CN110309569B - 一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法 - Google Patents

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CN110309569B CN201910541067.9A CN201910541067A CN110309569B CN 110309569 B CN110309569 B CN 110309569B CN 201910541067 A CN201910541067 A CN 201910541067A CN 110309569 B CN110309569 B CN 110309569B
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Abstract

一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法，首先根据带有环形下陷特征的筒状结构件选择加工零件和角度头型号，再根据筒状结构件的环形下陷特征结构制定加工方案，并采用角度头加工筒状结构件环形下陷特征，编制角度头加工程序，采用CAM软件编制角度头加工程序，对角度头后置处理及超程优化处理生成角度头加工程序，传输并加载角度头加工程序；最后安装角度头并加工筒状结构件内壁环形下陷，本发明能够有效解决筒状结构件环形下陷特征的加工，并能拓展至狭窄空间内的曲面特征加工；同时有效解决C摆超程，对超程角度进行优化，以避免机床因超程而无法加工的问题。

Description

一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法。
背景技术
筒状结构件内部侧壁下陷为难加工结构特征，由于筒状结构直径尺寸较小，传统工艺方法只能通过人工修磨完成，不仅周期长、质量难保证，且对于全局环形下陷尤其是难加工材料环形下陷，人工修磨难度更大。对于宽度较大的环形下陷特征可采用T型刀进行加工，但对于宽度较大的非封闭局部环形下陷特征，采用T型刀加工后，下陷两端会形成斜角残余，需人工修磨残余；对于宽度较小的环形下陷特征受T型刀尺寸限制无法进行加工，可采用角度头进行加工，角度头主要用于钻孔、铣孔和定轴铣削。
对现有的技术文献检索发现，隋少春等在学术期刊《制造技术与机床》2012(11)，P24-27上发表论文“飞机结构件复杂结构数控分度头加工技术的应用研究”，李海的硕士学位论文“飞机复杂结构件角度头加工技术”以及向兵飞等在学术期刊《教练机》2016(1)，P11～15上发表论文“角度头加工技术在复杂结构件上的应用研究”，均对角度头加工技术在航空结构件上的应用进行了阐述，但三篇论文中均未对筒状结构件环形下陷特征加工方法进行论述，也未对角度头联动加工过程中C摆超程及处理方法进行论述。经查，尚无角度头联动加工过程中的角度超程优化处理方法。
筒状结构件内壁下陷特征的加工制约着产品的研制周期，急需一种加工方法解决环形下陷的加工难题和角度超程优化处理难题。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法，具体步骤如下：
步骤(1)根据带有环形下陷特征的筒状结构件选择加工零件和角度头型号；
步骤(2)根据筒状结构件的环形下陷特征结构制定加工方案，并采用角度头加工筒状结构件环形下陷特征；
步骤(3)编制角度头加工程序，采用CAM软件编制角度头加工程序；
步骤(4)对角度头后置处理及超程优化处理，具体处理流程如下：
①录入机床信息：机床C摆行程、用于圆弧插补位置计算的机床系统及圆弧插补计算方式，其中，圆弧插补计算方式包括圆弧插补和圆弧点位插补两种方式；
②录入超程计算信息：超程圆弧插补半径R、插补圆弧角度α和超程处理安全距离值
Figure BDA0002102569270000021
③逐行进行程序后置处理：根据CAM软件编制的前置文件逐行进行处理，程序后置处理包含点位计算、摆角计算、转速和进给速度处理、走刀方式处理，并记录点位和矢量值，其中，点位计算根据前置文件中的点位、矢量和刀具长度值计算得到，摆角计算根据机床运动链计算得到C值，刀尖点与回转中心P点之间的距离为L，前置点位为：X，Y，Z，I，J，K，
Figure BDA0002102569270000031
为前置刀具位置，
Figure BDA0002102569270000032
为前置刀轴矢量，后置处理完毕得到的角度头加工程序点位为：
Figure BDA0002102569270000033
④判断C摆超程并处理，将后置处理计算得到的C值与机床C摆行程进行对比，若在行程范围内，则继续执行下行程序；若机床C摆行程超程则进行优化处理，具体处理为：
a)获取P2点位的位置信息(X2,Y2)、矢量信息(I2,J2,K2)和后置得到的角度信息C2，根据P2信息和圆弧插补半径R计算得到圆弧进退刀的圆心位置O和P2与O点的P2O差值
Figure BDA0002102569270000034
(ΔXP2,ΔYP2)，计算如下：
XO＝X2+R×I2
YO＝Y2+R×J2
ΔXP2＝-R×I2
