CN114065405A - 一种飞机结构件转角精铣加工切削宽度预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机结构件转角精铣加工切削宽度预测方法,包括直线进给接近转角阶段、圆弧进给加工转角阶段、直线进给远离转角阶段;所述直线进给接近转角阶段分为切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段,分别预测切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段的实际切削宽度;所述圆弧进给加工转角阶段分为刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段,分别预测刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段的实际切削宽度;在直线进给远离转角阶段,实际切削宽度a ei 与工艺设计给定的切削宽度a e相等。本发明基于各阶段分别预测精铣加工的切削宽度,实现准确预测飞机结构件转角特征铣削精加工工序的切削宽度,保证飞机结构件转角结构精铣加工质量。
Description
技术领域
本发明属于飞机结构件数控加工的技术领域,具体涉及一种飞机结构件转角精铣加工切削宽度预测方法。
背景技术
为了提升飞机结构件疲劳寿命、保证结构强度,两个面之间过渡部分通常设计为过渡圆角结构,两个相邻侧壁之间的过渡圆角称为“转角”,转角的加工成型是由刀具结构参数和走刀轨迹共同作用形成的。在转角加工过程中,由于走刀位置的变化带来切削宽度的时变,切削宽度的时变造成刀具所承受的载荷也具有时变特性,然而,这种载荷的时变不利于刀具的稳定切削,极易造成转角部位切削失稳,发生颤振、过切等严重质量事故,这种失稳现象又多发生在零件刚性较差的精加工工序环节。为了保证飞机结构件转角结构精铣加工质量,必须对铣削过程中时变的切削载荷进行控制,因此必须首先预期转角精加工过程中的切削宽度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞机结构件转角精铣加工切削宽度预测方法,基于各阶段分别预测精铣加工的切削宽度,实现准确预测飞机结构件转角特征铣削精加工工序的切削宽度,保证飞机结构件转角结构精铣加工质量。本发明为飞机结构件转角加工切削力建模、工艺参数优化、刀具优选等提供了较好的技术支撑。
本发明主要通过以下技术方案实现:
一种飞机结构件转角精铣加工切削宽度预测方法,包括直线进给接近转角阶段、圆弧进给加工转角阶段、直线进给远离转角阶段;所述直线进给接近转角阶段分为切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段,建立切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段之间临界点的精准位置模型,分别预测切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段的实际切削宽度;所述圆弧进给加工转角阶段分为刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段,建立刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段之间临界点的精准位置模型,分别预测刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段的实际切削宽度;在直线进给远离转角阶段,实际切削宽度a ei 与设计切削宽度a e相等。
为了更好地实现本发明,进一步地,切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段之间临界点的精准位置模型如下:
其中,坐标系原点位于过程转角的中心点位置,x轴垂直于转角接近端直线段,y轴垂直于转角远离端直线段,r 2为已加工表面转角半径,r t为刀具半径;切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段之间临界点的坐标为(x c1,y c1)。
