角度頭在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件五軸數(shù)控加工中的應(yīng)用*

周 進(jìn) 王鵬程

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))公司數(shù)控加工廠，四川 成都 610092)

角度頭在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件五軸數(shù)控加工中的應(yīng)用*

周 進(jìn) 王鵬程

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))公司數(shù)控加工廠，四川 成都 610092)

通過對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工工藝進(jìn)行分析，說明了角度頭在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件難加工結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢，給出了數(shù)控加工中角度頭位姿的選取方法和角度頭加工刀軌生成方法。依據(jù)加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)變換特征，給出角度頭后置處理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的計(jì)算方法，并基于RTCP給出角度頭后置處理非線性誤差的補(bǔ)償方法。以復(fù)雜艙蓋工件為例對(duì)角度頭數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，角度頭加工技術(shù)不僅提高了工件的加工質(zhì)量和加工效率，降低了難加工結(jié)構(gòu)的成本，也拓展了數(shù)控機(jī)床的加工范圍。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件；角度頭；數(shù)控加工；后置處理

隨著對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)動(dòng)性、隱身性要求的不斷提高，現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)逐步邁進(jìn)了一個(gè)新的時(shí)代。復(fù)雜化、集成化是目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)工件最具鮮明的特征，比如大量的主交點(diǎn)孔、掛架孔等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)取代獨(dú)立的接頭工件而直接集成在飛機(jī)的主承力框、梁結(jié)構(gòu)上，在某型機(jī)結(jié)構(gòu)工件的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)的尤為明顯。

結(jié)構(gòu)的集成化使得工件在空間結(jié)構(gòu)上存在難加工的結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)為開敞性差和側(cè)壁存在大量特殊要求的結(jié)構(gòu)等方面，如圖1所示。由于受到制造資源的限制，此類結(jié)構(gòu)通過傳統(tǒng)的數(shù)控加工方式難以達(dá)到要求，被稱為數(shù)控加工的“死角”區(qū)域，給飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工帶來極大挑戰(zhàn)。

角度頭作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工中的一種新型工具，通過機(jī)床主軸帶動(dòng)齒輪組傳遞動(dòng)力來改變刀具切削的方向，使刀具旋轉(zhuǎn)軸心線與機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)軸心線具有一定的角度，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的立臥轉(zhuǎn)換和任意角度的變換，在不需改變機(jī)床結(jié)構(gòu)的情況下可以拓展機(jī)床的加工范圍和適應(yīng)性，能減少工件加工過程中的重復(fù)裝夾次數(shù)，增加了數(shù)控加工的柔性，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工中傳統(tǒng)方法無法完成的工作得以實(shí)現(xiàn)，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工提供新的解決方案。

目前國內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)角度頭在數(shù)控加工中的應(yīng)用進(jìn)行研究，能夠很好地解決復(fù)雜、開敞性差的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工問題。因此，本文就飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的難加工結(jié)構(gòu)，開展角度頭在數(shù)控加工中的應(yīng)用研究，通過對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件難加工位置加工工藝進(jìn)行分析，系統(tǒng)性地闡述了角度頭在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工中的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用方法，并通過實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工工藝性分析

隨著飛機(jī)性能要求的提高，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件整體性越來越強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件存在大量狹窄區(qū)域，開敞性差，同時(shí)工件側(cè)面存在大量孔槽、U型槽、高精孔等難加工結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)件不僅加工難度大，而且多數(shù)存在特殊要求，加工精度要求高，且受工件周圍結(jié)構(gòu)的影響較大。這大大提高了工件的加工難度和加工成本，降低了工件的加工效率，并嚴(yán)重影響了飛機(jī)的研制周期。

針對(duì)新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的加工方法常采用多道工序進(jìn)行加工，對(duì)工件進(jìn)行反復(fù)裝夾，或者通過鉆模制孔、使用大擺角機(jī)床加工和采用較大長徑比的刀具進(jìn)行加工，最后通過鉗工手工對(duì)工件進(jìn)行修繕，保證工件的加工要求。傳統(tǒng)的數(shù)控加工工藝方法具有以下不足：

(1)對(duì)于狹窄、開敞性差的區(qū)域，易發(fā)生機(jī)床主軸與工件干涉。

(2)使用較大長徑比刀具加工時(shí)，影響加工系統(tǒng)的剛性，難以保證加工精度和加工效率。

(3)使用機(jī)床大擺角加工時(shí)，機(jī)床存在擺角誤差，難以保證加工精度。

(4)使用鉆模和多次裝夾，不僅增加了訂制鉆模和工裝的成本，也對(duì)工件的加工精度和加工效率產(chǎn)生影響。

(5)大量增加鉗工的工作量，影響工件的交付周期。

角度頭由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，能夠很好地改善傳統(tǒng)加工方法的不足，能夠通過一次裝夾完成多個(gè)結(jié)構(gòu)的加工，減少工件的裝夾次數(shù)和工裝等數(shù)量，降低制造成本，同時(shí)能夠改善加工系統(tǒng)的剛性和柔性，減少工藝準(zhǔn)備的時(shí)間，提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量和加工效率。

