CN115194549A - 一种u形摆线铣削工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种U形摆线铣削工艺，刀具轨迹由多个摆线循环组成；每一个摆线循环内的刀具轨迹为由依次相连的四段区域组成的U形摆线，四段区域分别为：圆弧线Ⅰ、步进连接线、圆弧线Ⅱ和过渡线；所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ对应半径相同的摆线圆，所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ分别与待加工工件的左、右边界线相切；所述步进连接线位于所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ之间且两端分别与所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ相切；所述过渡线一端连接至所述圆弧线Ⅱ端点，另一端连接至下一个摆线循环的所述圆弧线Ⅰ的起点。本发明的技术方案解决了常规加工工艺载荷突变明显，加工余量大，成型效率低的问题。

Description

一种U形摆线铣削工艺

技术领域

本发明涉及型腔构件粗加工技术领域，具体而言，尤其涉及一种U形摆线铣削工艺。

背景技术

型腔结构件广泛应用于航空航天、能源动力等领域，随着工业技术的飞速发展，需求量急剧增加。目前，通过技术手段将一个初始毛坯，以切削加工的手段在数控机床上完成材料成型是型腔结构件高能效加工的重要方法。这类零部件成型中有超过70％的加工余量是在粗加工中去除的。材料粗加工是毛坯成型的关键步骤，加工效率的提高直接影响生产力水平。在切削加工中，影响加工效率的因素，例如刀具的几何结构、工件和刀具材料以及加工所选加工工艺等，其中合适的工艺方法可以直接改善加工效率，缩短工艺整体时间。层铣法作为一种传统的加工方法，轨迹规划简单，但受限于刀尖为主要加工区域的特征，实际加工中刀具磨损快，轨迹冗余，加工效率不高。随着近年CAM技术不断进步，插铣法作为一种断续加工方式，不断得到认可，加工效率高，广泛应用于型腔结构件的粗加工。插铣法加工余量相对较大且不均匀，往往需要二次加工，同时轴向受力极大，对机床以及刀具的要求较高。

摆线铣的刀具轨迹不同于上述方法，其是由均匀的圆弧多次循环组成，这种平缓切入切出的走刀形式可以有效避免载荷突变，降低切削力峰值。但常规摆线铣多是在层铣法基础上规划摆线走刀，本质上与传统层铣相同并且轨迹相对单一。通过改变摆线圆半径或将铣削区域分段计算能够提高轨迹的边界适应性，但面对宽度较大的槽型时，仍不可避免的存在冗余刀轨多，进刀距离长，加工余量大，计算复杂的问题。

发明内容

根据常规摆线铣面对宽度较大的槽型时存在的冗余刀轨多，进刀距离长，加工余量大，计算复杂等问题，而提供一种U形摆线铣削工艺，在摆线铣削的基础之上结合侧铣加工特点，以大轴向切深参数，通过圆弧形式平稳切入切出加工区域，通过线性插补形式光滑连接两侧圆弧以适应不同槽型，在过渡区域以空程形式线性快速到达下次循环，解决了常规加工工艺载荷突变明显，加工余量大，成型效率低的问题，显著减少冗余刀轨，缩短进刀距离，为型腔件尤其是尺寸较大的沟槽结构的高效成型提供更优的加工方法，具有显著的社会和经济效益。

本发明采用的技术手段如下：

一种U形摆线铣削工艺，刀具轨迹由多个摆线循环组成；

每一个摆线循环内的刀具轨迹为由依次相连的四段区域组成的U形摆线，四段区域分别为：圆弧线Ⅰ、步进连接线、圆弧线Ⅱ和过渡线；所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ对应半径相同的摆线圆，所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ分别与待加工工件的左、右边界线相切；所述步进连接线位于所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ之间且两端分别与所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ相切；所述过渡线一端连接至所述圆弧线Ⅱ端点，另一端连接至下一个摆线循环的所述圆弧线Ⅰ的起点。

