CN114603188A - 一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，包括步骤1、确定飞机部件缘条外形预留加工余量，并通过更改工艺模型增加预留加工余量；步骤2、根据等余量切削原则，计算程编辅助面角度；步骤3、根据辅助面角度，创建用于生成轨迹的程编辅助面；步骤4、根据缘条结构类型确定程编辅助面位置，实现轴向优先轨迹规划；步骤5、根据程编辅助面角度和程编辅助面，生成轴向优先轨迹并进行缘条外形铣削。本发明可解决现有的飞机部件薄壁缘条外形加工存在弹刀、振动大以及增刚困难等问题。

Description

一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法

技术领域

本发明属于飞机结构装配技术领域，具体涉及一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法。

背景技术

随着飞机对机动、寿命以及隐身等性能指标要求的不断提高，对飞机部件，尤其是涉及到装配定位、机表阶差的工艺孔、交点孔以及外形等关键特征部件的装配精度要求也越来越严格。为满足装配后飞机部件外形的精确控制，在零件缘条外形上预留一定的加工余量，骨架装配完后对外形预留的加工余量进行数控加工，以消除零件数控加工装夹应力和加工残余应力引起的变形以及装配过程误差累积，典型飞机部件骨架如图1所示。

由于飞机结构轻量化的要求，主要框、梁类零件大多数采用薄壁结构设计，飞机部件外形与蒙皮贴合，在满足蒙皮结构设计的情况下会导致框、梁类零件缘条较高，形成了薄壁高缘条结构，其结构刚性无法满足数控高速铣削的要求。而一般的零件加工，在精加工工序前会根据零件自身结构刚性预留3mm以上的加工余量，并采用“专用工装+工艺凸台压紧”的装夹方式，零件加工过程的刚性与稳定性满足数控铣削的要求。部件骨架加工的装夹方式无法与零件加工状态一致，在加工过程中主要存在以下问题：

缘条外形加工预留余量为1mm，加工前对待切削区域刚性改善效果较小，高缘条、薄壁、悬空等结构加工工艺性较差；

现有的加工工艺采用“粗加工-半精加工-精加工”的逐层加工(径向优先)策略，每层的去除量分别为0.2mm、0.5mm、0.3mm。随着加工余量逐层去除，待加工区域的刚性逐渐减弱，半精加工、精加工易出现弹刀、加工振动大等异常现象；

对于弱刚性结构，加工前使用机械连接的进行增刚，以保证加工过程的稳定性，但存在增刚装置设计结构复杂与拆装困难、加工过程干涉与脱落等问题。

针对上述存在加工弹刀、振动异常、增刚困难等问题，现有的加工工艺已无法满足其加工需求，亟需新的工艺方法提高飞机部件薄壁缘条外形的加工效率及稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，可解决现有的飞机部件薄壁缘条外形加工存在弹刀、振动大以及增刚困难等问题。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，包括：

步骤1、确定飞机部件缘条外形预留加工余量，并通过更改工艺模型增加预留加工余量；

步骤2、根据等余量切削原则，计算程编辅助面角度；

步骤3、根据辅助面角度，创建用于生成轨迹的程编辅助面；

步骤4、根据缘条结构类型确定程编辅助面位置，实现轴向优先轨迹规划；

步骤5、根据程编辅助面角度和程编辅助面，生成轴向优先轨迹并进行缘条外形铣削。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的步骤1中，当缘条高度≥50mm时，保持缘条理论厚度尺寸t2不变，确定缘条外形预留加工余量，通过更改工艺模型，在零件状态时增加缘条外形预留加工余量t1，保证t1+t2≥5mm。

上述的步骤2中，根据等余量切削原则，保证每层材料去除量均匀，建立程编辅助面角度、刀具摆角、切深、切宽的数学关系，计算求解程编辅助面角度β。

上述的程编辅助面角度、刀具摆角、切深、切宽的数学关系为：

β＞α

90°-β＞α

S₂＝S₃＝……S_n

其中，α为刀具摆角、Ap为切深、Ae为切宽，Sn为刀具切削时每层材料去除的截面积。

上述的步骤3包括：

步骤301、提取零件腹板特征平面与缘条外形的交线作为辅助面的长度曲线；

步骤302、以长度曲线为基准作出宽度曲线；

所述宽度曲线垂直于长度曲线，并与缘条外形面的夹角为β；

步骤303、宽度曲线沿长度曲线进行扫掠出程编辅助面，完成程编辅助面创建。

上述的步骤3中，当零件为双面缘条结构时，根据加工轨迹规划需创建两个程编辅助面，并保证两个辅助面的公共距离，即在创建完程第一编辅助面的基础上，偏移腹板平面，重复创建用于生成轨迹的程编辅助面操作，做出第二个辅助面。