为了更好地实现本发明,进一步地,在直线进给接近转角阶段,在刀具切削刃外轮廓接触到过程转角直线段与圆弧段的临界点之前,所述切削宽度恒定阶段的实际切削宽度a ei 为设计切削宽度a e,且保持稳定不变;在刀具切削刃外轮廓越过过程转角直线段与圆弧段的临界点之后,其与过程转角圆弧段接触,所述切削宽度时变阶段的实际切削宽度a ei 具有时变特性。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述切削宽度时变阶段的实际切削宽度a ei 为:
其中:
刀具中心点的实时坐标为(x ot,y ot),
r 1表示过程转角半径,r 2为已加工表面转角半径,r t为刀具半径。
为了更好地实现本发明,进一步地,刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段之间临界点的精准位置模型:
其中:
r 1表示过程转角半径,r 2为已加工表面转角半径,r t为刀具半径;刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段之间临界点的坐标为(x c2,y c2)。
为了更好地实现本发明,进一步地,刀具切削刃外轮廓到达临界点前,所述刀具外圆切转角阶段的实际切削宽度a ei 为:
其中:
刀具中心点的实时坐标为(x ot,y ot),
刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段之间临界点的坐标为(x c2,y c2),
x w为当前刀具切削刃外轮廓与过程转角圆弧段交点的x向坐标:
其中:
为了更好地实现本发明,进一步地,刀具切削刃外轮廓到达临界点后,所述刀具外圆切直线阶段的实际切削宽度a ei 为:
其中:
x w为:
其中:
为了更好地实现本发明,进一步地,当刀具切削刃外轮廓到达过程转角圆弧端与远离端直线段交点时,刀具中心点仍在刀轨圆弧段进给运动。
本发明的有益效果:
本发明用于飞机结构件转角结构特征精加工工序切削宽度的准确预测,首先根据转角结构、刀具结构、工艺参数的比较关系,将转角加工过程划分为三个阶段,进而根据刀具切削刃外轮廓与过程转角直线段和圆弧段的接触关系对以上三个阶段进行了详细划分,从而建立数值关系模型求解得到转角加工每个阶段的实时切削宽度,实现切削宽度的准确预测,为飞机结构件转角加工切削力建模、工艺参数优化、刀具优选等提供技术支撑,具有较好的实用性。
附图说明
图1是本发明的流程图;
图2是飞机结构件转角精加工示意图;
图3是直线进给接近转角阶段的切削刃外轮廓加工直线段示意图;
图4是直线进给接近转角阶段的切削刃外轮廓加工圆弧段示意图;
图5是圆弧进给加工转角阶段的切削刃外轮廓到达过程转角圆弧段与直线段交点时,刀具中心点仍在进行圆弧进给的判定示意图;
图6是圆弧进给加工转角阶段的切削刃外轮廓加工圆弧段示意图;
图7是圆弧进给加工转角阶段的切削刃外轮廓加工直线段示意图;
图8是直线进给远离转角阶段的加工示意图。
其中:1、切削刃外轮廓;2、过程转角轮廓;3、设计转角轮廓;4、刀具中心轨迹;5、过程转角圆弧中心点;6、设计转角圆弧中心点;7、刀具中心点;8、刀具轨迹直线接近段与圆弧段交点;9、刀具轨迹圆弧段与直线远离段交点;10、过程转角直线接近段与圆弧段交点;11、过程转角圆弧段与直线远离段交点;12、设计转角直线接近段与圆弧段交点;13、设计转角圆弧段与直线远离段交点;14、刀具切削刃与过程转角直线远离段交点;15、两垂线交点。
具体实施方式
实施例1:
一种飞机结构件转角精铣加工切削宽度预测方法,将转角精铣加工分为直线进给接近转角阶段、圆弧进给加工转角阶段、直线进给远离转角阶段;所述直线进给接近转角阶段分为切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段,建立切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段之间临界点的精准位置模型,分别预测切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段的实际切削宽度;所述圆弧进给加工转角阶段分为刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段,建立刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段之间临界点的精准位置模型,分别预测刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段的实际切削宽度;在直线进给远离转角阶段,实际切削宽度a ei 与设计切削宽度a e相等。