进一步地，在每一个摆线循环内，刀具保持与所述圆弧线Ⅰ、所述步进连接线和所述圆弧线Ⅱ相切的状态进行加工，刀具在所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ内进行圆弧插补，在所述步进连接线内进行线性加工，然后经所述过渡线以空程形式到达下一个摆线循环的所述圆弧线Ⅰ的起点，进入下一个摆线循环。

进一步地，具体包括以下步骤：

S1：对待加工工件沟槽的左、右铣削边界曲线进行延长获得待加工工件的左、右边界线，延长方向为左、右铣削边界曲线的切向，延长长度为刀具半径与摆线圆半径之和；

S2：设定摆线循环对应的刀具轨迹的参数

(1)所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ对应的摆线圆的半径R_cy；

(2)摆线步进f_cy，表示两次摆线循环内所述圆弧线Ⅰ或所述圆弧线Ⅱ对应的摆线圆圆心之间的距离；

(3)摆线进给f，在摆线循环内，所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ区域内不同摆线位置角τ对应的摆线进给的方向为沿着瞬时切线方向，所述步进连接线区域内摆线进给的的方向为沿着刀具轨迹指向所述圆弧线Ⅱ；其中，摆线位置角τ表示刀具在摆线循环内刀位点所在位置与所在的所述圆弧线Ⅰ或所述圆弧线Ⅱ相应的摆线圆圆心之间的连线，以及刀位点所在的所述圆弧线Ⅰ或所述圆弧线Ⅱ的端点与相应的摆线圆圆心之间的连线形成的夹角；

S3：根据下式分别计算各摆线循环的所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ对应的摆线圆的圆心坐标：

S3：根据下式分别计算各摆线循环的所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ对应的摆线圆的圆心坐标：

其中，[x₁，y₁]表示摆线循环对应的左边界线上的边界点坐标，P_r为边界节点处的斜率，R_to表示刀具半径，[x_o1，y_o1]为摆线循环的所述圆弧线Ⅰ对应的摆线圆的圆心O₁坐标；

其中，[x₁，y₁]表示摆线循环对应的右边界线上的边界点坐标，P_l为边界节点处的斜率，[x_or1，y_or1]为摆线循环的所述圆弧线Ⅱ对应的摆线圆的圆心O_r1坐标；

S4：根据下式获得各摆线循环的所述步进连接线两端点的坐标：

其中，[x_f1，y_f1]表示所述步进连接线与所述圆弧线Ⅰ连接点坐标，[x_rf，y_rf]表示所述步进连接线与所述圆弧线Ⅱ连接点坐标；

S5：根据步骤S2设定的参数及步骤S3和步骤S4的数据得到各摆线循环对应的刀具轨迹，控制刀具按照各摆线循环对应的刀具轨迹对待加工工件沟槽进行加工。

进一步地，步骤S5还包括以下步骤：

在每个摆线循环开始前，判断每个摆线循环对应的左、右边界线的边界点的纵坐标y_oend和y_loend是否满足以下条件：

其中，y_end和y_rend分别表示待加工工件沟槽的出口处左、右边界线的终点的纵坐标；

若满足，则说明该摆线循环对应的刀具轨迹未超出待加工工件沟槽的出口，控制刀具进入该摆线循环；

若不满足，则说明该摆线循环对应的刀具轨迹已经超出待加工工件沟槽的出口，控制刀具终止进入该循环，即完成整个加工过程。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的U形摆线铣削工艺，能够填补常规加工方式的不足，为型腔结构件成型提供高效粗加工方法，解决了实际加工常见的载荷变化剧烈，刀轨冗余量大，加工效率低的问题。

基于上述理由本发明可在腔构件粗加工领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述U形摆线铣削工艺工作过程示意图。

图2为本发明所述U形摆线表征参数示意图。

图3为本发明所述U形摆线铣削工艺刀具轨迹示意图。

图中：1、圆弧线Ⅰ；2、步进连接线；3、圆弧线Ⅱ；4、过渡线；5、刀具；6、当前摆线循环圆弧线Ⅰ对应的摆线圆；7、下次摆线循环圆弧线Ⅰ对应的摆线圆；8、加工区域；9、左边界；10、右边界；11、刀位点。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-3所示，本发明提供了一种U形摆线铣削工艺，刀具轨迹由多个摆线循环组成；

