成闭角的一个面平行； 

其次，建立飞机结构件闭角清根加工局部坐标系，记侧壁与腹板的交点为C，C点绕刀轴旋转的虚拟中心点为O₁，定义O₁点为清根加工局部坐标系原点，刀具沿刀轴离开工件方向为Z轴正方向，记为Z₁；从O₁点到C点定义为X轴的正方向，记为X₁；Y轴的正方向用右手定律判断，记为Y₁；定义主轴旋转运动为W轴，顺时针旋转方向为W轴的正方向，记为W₁，当刀尖点P过X轴正方向时记W₁=0度； 

第三，设定刀具旋转360度时，进给方向即Y₁方向刀具进给的距离为S； 

第四，根据闭角角度值λ、刀具半径r及每转进给距离S，计算刀具虚拟中心点O₁任一时点在局部坐标系下的坐标值X₁、Y₁、Z₁： 

X₁=0 

Y₁=W₁·S/360 

Z₁=r(1-cos(W₁))/tan(λ) 

并据此得出刀尖的运动轨迹方程： 

PX₁=rcos(W₁) 

PY₁=rsin(W₁)+W₁·S/360 

PZ₁=r(1-cos(W₁))/tan(λ) 

式中PX₁为刀尖运动轨迹的X坐标值，PY₁为刀尖运动轨迹的Y坐标值,PZ₁为刀尖运动轨迹的Y坐标值，r为刀具半径，W₁为刀具的转角； 

第五，通过坐标转换将上述刀具虚拟中心点O₁在局部坐标系下的坐标值X₁、Y₁、Z₁转换成全局加工坐标系下的坐标值X、Y、Z，并通过后置处理程序自动生成闭角清根数控加工程序； 

第六，使用五轴数控铣床，根据所生成的闭角清根数控加工程序控制单 刃刀片铣刀旋转角度W₁与刀具在空间运动的规律，使单刃刀片铣刀主刀刃清除闭角残留，完成闭角的清根。 

所述的单刃刀片铣刀的刀具半径r由清根工序前一把加工刀具半径R确定，其值为r≥R+1mm以保证腹板上的残留可以一次加工完成。 

所述的单刃刀片铣刀尖夹角α小于闭角角度即侧壁与腹板的夹角值λ，单刃刀片铣刀刀刃长度要大于侧壁残留的长度。 

所述的单刃刀片铣刀尖夹角α不大于闭角λ的90%。 

所述的单刃刀片铣刀的进给量S由刀具半径r及闭角清根允许的最大加工残留h确定，即 $S\≤2\sqrt{r^2-{(r-h)}^2}.$

所述的单刃刀片铣刀的进给量S的取值范围为0.1-0.5mm。 

所述的单刃刀片铣刀虚拟中心点O₁在局部坐标系下的坐标值的确定方法为： 

首先求出刀尖点P到侧壁与腹板的交点C在X₁方向上的距离A的值，A=CP₁=r-rcos(W₁)=r(1-cos(W₁)) 

其次，如果只进行旋转运动，刀轴不进行上下运动，刀尖点P将切削到P₁点，此时腹板将产生过切，如果把刀尖点P₁点沿Z₁方向移动到P点，刀尖点正好切在腹板上，因此Z₁=P₁P=CP₁/tan(λ)=r(1-cos(W₁))/tan(λ)； 

第三，根据闭角侧壁形状和每转进给距离S来计算X₁和Y₁，飞机结构件闭角侧壁形状一般与Y₁轴平行，此时得出： 

X₁=0 

Y₁=W₁·S/360 

Z₁=r(1-cos(W₁))/tan(λ) 

上式中W₁为刀尖旋转的角度，通过W₁这个变量来求出刀具虚拟中心点在局部坐标系下的坐标值，此时刀尖点P的螺旋进给运动方程为： 

PX₁=rcos(W₁) 