上述的步骤4中，根据优先沿刀具的轴向分层进行切削的策略：

对于单缘条结构，采用从缘条顶面铣至腹板面的走刀策略，将程编辅助面设置在腹板根部；

对于双面缘条结构，分别从两侧缘条铣至中间腹板处，创建两个程编辅助面。

上述的步骤5根据程编辅助面角度和程编辅助面，结合刀具摆角、切深、切宽参数，生成轴向优先轨迹并进行薄壁缘条外形的铣削。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明提出了等余量轴向优先走刀轨迹，解决了弱刚性结构加工弹刀问题，在加工效率基本不变的同时，避免了现场降速加工、安装工艺增刚件。

2)本发明提出的角度计算以及辅助面创建方法能够指导程编，大量减少工艺人员重复劳动，提高程编效率。

附图说明

图1是典型飞机部件骨架结构示意图；

图2是预留加工余量示意图；

图3是径向优先和轴向优先加工材料去除对比示意图；

图4是轴向优先每层材料去除量示意图；

图5是轴向优先参数和走刀轨迹示意图；

图6是程编辅助面示意图；

图7是双侧缘条结构程编辅助面示意图；

图8是单面/双面缘条结构的走刀轨迹示意图；

图9是轴向优先轨迹示意图；

图10是本发明方法流程图。

附图标记为：1、待加工缘条外形；2、外形预留加工余量；3、刀具；4、双缘条结构；5、腹板提取平面；6、辅助面长度曲线；7、辅助面宽度曲线；8、第一程编辅助面；9、腹板提取平面偏移后平面；10、第二程编辅助面；11、轴向优先走刀轨迹。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参见图10，本发明一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，包括：

步骤1、确定飞机部件缘条外形预留加工余量2，并通过更改工艺模型增加预留加工余量，以满足其加工刚性需求：

确定待加工缘条外形1的预留余量，具体做法如下：

由于目前缘条外形加工预留余量t₁＝1mm，零件缘条厚度t₂一般为2～3mm，加工前总厚度为3～4mm；

当缘条高度h≥50mm时，待加工区域的缘条刚性减弱，加工过程中可能出现弹刀现象。

而待加工结构的厚度尺寸直接影响其结构刚性，因此需增加弱刚性缘条的厚度以保证其加工刚性，本专利采用的方法是：

在不改变结构设计的情况下，通过更改工艺模型，将零件缘条外形处预留的加工余量t₁增大，保证t₁+t₂≥5mm。

实施例：当待加工缘条1高度h≥50mm时，保持缘条1理论厚度尺寸t₂不变，增加外形预留加工余量t₁，保证t₁+t₂≥5mm,，并更改工艺模型，如图2所示。

加工余量增加后，如仍采用径向优先逐层铣削的方式，随着加工余量的减少，待加工区域刚性逐渐减弱，无法保证切削过程的稳定性。因此，本发明提出了等余量轴向优先的走刀方式，最大限度的保留未加工结构的刚性，通过结构自身刚性的增刚实现弱刚性区域的稳定加工，加工原理如图3所示。相比于径向优先铣削厚度逐渐减少，轴向优先铣削在加工图示虚线区域的时候，剩余待加工区域可有效增强零件本身的刚性。等余量轴向切削的实施包括角度计算、创建程编辅助面以及轨迹规划，具体实施内容包括步骤2-4：

步骤2、根据等余量切削原则，计算程编辅助面角度：

为保证切削过程平稳，每层材料去除量应尽量保持均匀，即每层材料去除量截面积S₁≤S₂＝S_n(n≥3)、S₂-S₁≤20％×S₂，图4为每一层材料去除截面示意。α为刀具3沿材料去除方向的摆角，为满足切削需求和防止干涉碰撞，一般取10°～20°，β为程编辅助面与零件缘条外形的夹角，当β＝90°或者90°-β＜α时，刀具3在执行轨迹③时会将轨迹④的余料切除，同理轨迹⑥影响轨迹⑦。因此，为满足等余量切削，α、β、切深Ap、切宽Ae等变量如图5所示，需满足以下关系：

β＞α

90°-β＞α

S₂＝S₃＝……S_n

实施例：根据等余量切削原则以及程编辅助面角度β、刀具3摆角α、切深Ap、切宽Ae等因素关系公式，计算角度β。

α一般为10°～20°，Ap＝(0.6～1)×Ae，为保证加工效率和表面质量，Ae＝1mm。因此，当α＝15°、Ap＝0.8mm、Ae＝1mm时，计算得出β≈2×α＝30°，图示4所示的S₁＝0.675mm²，S₂＝S₃＝0.717mm²，(S₂-S₁)/S₂＝0.059＜20％。

步骤3、为方便进行轴向优先轨迹的规划，根据计算的辅助面角度β，创建用于生成轨迹程编辅助面,包括：

步骤301、提取零件腹板特征平面与缘条外形的交线作为辅助面的长度曲线；

步骤302、以长度曲线为基准作出宽度曲线；

所述宽度曲线垂直于长度曲线，其长度L1＝30～40mm，并与缘条外形面的夹角为β；

步骤303、宽度曲线沿长度曲线进行扫掠出程编辅助面，如图6所示，完成程编辅助面创建。

当零件为双面缘条结构时，根据加工轨迹规划需创建两个程编辅助面，并保证两个辅助面的公共距离L₂＝3～5mm，即在创建完程第一编辅助面的基础上，偏移腹板平面3～5mm，重复上述创建用于生成轨迹的程编辅助面操作，做出第二个辅助面。