每一个摆线循环内的刀具轨迹为由依次相连的四段区域组成的U形摆线，四段区域分别为：圆弧线Ⅰ1、步进连接线2、圆弧线Ⅱ3和过渡线4；所述圆弧线Ⅰ1和所述圆弧线Ⅱ3对应半径相同的摆线圆，所述圆弧线Ⅰ1和所述圆弧线Ⅱ3分别与待加工工件的左、右边界线(9、10)相切；所述步进连接线2位于所述圆弧线Ⅰ1和所述圆弧线Ⅱ3之间且两端分别与所述圆弧线Ⅰ1和所述圆弧线Ⅱ3相切；所述过渡线4一端连接至所述圆弧线Ⅱ3端点，另一端连接至下一个摆线循环的所述圆弧线Ⅰ1的起点。

进一步地，在每一个摆线循环内，刀具5保持与所述圆弧线Ⅰ1、所述步进连接线2和所述圆弧线Ⅱ3相切的状态进行加工，刀具5在所述圆弧线Ⅰ1和所述圆弧线Ⅱ3内进行圆弧插补，在所述步进连接线2内进行线性加工，完成材料去除，然后刀具切离本次摆线循环的加工区域8，经所述过渡线4以空程形式到达下一个摆线循环的所述圆弧线Ⅰ1的起点，进入下一个摆线循环。

具体的，如图2所示，[xoy]及[x₁o₁y₁]分别表示当前摆线循环及下次摆线循环的基底坐标系，在当前循环坐标系下，刀具5的刀位点从O_st逐渐进入切削层依次经过所述圆弧线Ⅰ1、所述步进连接线2和所述圆弧线Ⅱ3的区域，完成相应的材料去除工作，然后经所述过渡线4到达下次摆线循环对应的刀具的刀位点的起点O_st,n+1，即完成单次摆线铣削。

本发明提供的U形摆线铣削工艺，在摆线铣基础上结合侧铣加工特点，以大轴向切深通过圆弧走刀形式平稳切入切出加工区域，通过线性插补形式光滑连接两侧圆弧以适应不同槽形，在过渡区域以空程形式线性快速到达下次循环；本发明提供的方法，能够综合摆线铣削切入切出平缓与侧铣轴向深度大、加工效率高的特性，面向尺寸较大的沟槽特征件，这种大轴向、小径向切削深度的平缓加工，能够有效避免铣削过程中的载荷突变，减少冗余刀轨，平滑切削力，降低切削力峰值并且加工余量小且均匀，对于封闭或半封闭的型腔结构可以灵活分区域追块规划走刀轨迹，整个加工过程进刀距离短，刀-工啮合角小且可控，任意摆线位置角下刀具自转一周实际处于加工阶段的时间短，并且单次摆线循环中，刀具并不是始终处于加工状态，这样的表现形式有利于切削热快速散出，避免局部温度激增引发刀具剧烈磨损，能够以较大深度的切削参数加工，提高成型效率。

进一步地，具体包括以下步骤：

S1：对待加工工件沟槽的左、右铣削边界曲线进行延长获得待加工工件的左、右边界线(9、10)，延长方向为左、右铣削边界曲线的切向，延长长度为刀具半径与摆线圆半径之和；

S2：设定摆线循环对应的刀具轨迹的参数

(1)所述圆弧线Ⅰ1和所述圆弧线Ⅱ3对应的摆线圆的半径R_cy；

(2)摆线步进f_cy，表示两次摆线循环内所述圆弧线Ⅰ1或所述圆弧线Ⅱ3对应的摆线圆圆心之间的距离，方向从当前摆线循环圆弧线Ⅰ1对应的摆线圆6圆心指向下次摆线循环圆弧线Ⅰ1对应的摆线圆圆心并垂直于所述步进连接线2；