本发明用于飞机结构件转角结构特征精加工工序切削宽度的准确预测,首先根据转角结构、刀具结构、工艺参数的比较关系,将转角加工过程划分为三个阶段,进而根据刀具切削刃外轮廓1与过程转角直线段和圆弧段的接触关系对以上三个阶段进行了详细划分,从而建立数值关系模型求解得到转角加工每个阶段的实时切削宽度,实现切削宽度的准确预测,为飞机结构件转角加工切削力建模、工艺参数优化、刀具优选等提供技术支撑,具有较好的实用性。
实施例2:
本实施例是在实施例1的基础上进行优化,切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段之间临界点的精准位置模型如下:
其中,坐标系原点位于过程转角的中心点位置,x轴垂直于转角接近端直线段,y轴垂直于转角远离端直线段,r 2为已加工表面转角半径,r t为刀具半径;切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段之间临界点的坐标为(x c1,y c1)。
进一步地,在直线进给接近转角阶段,在刀具切削刃外轮廓1接触到过程转角直线段与圆弧段的临界点之前,所述切削宽度恒定阶段的实际切削宽度a ei 为设计切削宽度a e,且保持稳定不变;在刀具切削刃外轮廓1越过过程转角直线段与圆弧段的临界点之后,其与过程转角圆弧段接触,所述切削宽度时变阶段的实际切削宽度a ei 具有时变特性。
进一步地,所述切削宽度时变阶段的实际切削宽度a ei 为:
其中:
刀具中心点7的实时坐标为(x ot,y ot),
r 1表示过程转角半径,r 2为已加工表面转角半径,r t为刀具半径。
进一步地,刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段之间临界点的精准位置模型:
其中:
r 1表示过程转角半径,r 2为已加工表面转角半径,r t为刀具半径;刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段之间临界点的坐标为(x c2,y c2)。
本实施例的其他部分与实施例1相同,故不再赘述。
实施例3:
本实施例是在实施例1或2的基础上进行优化,刀具切削刃外轮廓1到达临界点前,所述刀具外圆切转角阶段的实际切削宽度a ei 为:
其中:
刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段之间临界点的坐标为(x c2,y c2),
x w为当前刀具切削刃外轮廓1与过程转角圆弧段交点的x向坐标:
其中:
进一步地,刀具切削刃外轮廓1到达临界点后,所述刀具外圆切直线阶段的实际切削宽度a ei 为:
其中:
x w为:
其中:
进一步地,当刀具切削刃外轮廓1到达过程转角圆弧端与远离端直线段交点时,刀具中心点7仍在刀轨圆弧段进给运动。
本发明用于飞机结构件转角结构特征精加工工序切削宽度的准确预测,首先根据转角结构、刀具结构、工艺参数的比较关系,将转角加工过程划分为三个阶段,进而根据刀具切削刃外轮廓1与过程转角直线段和圆弧段的接触关系对以上三个阶段进行了详细划分,从而建立数值关系模型求解得到转角加工每个阶段的实时切削宽度,实现切削宽度的准确预测,为飞机结构件转角加工切削力建模、工艺参数优化、刀具优选等提供技术支撑,具有较好的实用性。
本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同,故不再赘述。
实施例4:
一种飞机结构件转角精铣加工切削宽度预测方法,如图1所示,包括以下步骤:
S1:依据飞机结构件转角精铣加工工序特点,给定转角结构特征参数(过程转角半径即未加工转角半径r 1、转角设计半径r 2)、加工工艺参数(切削宽度a e)、刀具结构参数(刀具半径r t)等几何量之间的比较关系。
如图2所示,刀具切削刃外轮廓1切削过程转角轮廓2(即未加工转角表面),切削完成后形成设计转角轮廓3(即已加工转角表面),刀具中心沿刀具中心轨迹4进行进给运动。在飞机结构件转角精加工工序中,转角结构特征参数、加工工艺参数、刀具结构参数等几何量之间,存在以下比较关系:
(1)轴向切削余量(切削深度a p)大,径向切削余量(切削宽度a e)小,与转角相连的两个侧壁的切削宽度a e相等,且a e一般远小于刀具半径r t;
(2)精加工之前所形成的过程转角半径r 1大于或等于设计转角半径r 2;
(3)刀具半径r t(r=D t/2)略小于设计转角半径r 2,刀具轨迹在加工圆角过程中存在明显的圆弧运动过程,其半径为(r 2-r t);
(4)连接转角结构的两个筋条的夹角一般呈直角分布。
S2:根据转角结构特征参数、加工工艺参数、刀具结构参数、刀具位置等的相对关系,将转角铣削精加工过程分为三个阶段:直线进给接近转角阶段、圆弧进给加工转角阶段、直线进给远离转角阶段。
转角加工实际切削宽度a ei 决定于转角结构特征参数、加工工艺参数和刀具结构参数,刀具相对于转角的位置不同,实际切削宽度a ei 显著不同。如图3所示:
(1)刀具中心点7沿刀具中心轨迹4进给运动,在到达刀具轨迹直线接近段与圆弧段交点8之前,刀具一直沿直线运动,这一阶段为:直线进给接近转角阶段;
(2)当刀具中心点7越过刀具轨迹直线接近段与圆弧段交点8之后,而未到达刀具轨迹圆弧段与直线远离段交点9之前,这一阶段为:圆弧进给加工转角阶段;
(3)当刀具中心点7越过刀具轨迹圆弧段与直线远离段交点9之后,这一阶段为:直线进给远离转角阶段。
S3:在直线进给接近转角阶段中,根据刀具切削刃外圆轮廓与过程转角表面的相对接触关系,将其进一步分为切削宽度恒定和切削宽度时变两个小阶段,并给出两个小阶段之间临界点的精准位置模型。
刀具沿直线进给接近转角过程中,如图3所示,在刀具切削刃外轮廓1接触到过程转角直线接近段与圆弧段交点10之前,实际切削宽度a ei 为设计切削宽度a e,且保持稳定不变;如图4所示,在刀具切削刃外轮廓1越过过程转角直线接近段与圆弧段交点10之后,其与过程转角圆弧段接触,实际切削宽度a ei 具有时变特性。首先给出刀具切削刃外轮廓1到达此临界点时,刀具中心坐标位置模型,为:
其中,坐标系原点位于过程转角圆弧中心点5位置,x轴垂直于转角接近端直线段,y轴垂直于转角远离端直线段,r 2为已加工表面转角半径,r t为刀具半径。如图3所示,过程转角圆弧中心点5的一侧设置有设计转角圆弧中心点6,过程转角直线接近段与圆弧段交点10和设计转角直线接近段与圆弧段交点12的外侧分别设置有设计转角直线接近段与圆弧段交点12和设计转角圆弧段与直线远离段交点13。切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段之间临界点的坐标为(x c1,y c1)。
S4:根据步骤S3中两个小阶段的刀具、刀轨、转角等几何关系,给出切削宽度恒定和切削宽度时变两个小阶段实际切削宽度的精准预测方法。
工况A01:如图3所示,刀具到达过程转角直线接近段与圆弧段交点10前,实际切削宽度a ei 为原始切削宽度a e;
工况A02:如图4所示,刀具到达过程转角直线接近段与圆弧段交点10后,实际切削宽度a ei 用下式表达:
r 1表示过程转角半径,x ot和y ot表示刀具中心点7的实时坐标位置,其变化范围定义如下:
S5:根据刀具切削刃外轮廓1与过程转角轮廓2的接触关系,判定:当刀具切削刃外轮廓1到达过程转角圆弧端与直线段交点时,刀具中心点7仍在刀轨的圆弧段进给运动。
在进行此阶段切削宽度建模前,需要首先明确在精加工工序状态下,是刀具中心点7先到达刀具轨迹圆弧段与直线远离段交点9,还是刀具切削刃外轮廓1先到达过程转角圆弧段与直线远离段交点11。如图5所示,当刀具中心点7到达刀具轨迹圆弧段与直线远离段交点9时,刀具切削刃外轮廓1与过程转角交点的x向坐标为:
过程转角圆弧段与直线远离段交点11的x向坐标为:
且根据转角加工特征“切削宽度a e一般远小于刀具半径r t”判定:x 02应远小于x 01,即:
由此得知,当刀具切削刃外轮廓1到达过程转角圆弧段与直线远离段交点11时,刀具中心点7未到达刀具轨迹圆弧段与直线远离段交点9,即仍在刀轨圆弧段进给运动。
如图5所示,所述过程转角圆弧段与直线远离段交点11的左侧为两垂线交点15,且右侧为刀具切削刃与过程转角直线远离段交点14。