ΔYP2＝-R×J2
b)根据圆弧插补计算方式计算圆弧退刀点Ps和圆弧进刀点Pe，目的是在超程处将角度头与加工零件分离，避免直接抬刀而铣伤工件，计算圆弧退刀点Ps时扇形角度为α，计算圆弧进刀点Pe时扇形角度为-α，Ps和Pe的位置点为：
Figure BDA0002102569270000035
Figure BDA0002102569270000036
RZ为旋转矩阵，如下：
Figure BDA0002102569270000041
将圆弧退刀点Ps按照步骤③)中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照圆弧运动插入该点位；
c)根据超程处理安全距离值
Figure BDA0002102569270000042
计算并插入安全点，目的是避免角度优化时的大摆角运动铣伤或碰撞工件，在安全点对角度值进行最小值优化，以解决超程的问题，安全距离值
Figure BDA0002102569270000043
根据
Figure BDA0002102569270000044
得到
Figure BDA0002102569270000045
的单位矢量
Figure BDA0002102569270000046
根据
Figure BDA0002102569270000047
Dsafe、
Figure BDA0002102569270000048
和
Figure BDA0002102569270000049
计算得到安全点
Figure BDA00021025692700000410
和
Figure BDA00021025692700000411
计算如下：
Figure BDA00021025692700000412
Figure BDA00021025692700000413
在安全点对C摆超程进行最小值优化，最小值Cmin＝|C±2π·n|min，其中n为正整数，优化后得到C值为：
Figure BDA00021025692700000414
将PSS点按照步骤③)中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照线性运动插入点位和优化后的角度值；
d)将安全进刀点PSe按照步骤③)中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照线性运动插入点位，确保角度头在安全距离运动至安全进刀点；
e)将圆弧进刀点Pe按照步骤③)中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照线性运动插入该点位，目的是避免直接进刀而铣伤工件；
f)从Pe点按照圆弧运动至P点，并按照圆弧运动插入该点位；
对超程优化处理后再将P点插入圆弧进退刀、安全抬刀以及超程优化，将P3点的轨迹优化为P1-P2-Ps-Pss-Pse-Pe-P2-P3，以解决环形下陷铣削过程中机床超程的问题；
⑤继续逐行进行程序后置处理；
步骤(5)生成角度头加工程序；
步骤(6)传输并加载角度头加工程序；
步骤(7)安装角度头并加工筒状结构件内壁环形下陷。
在本发明中，步骤(3)中，角度头加工程序包括粗加工程序和精加工程序。
在本发明中，步骤(3)中，编制角度头加工程序时采用圆弧或折线进退刀的方式。
有益效果：
(1)本发明能够有效解决筒状结构件环形下陷特征的加工，并能拓展至狭窄空间内的曲面特征加工；
(2)本发明有效解决C摆超程，对超程角度进行优化，以避免机床因超程而无法加工的问题；
(3)本发明充分考虑零件实际生产情况和加工工艺方法，适用性广。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例的流程图。
图2为本发明的较佳实施例中的筒状结构件内壁环形下陷特征示意图。
图3为本发明的较佳实施例中的角度头加工环形下陷特征示意图。
图4为本发明的较佳实施例中的机床C摆超程处理示意图。
图5为本发明的较佳实施例中的机床C摆超程优化处理计算数学模型图。
标注：图2中，1为局部下陷特征，2为封闭环形下陷特征；
图3中，3为刀具，4为角度头；
图4中，P3为角度超程点，P2为超程上一点位，P1为超程前第二点位，PS为插入的圆弧退刀点，PSS为插入的安全位置角度优化点，PSe为插入的安全位置进刀点，Pe为插入的圆弧进刀点，R为圆弧半径，
Figure BDA0002102569270000061
为退刀安全距离；
图5中，(X,Y)表示相应点位的X坐标和Y坐标，O为插入的圆弧进退刀的圆心位置，α为圆弧进退刀的扇形角度。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1～5的一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法，具体步骤如下：
步骤(1)选择加工零件和角度头型号，根据被加工材料、环形下陷特征、下陷特征的结构尺寸以及角度头的结构尺寸选择合适的角度头型号，以满足加工性能和避免加工过程中的干涉，本实施例为筒状结构件，如图2所示，含局部下陷特征Pocket_Local和封闭环形下陷特征Pocket_Annular；