实施例：根据步骤2确定的程编辅助面角度，创建程编辅助面。

提取腹板特征平面，取腹板提取平面5与待加工缘条外形1的交线作为辅助面长度曲线6，辅助面宽度曲线7垂直于辅助面长度曲线6，其长度L₁＝30_～40mm，并与缘条面1的夹角为β＝30°，辅助面宽度曲线7沿着辅助面长度曲线6进行扫掠出程第一编辅助面8，如图6所示。

当零件为双面缘条特征结构时，腹板提取平面5至腹板提取平面偏移后平面9，偏移量即为辅助面公共距离L₂，一般取3_～5mm，重复上述创建程编辅助面操作，做出第二程编辅助面10，如图7所示。

步骤4、根据缘条结构类型确定程编辅助面位置，实现轴向优先轨迹规划：

根据步骤2、步骤3的相关参数和辅助面，进行轴向优先加工轨迹规划。

根据优先沿刀具3的轴向分层进行切削的策略：

所述优先沿刀具3的轴向分层进行切削，即轴向分层→径向(1层)→轴向分层→径向(1层)→轴向分层…，以轴向分3层为例，轴向优先走刀轨迹11如图5所示：①②③→④⑤⑥→⑦⑧⑨。

从刚性较弱的区域逐渐铣至刚性较好的区域，对于单缘条结构，采用从缘条顶面铣至腹板面的走刀策略，程编辅助面设置在腹板根部；对于双缘条结构4，分别从两侧缘条铣至中间腹板处，创建两个辅助面，辅助面公共距离L₂＝3_～5mm，如图8所示。

步骤5、根据程编辅助面角度和程编辅助面，结合刀具3摆角、切深、切宽参数，生成轴向优先轨迹并进行薄壁缘条外形的铣削。

实施例：采用直径D＝12～20mm的整体多齿刀具3进行定摆角行切加工，刀具3底角R≥3，生成的加工轨迹如图9所示。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，其特征在于，包括：

步骤1、确定飞机部件缘条外形预留加工余量，并通过更改工艺模型增加预留加工余量；

步骤2、根据等余量切削原则，计算程编辅助面角度；

步骤3、根据辅助面角度，创建用于生成轨迹的程编辅助面；

步骤4、根据缘条结构类型确定程编辅助面位置，实现轴向优先轨迹规划；

步骤5、根据程编辅助面角度和程编辅助面，生成轴向优先轨迹并进行缘条外形铣削。

2.根据权利要求1所述的一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，其特征在于，所述步骤1中，当缘条高度≥50mm时，保持缘条理论厚度尺寸t₂不变，确定缘条外形预留加工余量，通过更改工艺模型，在零件状态时增加缘条外形预留加工余量t₁，保证t₁+t₂≥5mm。

3.根据权利要求1所述的一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，其特征在于，所述步骤2中，根据等余量切削原则，保证每层材料去除量均匀，建立程编辅助面角度、刀具摆角、切深、切宽的数学关系，计算求解程编辅助面角度β。

4.根据权利要求3所述的一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，其特征在于，所述程编辅助面角度、刀具摆角、切深、切宽的数学关系为：

β＞α

90°-β＞α

S₂＝S₃＝……S_n

其中，α为刀具摆角、Ap为切深、Ae为切宽，Sn为刀具切削时每层材料去除的截面积。

5.根据权利要求1所述的一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤301、提取飞机部件腹板特征平面与缘条外形的交线作为辅助面的长度曲线；

步骤302、以长度曲线为基准作出宽度曲线；

所述宽度曲线垂直于长度曲线，并与缘条外形面的夹角为β；

步骤303、宽度曲线沿长度曲线进行扫掠出程编辅助面，完成程编辅助面创建。

6.根据权利要求1所述的一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，其特征在于，所述步骤3中，当飞机部件为双面缘条结构时，根据加工轨迹规划需创建两个程编辅助面，并保证两个辅助面的公共距离，即在创建完程第一编辅助面的基础上，偏移腹板平面，重复创建用于生成轨迹的程编辅助面操作，做出第二个辅助面。

7.根据权利要求1所述的一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，其特征在于，所述步骤4中，根据优先沿刀具的轴向分层进行切削的策略：

对于单缘条结构，采用从缘条顶面铣至腹板面的走刀策略，将程编辅助面设置在腹板根部；

对于双面缘条结构，分别从两侧缘条铣至中间腹板处，创建两个程编辅助面。

8.根据权利要求1所述的一种飞机部件高精度薄壁缘条外形的铣削方法，其特征在于，所述步骤5根据程编辅助面角度和程编辅助面，结合刀具摆角、切深、切宽参数，生成轴向优先轨迹并进行薄壁缘条外形的铣削。

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