S6:在圆弧进给加工转角阶段中,根据刀具切削刃外圆轮廓与过程转角的相对接触关系,将其进一步划分为刀具外圆切转角和刀具外圆切直线两个小阶段,并给出两个小阶段之间临界点的精准位置模型。
刀具中心沿刀轨圆弧进给过程中,如图6所示,刀具切削刃外轮廓1首先在过程转角圆弧段进行切削加工,当刀具切削刃外轮廓1越过过程转角圆弧段与直线远离段交点11后,继续在过程转角远离端直线段进行切削,因此将这一过程划分为:刀具外圆切转角和刀具外圆切直线两个小阶段,并首先确定刀具切削刃外轮廓1接触到过程转角圆弧段与直线远离段交点11时,刀具中心点7的坐标位置为:
S7:根据步骤S6中两个小阶段的刀具、刀轨、转角等几何相对关系,给出刀具外圆切转角和刀具外圆切直线两个小阶段实际切削宽度的精准预测方法。
工况B01:如图7所示,刀具切削刃外轮廓1到达过程转角圆弧段与直线远离段交点11前,实际切削宽度a ei 为:
工况B01:如图8所示,刀具切削刃外轮廓1到达过程转角圆弧段与直线远离段交点11后,实际切削宽度a ei 为:
x w由下式确定:
S8:在直线进给远离转角阶段中,实际切削宽度与设计切削宽度相等。
在直线进给远离转角阶段中,实际切削宽度a ei 表示为:
工况C01:实际切削宽度a ei =a e。
本发明用于飞机结构件转角结构特征精加工工序切削宽度的准确预测,首先根据转角结构、刀具结构、工艺参数的比较关系,将转角加工过程划分为三个阶段,进而根据刀具切削刃外轮廓1与过程转角直线段和圆弧段的接触关系对以上三个阶段进行了详细划分,从而建立数值关系模型求解得到转角加工每个阶段的实时切削宽度,实现切削宽度的准确预测,为飞机结构件转角加工切削力建模、工艺参数优化、刀具优选等提供技术支撑,具有较好的实用性。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化,均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种飞机结构件转角精铣加工切削宽度预测方法,其特征在于,包括直线进给接近转角阶段、圆弧进给加工转角阶段、直线进给远离转角阶段;所述直线进给接近转角阶段分为切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段,建立切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段之间临界点的精准位置模型,分别预测切削宽度恒定阶段和切削宽度时变阶段的实际切削宽度;所述圆弧进给加工转角阶段分为刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段,建立刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段之间临界点的精准位置模型,分别预测刀具外圆切转角阶段和刀具外圆切直线阶段的实际切削宽度;在直线进给远离转角阶段,实际切削宽度a ei 与设计切削宽度a e相等。
3.根据权利要求1或2所述的一种飞机结构件转角精铣加工切削宽度预测方法,其特征在于,在直线进给接近转角阶段,在刀具切削刃外轮廓接触到过程转角直线段与圆弧段的临界点之前,所述切削宽度恒定阶段的实际切削宽度a ei 为设计切削宽度a e,且保持稳定不变;在刀具切削刃外轮廓越过过程转角直线段与圆弧段的临界点之后,其与过程转角圆弧段接触,所述切削宽度时变阶段的实际切削宽度a ei 具有时变特性。
8.根据权利要求5-7任一项所述的一种飞机结构件转角精铣加工切削宽度预测方法,其特征在于,当刀具切削刃外轮廓到达过程转角圆弧端与远离端直线段交点时,刀具中心点仍在刀轨圆弧段进给运动。
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2022
- 2022-01-17 CN CN202210046215.1A patent/CN114065405B/zh active Active
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---|---|
CN114065405B (zh) | 2022-05-10 |
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