PY₁=rsin(W₁)+W₁·S/360 

PZ₁=r(1-cos(W₁))/tan(λ)。 

本发明具有如下效果： 

1、本发明用一把刀具可以完成飞机结构件不同闭角角度的清根，方法通用性强。 

2、本发明简化了闭角清根工艺，提高了飞机结构件闭角清根效率，节约了清根刀具的成本。 

3、本发明清根效果好，无需人工去除残留材料，自动化程度高。 

附图说明

图1为本发明的清根方式与传统加工的对比示意图，图中左边为本发明清根方式示意图，图中右边为传统加工方式及残留材料示意图。 

图2为图1的A向视图，进一步说明局部坐标系的建立过程。 

图3为每转进给距离S计算方法示意图。 

图4为计算刀具虚拟中心点O₁在局部坐标系下的坐标值计算原理图。 

图5为利用本方法得出的闭角清根的刀具轨迹图。 

图中：1为带闭角结构的飞机结构件，101为闭角侧壁，102为闭角腹板，2为单刃刀片铣刀，201为刀杆，202为刀片，203为刀轴，3为传统加工用圆柱平底铣刀，4为传统加工残留材料，401为侧壁残留，402为腹板残留，5为刀具中心加工轨迹，6为刀尖加工轨迹。 

具体实施方式

下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

如图1-5所示。 

一种飞机结构件闭角清根方法，它包括以下步骤： 

步骤101:根据清根工序前一把加工刀具半径R，来确定清根铣刀半径r。取r≥R+1mm来保证腹板上的残留可以一次加工完成。为了完成闭角的清根，清根铣刀选用单刃刀片铣刀，单刃刀片铣刀刀尖夹角α要小于闭角角度即侧壁与腹板的夹角值λ（一般不超过90%），飞机结构件闭角角度λ正常情况下满足70≤λ<90，因此α的最佳取值范围为50-60度，单刃刀片铣刀刀刃长度要大于侧壁残留的长度。 

步骤102:建立飞机结构件闭角清根加工局部坐标系。记侧壁与腹板的交点为C，C点绕刀轴旋转的虚拟中心点为O₁，定义O₁点为清根加工局部坐标系原点，刀具沿刀轴离开工件方向为Z轴正方向，记为Z₁；从O₁点到C点定义为X轴的正方向，记为X₁；Y轴的正方向用右手定律判断，记为Y₁；定义主轴旋转运动为W轴，顺时针旋转方向为W轴的正方向，记为W₁，当刀尖点P过X轴正方向时记W₁=0度。 

步骤103:确定刀具旋转360度时，进给方向即Y₁方向刀具进给量S，进给量S的取值可以根据经验取0.1-0.5mm。进给量S也可通过刀具半径r及闭角清根允许的最大加工残留h来计算允许的最大距离S₁，清根过程刀具刀尖P是运动在腹板平面上的一条连续的螺旋线，要计算刀具旋转360度时的最大距离S₁比较因难，可以简化成W₁=0和W₁=360度时刀具分别做旋转运动刀尖P所作2个距离为S₂，半径为r的2个圆，得

很明显简化后的S₂小于S₁，因此取S≤S₂< S₁，即时加工残留小于h，满足加工的要求。 

步骤104:根据闭角角度值λ、刀具半径r及每转进给距离S，计算刀具虚拟中心点O₁在局部坐标系下的坐标值。计算的核心是归纳出刀具旋转角度W₁与Z₁的参数关系，X₁根据闭角侧壁形状来定义，Y₁根据每转进给距离S来确定。计算的方法如下步骤： 

步骤10401：首先求出刀尖点P到侧壁与腹板的交点C在X₁方向上的距离A的值，A=CP₁=r-rcos(W₁)=r(1-cos(W₁)) 

步骤10402：如果只进行旋转运动，刀轴不进行上下运动，刀尖点P将切削到P₁点，此时腹板将产生过切。如果把刀尖点P₁点沿Z₁方向移动到P点，刀尖点正好切在腹板上。因此Z₁=P₁P=CP₁/tan(λ)=r(1-cos(W₁))/tan(λ)。 

步骤10403：根据闭角侧壁形状和每转进给距离S来计算X₁和Y₁，飞机结构件闭角侧壁形状一般与Y₁轴平行，此时得出： 

X₁=0 

Y₁=W₁·S/360 

Z₁=r(1-cos(W₁))/tan(λ) 

上式中W₁为刀尖旋转的角度，通过W₁这个变量来求出刀具虚拟中心点在局部坐标系下的坐标值。此时刀尖点P的运动方程为： 

PX₁=rcos(W₁) 

PY₁=rsin(W₁)+W₁·S/360 

PZ₁=r(1-cos(W₁))/tan(λ) 

根据上式分析可知刀尖点是在与侧壁成λ度的腹板平面上做螺旋进给运动。 

步骤105:通过坐标转换将刀具虚拟中心点O₁在局部坐标系下的坐标值X₁、Y₁、Z₁转换成全局加工坐标系下的坐标值X、Y、Z，通过后置处理程序生成闭角清根数控加工程序。 