步骤(2)根据筒状结构件内壁环形下陷特征结构制定加工方案，测量局部下陷特征的宽度选择刀具直径，再根据局部下陷特征底角选择刀具底齿半径，封闭环形下陷特征分为粗加工和精加工，以防止切削过程中因切削力过大造成角度头直线度偏移，而导致后期加工程序的偏差，采用角度头加工筒状结构件内部环形下陷特征如图3所示；
步骤(3)编制角度头加工程序，采用CAM软件编制角度头加工程序，角度头加工程序包括粗加工程序和精加工程序，编制程序时采用圆弧或折线进退刀的方式，以避免安全距离与筒状结构件的干涉；
步骤(4)对角度头后置处理及超程优化处理，具体处理流程如下：
①录入机床信息：机床C摆行程、机床系统及圆弧插补计算方式，其中，机床C摆行程用于C摆超程判断，机床C摆行程为[Cmin，Cmax]，机床系统用于圆弧插补位置计算，圆弧插补计算方式有圆弧插补和圆弧点位插补两种方式；
②录入超程计算信息：超程圆弧插补半径R、插补圆弧角度α和超程处理安全距离值
Figure BDA0002102569270000071
③逐行进行程序后置处理：根据CAM软件编制的前置文件逐行进行处理，程序后置处理包含点位计算、摆角计算、转速和进给速度处理、走刀方式处理等，并记录点位和矢量值，其中，点位计算根据前置文件中的点位、矢量和刀具长度值计算得到，摆角计算根据机床运动链计算得到C值，刀尖点与回转中心P点之间的距离为L，前置点位为：X，Y，Z，I，J，K，
Figure BDA0002102569270000081
为前置刀具位置，
Figure BDA0002102569270000082
为前置刀轴矢量，后置处理完毕得到的角度头加工程序点位为：
Figure BDA0002102569270000083
前置点位信息如下：
FEDRAT/200.0000,MMPM
GOTO/54.25527,209.31987,200.50000,-0.228536,-0.973535,0.0
GOTO/49.50091,210.86778,200.50000,-0.228536,-0.973535,0.0
刀尖点与回转中心P点之间的距离为L＝97.5mm，计算得到的结果为：
G1X31.973Y114.4Z200.5A0.0C-13.211F200
X27.219Y115.948
④C摆超程判断并处理，将后置处理计算得到的C值与机床C摆行程进行对比，若在行程范围内，则继续执行下行程序；若机床C摆行程超程则进行优化处理，目的是解决机床运动过程中超程问题，机床的C摆超程处理及C摆超程优化处理计算数学模型分别如图4和图5所示，其刀具理论运行轨迹为P1-P2-P3，由于在P3存在C摆超程，优化后的刀具运行轨迹为P1-P2-Ps-Pss-Pse-Pe-P2-P3，以解决环形下陷铣削过程中机床超程的问题，具体处理为：
a)获取P2点位的位置信息(X2,Y2)、矢量信息(I2,J2,K2)和后置得到的角度信息C2，根据P2信息和圆弧插补半径R计算得到圆弧进退刀的圆心位置O和P2与O点的P2O差值
Figure BDA0002102569270000091
(ΔXP2,ΔYP2)，计算如下：
XO＝X2+R×I2
YO＝Y2+R×J2
ΔXP2＝-R×I2
ΔYP2＝-R×J2
b)根据圆弧插补计算方式计算圆弧退刀点Ps和圆弧进刀点Pe，目的是在超程处将角度头与加工零件分离，避免直接抬刀而铣伤工件，计算圆弧退刀点Ps时扇形角度为α，计算圆弧进刀点Pe时扇形角度为-α，Ps和Pe的位置点为：
Figure BDA0002102569270000092
Figure BDA0002102569270000093
RZ为旋转矩阵，如下：
Figure BDA0002102569270000094
具体计算值如下：
XS＝ΔXP2×cosα-ΔYP2×sinα+XO＝R×I2(1-cosα)+R×J2×sinα+X2
YS＝ΔXP2×sinα+ΔYP2×cosα+YO＝R×J2(1-cosα)-R×I2×sinα+Y2
Xe＝ΔXP2×cosα+ΔYP2×sinα+XO＝R×I2(1-cosα)-R×J2×sinα+X2
Ye＝-ΔXP2×sinα+ΔYP2×cosα+YO＝R×J2(1-cosα)+R×I2×sinα+Y2
圆弧退刀点Ps和圆弧进刀点Pe转换为根据已知的P2、R和α计算得到，再将圆弧退刀点Ps按照步骤③)中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照圆弧运动插入该点位；
c)根据超程处理安全距离值
Figure BDA0002102569270000101
计算并插入安全点，目的是避免角度优化时的大摆角运动铣伤或碰撞工件，在安全点对角度值进行最小值优化，以解决超程的问题，安全距离值
Figure BDA0002102569270000102
根据
Figure BDA0002102569270000103
得到
Figure BDA0002102569270000104
的单位矢量
Figure BDA0002102569270000105
根据
Figure BDA0002102569270000106
Dsafe、
Figure BDA0002102569270000107