(3)摆线进给f，在摆线循环内，所述圆弧线Ⅰ1和所述圆弧线Ⅱ3区域内不同摆线位置角τ对应的摆线进给的方向为沿着瞬时切线方向，所述步进连接线2区域内摆线进给的的方向为沿着刀具轨迹指向所述圆弧线Ⅱ3；其中，摆线位置角τ表示刀具5在摆线循环内刀位点所在位置与所在的所述圆弧线Ⅰ1或所述圆弧线Ⅱ3相应的摆线圆圆心之间的连线，以及刀位点所在的所述圆弧线Ⅰ1或所述圆弧线Ⅱ3的端点与相应的摆线圆圆心之间的连线形成的夹角，摆线位置角τ随着刀具刀位点位置的改变而变化；

S3：根据下式分别计算各摆线循环的所述圆弧线Ⅰ1和所述圆弧线Ⅱ3对应的摆线圆的圆心坐标：

其中，[x₁，y₁]表示摆线循环对应的左边界线9上的边界点坐标，即左边界线与所述圆弧线Ⅰ1相切的点，P_r为边界节点处的斜率，r_to表示刀具半径，[x_o1，y_o1]为摆线循环的所述圆弧线Ⅰ1对应的摆线圆的圆心O₁坐标；

其中，[x₁，y₁]表示摆线循环对应的右边界线10上的边界点坐标，即右边界线与所述圆弧线Ⅱ3相切的点，P_l为边界节点处的斜率，[x_or1，y_or1]为摆线循环的所述圆弧线Ⅱ3对应的摆线圆的圆心O_r1坐标；

S4：根据下式获得各摆线循环的所述步进连接线两端点的坐标：

其中，[x_f1，y_f1]表示所述步进连接线2与所述圆弧线Ⅰ1连接点坐标，[x_rf，y_rf]表示所述步进连接线2与所述圆弧线Ⅱ3连接点坐标；

S5：根据步骤S2设定的参数及步骤S3和步骤S4的数据得到各摆线循环对应的刀具轨迹，控制刀具按照各摆线循环对应的刀具轨迹对待加工工件沟槽进行加工。

进一步地，考虑到实际加工需求，为了保证刀具最后一刀刚好到达槽口终点位置，步骤S5还包括以下步骤：

在每个摆线循环开始前，判断每个摆线循环对应的左、右边界线(9、10)的边界点的纵坐标y_oend和y_loend是否满足以下条件：

其中，y_end和y_rend分别表示待加工工件沟槽的出口处左、右边界线的终点的纵坐标；

若满足，则说明该摆线循环对应的刀具轨迹未超出待加工工件沟槽的出口，控制刀具进入该摆线循环；

若不满足，则说明该摆线循环对应的刀具轨迹已经超出待加工工件沟槽的出口，控制刀具终止进入该循环，即完成整个加工过程。

进一步地，本发明提供的U形摆线铣削工艺可通过数控机床驱动刀具完成加工：

针对沟槽进口宽度为40mm，出口宽度为20mm，槽深为10mm的待加工工件，选择直径为16mm的刀具，在已知待加工工件沟槽的左、右边界线的情况下，首先对工件进行粗加工，然后利用CAD软件中的点采集模块，将待加工工件沟槽的左、右边界线的数值条件全部提取导入到Matlab软件中整合，基于数控机床底层代码的APT形式，通过Matlab软件根据本发明提供的U形摆线铣削工艺编写加工文件，通过数控机床控制刀具一次性加工到槽底，即轴向切深为10mm；利用APT代码格式中的圆弧插补命令，按照规划好的刀具轨迹完成左侧圆弧线区域的插补过程，进一步以直线插补命令完成步进连接线区域，再重新利用圆弧插补完成右侧圆弧线区域，最后通过过渡线到达下一次摆线循环；每完成一次摆线循环，在进行下一次摆线循环之前，需要判断刀具轨迹的终止点是否超出沟槽的出口，若未超出则继续下一次循环，反之则终止循环；最后将APT形式的底层代码返回CAD软件中，利用CAD软件的后处理模块将底层代码转化为实际加工中对应数控机床的代码形式，驱动机床完成整个加工过程，最终得到的完整的U摆线刀具轨迹如图3所示。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种U形摆线铣削工艺，其特征在于，刀具轨迹由多个摆线循环组成；