步骤106:使用5轴数控铣床，运用单刃铣刀通过数控加工程序控制单刃铣刀旋转角度W₁与刀具在空间运动的规律，使单刃铣刀主刀刃清除侧壁残留，刀尖与工件切削接触点P在腹板平面上做切削运动，即清除腹板残留，最终完成闭角的清根。 

下面以某飞机结构件闭角清根为例对本发明作更进一步的具体说明，本实施例以具体的数值计算加以说明，具体实施时可根据本发明的原理修改相应的参数，但这种修改仍属于本发明的保护范围中。 

图1所示为一种典型飞机结构件闭角结构，是经过前一工序加工后的状态图，图1中右角的黑板为待清根的部分，图1中左边的待清根部分与右边对称相同，图1中的闭角结构1包括闭角侧壁101和闭角腹板102，闭角角度λ＝70度，使用单刃刀片铣刀2在五轴数控机床上对闭角进行清根。具体的清根步骤如下： 

步骤101:如图1所示，根据清根工序前一把加工刀具半径R＝5，来确定清根铣刀半径r。根据r≥R+1mm，取r=6mm来保证腹板上的残留可以一次加工完成。为了完成闭角的清根，清根铣刀选用单刃刀片铣刀，铣刀刀尖夹角α要小于闭角角度即侧壁与腹板的夹角70度，取α＝60度。验证刀片 铣刀刀刃长度大于侧壁残留401的长度，因此r=6mm，α＝60度单刃刀片铣刀2满足清根的要求。 

步骤102:建立飞机结构件闭角清根加工局部坐标系，如图1和图2所示。记侧壁与腹板的交点为C，C点绕刀轴旋转的虚拟中心点为O₁，定义O₁点为清根加工局部坐标系原点，刀具沿刀轴离开工件方向为Z轴正方向，记为Z₁；从O₁点到C点定义为X轴的正方向，记为X₁；Y轴的正方向用右手定律判断，记为Y₁；定义主轴旋转运动为W轴，顺时针旋转方向为W轴的正方向，记为W₁，当刀尖点P过X轴正方向时，记W₁=0度，当刀尖点P过X轴负方向时，记W₁=180度。 

步骤103:确定刀具旋转360度时，进给方向即Y₁方向刀具进给的距离S，根据经验取S＝0.5mm，验算S是否满足允许的最大加工残留h＝0.1mm的要求。因为 $S=0.5<S_2=2\sqrt{6^2-{(6-0.1)}^2}=2.187,$ 所以满足加工的要求。 

步骤104:根据闭角角度值λ、刀具半径r及每转进给距离S，计算刀具虚拟中心点O₁在局部坐标系下的坐标值。坐标值是一个随变量W₁的变化的函数，取W₁＝0，1,2···359,刀具旋转每转取360个角度值离散求得360个坐标值，运用公式 

X₁=0 

Y₁=W₁·S/360 

Z₁=r(1-cos(W₁))/tan(λ) 

求得坐标值(单位mm)如下： 

旋转角度X₁Y₁Z₁

以上是刀具旋转360度内的刀具虚拟中心点的坐标值，刀具旋转其他角度的算法是相同的，此处略。 

步骤105:通过坐标转换将刀具虚拟中心点O₁在局部坐标系下的坐标值X₁、Y₁、Z₁转换成全局加工坐标系下的坐标值X、Y、Z，通过后置处理程序 生成闭角清根数控加工程序，程序的刀轨如图5所示。 

步骤106:使用5轴数控铣床，运用单刃铣刀通过数控加工程序控制单刃铣刀旋转角度W₁与刀具在空间运动的规律，使单刃铣刀主刀刃清除侧壁残留，刀尖与工件切削接触点P在腹板平面上做切削运动，即清除腹板残留，最终完成闭角的清根。 

经过上述步骤加工的闭角清根残留经检测结果在0.02-0.05mm，结果完全满足飞机结构件的设计要求，相比普通工艺加工的残留材料高度3-4mm有显著提高。 

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。 

Claims (7)