和
Figure BDA0002102569270000108
计算得到安全点
Figure BDA0002102569270000109
和
Figure BDA00021025692700001010
计算如下：
Figure BDA00021025692700001011
Figure BDA00021025692700001012
在安全点对C2超程进行最小值优化，Pss点的角度CSS最小值如下：
CSS＝|C2±2π·n|min n＝1,2，3……
当C2±2π·n≥0时，C2＝CSS；当C2±2π·n＜0时，C2＝-CSS；
将PSS点按照步骤③)中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照线性运动插入点位和优化后的角度值C2；
d)将安全进刀点PSe按照步骤③)中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照线性运动插入点位，确保角度头在安全距离运动至安全进刀点；
e)将圆弧进刀点Pe按照步骤③)中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照线性运动插入该点位，目的是避免直接进刀而铣伤工件；
f)从Pe点按照圆弧运动至P点，并按照圆弧运动插入该点位；
对超程优化处理后再将P点插入圆弧进退刀、安全抬刀以及超程优化，将P3点的轨迹优化为P1-P2-Ps-Pss-Pse-Pe-P2-P3；
⑤继续逐行进行程序后置处理
针对角度头后置处理及超程优化处理，案例中机床C摆行程为[-200°，200°]，超程圆弧插补半径R＝5mm，圆弧插补扇形角度α＝75°，超程处理安全距离值Dsafe＝100mm，刀尖点与回转中心P点之间的距离为L＝97.5mm，采用CAM软件编制前置文件中的P1、P2、P3点如下：
GOTO/67.42874,-205.83713,200.50000,-0.311305,0.950310,0.0P1点
GOTO/71.10484,-204.59634,200.50000,-0.328277,0.944581,0.0P2点
GOTO/74.75813,-203.28990,200.50000,-0.345144,0.938550,0.0P3点
按照步骤③)中所述的方法进行后置处理得到P1、P2、P3点如下：
X37.077Y-113.182Z200.5C198.138F2000 P1点
X39.098Y-112.5Z200.5C199.164 P2点
X41.107Y-111.781Z200.5C200.191 P3点
P3点的C摆C3＝200.191°﹥200°，超出机床C摆行程范围，机床无法执行该程序，因此需采用步骤④)中所述的方法进行圆弧插补和角度优化处理，在PSS点进行角度优化，CSS＝C2-2π＝-160.836°，优化处理后的程序段如下：
G01X37.077Y-113.182Z200.5A0.0C198.138F2000 P1点
G01X39.098Y-112.5Z200.5C199.164 P2点
G03X42.443Y-107.414Z200.5I-1.641J4.723 圆弧退刀至Ps点
G00X42.443Y-107.414Z300.5 抬刀至PSS点
G00C-160.836 在PSS点C角优化
G00X33.319Y-110.585Z300.5 运行至PSe点
G00X33.319Y-110.585Z200.5 运动至Pe点
G03X39.098Y-112.5Z200.5I0.375J-0.927 圆弧进刀至P2点
G01X41.107Y-111.781Z200.5C-159.809 P3点
P3点的C摆C3＝-159.809°，在机床C摆行程范围内；
步骤(5)生成角度头加工程序，即将CAM软件编制的前置文件经后置处理和超程优化处理之后生成的加工程序；
步骤(6)传输并加载角度头加工程序，是指机床调用已处理的加工程序；
步骤(7)安装角度头并加工内壁环形下陷，安装并校直角度头，空运行预热后进行环形下陷特征加工即可。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤(1)根据带有环形下陷特征的筒状结构件选择加工零件和角度头型号；
步骤(2)根据筒状结构件的环形下陷特征结构制定加工方案，并采用角度头加工筒状结构件的环形下陷特征；
步骤(3)编制角度头加工程序，采用CAM软件编制角度头加工程序；
步骤(4)对角度头后置处理及超程优化处理，具体处理流程如下：
①录入机床信息：机床C摆行程、用于圆弧插补位置计算的机床系统及圆弧插补计算方式；
②录入超程计算信息：超程圆弧插补半径R、插补圆弧角度α和超程处理安全距离值
Figure FDA0003748777370000011
③逐行进行程序后置处理：根据CAM软件编制的前置文件逐行进行处理，其中，后置处理的点位计算根据前置文件中的点位、矢量和刀具长度值计算得到，摆角计算根据机床运动链计算得到C值，刀尖点与回转中心P点之间的距离为L，前置点位为：X,Y,Z,I,J,K，
Figure FDA0003748777370000012