每一个摆线循环内的刀具轨迹为由依次相连的四段区域组成的U形摆线，四段区域分别为：圆弧线Ⅰ、步进连接线、圆弧线Ⅱ和过渡线；所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ对应半径相同的摆线圆，所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ分别与待加工工件的左、右边界线相切；所述步进连接线位于所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ之间且两端分别与所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ相切；所述过渡线一端连接至所述圆弧线Ⅱ端点，另一端连接至下一个摆线循环的所述圆弧线Ⅰ的起点。

2.根据权利要求1所述的U形摆线铣削工艺方法，其特征在于，在每一个摆线循环内，刀具保持与所述圆弧线Ⅰ、所述步进连接线和所述圆弧线Ⅱ相切的状态进行加工，刀具在所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ内进行圆弧插补，在所述步进连接线内进行线性加工，然后经所述过渡线以空程形式到达下一个摆线循环的所述圆弧线Ⅰ的起点，进入下一个摆线循环。

3.根据权利要求1所述的U形摆线铣削工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：对待加工工件沟槽的左、右铣削边界曲线进行延长获得待加工工件的左、右边界线，延长方向为左、右铣削边界曲线的切向，延长长度为刀具半径与摆线圆半径之和；

S2：设定摆线循环对应的刀具轨迹的参数

(1)所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ对应的摆线圆的半径R_cy；

(2)摆线步进f_cy，表示两次摆线循环内所述圆弧线Ⅰ或所述圆弧线Ⅱ对应的摆线圆圆心之间的距离；

(3)摆线进给f，在摆线循环内，所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ区域内不同摆线位置角τ对应的摆线进给的方向为沿着瞬时切线方向，所述步进连接线区域内摆线进给的的方向为沿着刀具轨迹指向所述圆弧线Ⅱ；其中，摆线位置角τ表示刀具在摆线循环内刀位点所在位置与所在的所述圆弧线Ⅰ或所述圆弧线Ⅱ相应的摆线圆圆心之间的连线，以及刀位点所在的所述圆弧线Ⅰ或所述圆弧线Ⅱ的端点与相应的摆线圆圆心之间的连线形成的夹角；

S3：根据下式分别计算各摆线循环的所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ对应的摆线圆的圆心坐标：

S3：根据下式分别计算各摆线循环的所述圆弧线Ⅰ和所述圆弧线Ⅱ对应的摆线圆的圆心坐标：

其中，[x₁，y₁]表示摆线循环对应的左边界线上的边界点坐标，P_r为边界节点处的斜率，R_to表示刀具半径，[x_o1，y_o1]为摆线循环的所述圆弧线Ⅰ对应的摆线圆的圆心O₁坐标；

其中，[x₁，y₁]表示摆线循环对应的右边界线上的边界点坐标，P_l为边界节点处的斜率，[x_or1，y_or1]为摆线循环的所述圆弧线Ⅱ对应的摆线圆的圆心O_r1坐标；

S4：根据下式获得各摆线循环的所述步进连接线两端点的坐标：

其中，[x_f1，y_f1]表示所述步进连接线与所述圆弧线Ⅰ连接点坐标，[x_rf，y_rf]表示所述步进连接线与所述圆弧线Ⅱ连接点坐标；

S5：根据步骤S2设定的参数及步骤S3和步骤S4的数据得到各摆线循环对应的刀具轨迹，控制刀具按照各摆线循环对应的刀具轨迹对待加工工件沟槽进行加工。

4.根据权利要求1所述的U形摆线铣削工艺，其特征在于，步骤S5还包括以下步骤：

在每个摆线循环开始前，判断每个摆线循环对应的左、右边界线的边界点的纵坐标y_oend和y_loend是否满足以下条件：

其中，y_end和y_rend分别表示待加工工件沟槽的出口处左、右边界线的终点的纵坐标；

若满足，则说明该摆线循环对应的刀具轨迹未超出待加工工件沟槽的出口，控制刀具进入该摆线循环；

若不满足，则说明该摆线循环对应的刀具轨迹已经超出待加工工件沟槽的出口，控制刀具终止进入该循环，即完成整个加工过程。

Images