1.一种飞机结构件闭角清根方法，其特征是它包括以下步骤： 

首先，选择单刃刀片铣刀作为加工刀具，控制刀尖夹角α小于飞机结构件待加工闭角λ，使铣刀带有刀刃的一边与组成闭角的一个面平行； 

其次，建立飞机结构件闭角清根加工局部坐标系，记侧壁与腹板的交点为C，C点绕刀轴旋转的虚拟中心点为O₁，定义O₁点为清根加工局部坐标系原点，刀具沿刀轴离开工件方向为Z轴正方向，记为Z₁；从O₁点到C点定义为X轴的正方向，记为X₁；Y轴的正方向用右手定律判断，记为Y₁；定义主轴旋转运动为W轴，顺时针旋转方向为W轴的正方向，记为W₁，当刀尖点P过X轴正方向时记W₁=0度； 

第三，设定刀具旋转360度时，进给方向即Y₁方向刀具进给的距离为S； 

第四，根据闭角角度值λ、刀具半径r及每转进给距离S，计算刀具虚拟中心点O₁任一时点在局部坐标系下的坐标值X₁、Y₁、Z₁： 

X₁=0 

Y₁=W₁·S/360 

Z₁=r(1-cos(W₁))/tan(λ) 

并据此得出刀尖的运动轨迹方程： 

PX₁=rcos(W₁) 

PY₁=rsin(W₁)+W₁·S/360 

PZ₁=r(1-cos(W₁))/tan(λ) 

式中PX₁为刀尖运动轨迹的X坐标值，PY₁为刀尖运动轨迹的Y坐标值,PZ₁为刀尖运动轨迹的Z坐标值，r为刀具半径，W₁为刀具的转角； 

第五，通过坐标转换将上述刀具虚拟中心点O₁在局部坐标系下的坐标值X₁、Y₁、Z₁转换成全局加工坐标系下的坐标值X、Y、Z，并通过后置处理程序自动生成闭角清根数控加工程序； 

第六，使用五轴数控铣床，根据所生成的闭角清根数控加工程序控制单刃刀片铣刀旋转角度W₁与刀具在空间运动的规律，使单刃刀片铣刀主刀刃清除闭角残留，完成闭角的清根。 

2.根据权利要求1所述的飞机结构件闭角清根方法，其特征是所述的单刃刀片铣刀的刀具半径r由清根工序前一把加工刀具半径R确定，其值为r≥R+1mm以保证腹板上的残留可以一次加工完成。 

3.根据权利要求1所述的飞机结构件闭角清根方法，其特征是所述的单刃刀片铣刀尖夹角α小于闭角角度即侧壁与腹板的夹角值λ，单刃刀片铣刀刀刃长度要大于侧壁残留的长度。 

4.根据权利要求1或3所述的飞机结构件闭角清根方法，其特征是所述的单刃刀片铣刀尖夹角α不大于闭角λ的90%。 

5.根据权利要求1所述的飞机结构件闭角清根方法，其特征是所述的单刃刀片铣刀的进给量S由刀具半径r及闭角清根允许的最大加工残留h确定，即

6.根据权利要求1所述的飞机结构件闭角清根方法，其特征是所述的单刃刀片铣刀的进给量S的取值范围为0.1-0.5mm。 

7.根据权利要求1所述的飞机结构件闭角清根方法，其特征是所述的单刃刀片铣刀虚拟中心点O₁在局部坐标系下的坐标值的确定方法为： 

首先求出刀尖点P到侧壁与腹板的交点C在X₁方向上的距离A的值，A=CP₁=r-rcos(W₁)=r(1-cos(W₁)) 

其次，如果只进行旋转运动，刀轴不进行上下运动，刀尖点P将切削到P₁点，此时腹板将产生过切，如果把刀尖点P₁点沿Z₁方向移动到P点，刀尖点正好切在腹板上，因此Z₁=P₁P=CP₁/tan(λ)=r(1-cos(W₁))/tan(λ)； 

第三，根据闭角侧壁形状和每转进给距离S来计算X₁和Y₁，飞机结构件闭角侧壁形状一般与Y₁轴平行，此时得出： 

X₁=0 

Y₁=W₁·S/360 

Z₁=r(1-cos(W₁))/tan(λ) 

上式中W₁为刀尖旋转的角度，通过W₁这个变量来求出刀具虚拟中心点在局部坐标系下的坐标值，此时刀尖点P的螺旋进给运动方程为： 

PX₁=rcos(W₁) 

PY₁=rsin(W₁)+W₁·S/360 

PZ₁=r(1-cos(W₁))/tan(λ)。 

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