为前置刀具位置矢量，
Figure FDA0003748777370000013
为前置刀轴矢量，后置处理完毕得到的角度头加工程序点位为：
Figure FDA0003748777370000014
④判断C摆超程并处理，将后置处理计算得到的C值与机床C摆行程进行对比，若在行程范围内，则继续执行下行程序；若机床C摆行程超程则进行优化处理，具体处理为：
a)获取P2点位的位置信息(X2,Y2)、矢量信息(I2,J2,K2)和后置得到的角度信息C2，根据P2信息和圆弧插补半径R计算得到圆弧进退刀的圆心位置O和P2与O点的P2O差值
Figure FDA0003748777370000021
(ΔXP2,ΔYP2)，计算如下：
XO＝X2+R×I2
YO＝Y2+R×J2
ΔXP2＝-R×I2
ΔYP2＝-R×J2
b)根据圆弧插补计算方式计算圆弧退刀点Ps和圆弧进刀点Pe，目的是在超程处将角度头与加工零件分离，避免直接抬刀而铣伤工件，计算圆弧退刀点Ps时扇形角度为α，计算圆弧进刀点Pe时扇形角度为-α，Ps和Pe的位置点为：
Figure FDA0003748777370000022
Figure FDA0003748777370000023
RZ为旋转矩阵，如下：
Figure FDA0003748777370000024
将圆弧退刀点Ps按照步骤③中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照圆弧运动插入该点位；
c)根据超程处理安全距离值
Figure FDA0003748777370000031
计算并插入安全点，目的是避免角度优化时的大摆角运动铣伤或碰撞工件，在安全点对角度值进行最小值优化，以解决超程的问题，安全距离值
Figure FDA0003748777370000032
根据
Figure FDA0003748777370000033
得到
Figure FDA0003748777370000034
的单位矢量
Figure FDA0003748777370000035
根据
Figure FDA0003748777370000036
Dsafe、
Figure FDA0003748777370000037
和
Figure FDA0003748777370000038
计算得到安全点
Figure FDA0003748777370000039
和
Figure FDA00037487773700000310
计算如下：
Figure FDA00037487773700000311
Figure FDA00037487773700000312
在安全点对C摆超程进行最小值优化，最小值Cmin＝|C±2π·n|min，其中n为正整数，优化后得到C值为：
Figure FDA00037487773700000313
将PSS点按照步骤③中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照线性运动插入点位和优化后的角度值；
d)将安全进刀点PSe按照步骤③中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照线性运动插入点位，确保角度头在安全距离运动至安全进刀点；
e)将圆弧进刀点Pe按照步骤③中所述的方法计算得到角度头加工程序点位并按照线性运动插入该点位，目的是避免直接进刀而铣伤工件；
f)从Pe点按照圆弧运动至P点，并按照圆弧运动插入该点位；
对超程优化处理后再将P点插入圆弧进退刀、安全抬刀以及超程优化，将P3点的轨迹优化为P1-P2-Ps-Pss-Pse-Pe-P2-P3，以解决环形下陷铣削过程中机床超程的问题；
⑤继续逐行进行程序后置处理；
步骤(5)生成角度头加工程序；
步骤(6)传输并加载角度头加工程序；
步骤(7)安装角度头并加工筒状结构件内壁环形下陷。
2.根据权利要求1所述的一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法，其特征在于，步骤(3)中，角度头加工程序包括粗加工程序和精加工程序。
3.根据权利要求1所述的一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法，其特征在于，步骤(3)中，编制角度头加工程序时采用圆弧或折线进退刀的方式。
4.根据权利要求1所述的一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法，其特征在于，步骤(4)中，圆弧插补计算方式包括圆弧插补和圆弧点位插补两种方式。
5.根据权利要求1所述的一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法，其特征在于，步骤(4)中，程序后置处理包括点位计算、摆角计算、转速和进给速度处理、走刀方式处理。
6.根据权利要求1所述的一种筒状结构件内壁环形下陷特征加工方法，其特征在于，校直角度头，空运行预热后进行环形下陷特征加工。
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