2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件角度頭加工技術(shù)

2.1 角度頭加工位姿選取

角度頭作為一種改善機(jī)床加工性能的工具，其廣泛使用于五軸數(shù)控機(jī)床上。角度頭在五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)可以分解為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。五軸機(jī)床隨不同回轉(zhuǎn)軸和回轉(zhuǎn)方式具有不同的特點(diǎn)，本節(jié)主要以AC刀具雙回轉(zhuǎn)類型機(jī)床為例進(jìn)行闡述。

2.1.1 角度頭加工位姿分析

如圖3所示，假設(shè)角度頭的初始安裝方向?yàn)閅正方向，此時(shí)機(jī)床擺角都處于零位，即A=0°、C=0°，由于機(jī)床為AC擺角機(jī)床，B軸無法運(yùn)動(dòng)，在加工工件的過程中，角度頭與工件會(huì)發(fā)生碰撞干涉，影響工件的加工。要實(shí)現(xiàn)工件的加工，在該狀態(tài)下需要角度頭繞機(jī)床Y軸做一定角度的旋轉(zhuǎn)，即B軸能夠產(chǎn)生擺角，從而避免與工件發(fā)生干涉。

通過對(duì)角度頭與機(jī)床擺角的轉(zhuǎn)換分析，調(diào)整角度頭初始安裝方向，將角度頭的初始安裝方向沿Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)加工坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，在AC擺角機(jī)床上實(shí)現(xiàn)等效B軸的擺動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)角度頭與工件無干涉，同時(shí)方便加工程序的后置處理，則角度頭的初始方向應(yīng)沿X負(fù)向如圖4所示。該初始狀態(tài)下使機(jī)床擺角C=90°時(shí)，坐標(biāo)系相當(dāng)于繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°，X軸正向變?yōu)閅軸負(fù)向，Y軸正向變?yōu)閄軸正向，機(jī)床A擺角相當(dāng)于轉(zhuǎn)換為B擺角，通過A擺角即可以避免角度頭與工件發(fā)生干涉，如圖4所示。

2.1.2 角度頭避讓角度計(jì)算

對(duì)避讓角度運(yùn)算分析圖5進(jìn)行分析，得到如下計(jì)算公式：

(1)

式中：b為角度頭大端半徑；L為角度頭工作段長度；α為角度頭碰撞臨界軸線轉(zhuǎn)角；β為工件輪廓邊緣相對(duì)于角度頭初始軸線夾角。

例如，使用牌號(hào)為HSK-SLA-08角度頭，b=50 mm，L=105 mm，鎖孔所在筋條相對(duì)于角度頭初始軸線角度β=21°，由公式(1)推導(dǎo)得出避讓臨界角α計(jì)算公式為：

(2)

將b、L、β值分別代入公式(2)得到鎖孔筋條避讓臨界角度為α=4.5°，即在程序編制中只要避讓角度大于4.5°，角度頭與鎖孔筋條就不會(huì)發(fā)生干涉。

2.2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件角度頭加工刀軌生成方法

針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件側(cè)壁高精孔的加工，通過普通鉆頭無法實(shí)現(xiàn)加工要求，需要采用鉆孔-擴(kuò)孔-鉸孔或者鉆孔-擴(kuò)孔-鏜孔的方式實(shí)現(xiàn)，高精孔加工的刀具依據(jù)孔徑的大小選擇相應(yīng)的硬質(zhì)合金刀具。

在使用角度頭加工時(shí)，由于角度頭特殊的結(jié)構(gòu)和性能，其加工參數(shù)的選取需要考慮角度頭的特性和機(jī)床性能。使用角度頭加工的參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)速、進(jìn)給等。由于角度頭存在轉(zhuǎn)速比的轉(zhuǎn)換，因此刀具的實(shí)際轉(zhuǎn)速和進(jìn)給需要通過計(jì)算獲取。

機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速可以表示為

(3)

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；Vc為切削(線)速度，m/min；Dc為刀具直徑，mm。

則角度頭的轉(zhuǎn)速為

n1=k1·n

(4)

式中：n1為角度頭輸出轉(zhuǎn)速(刀具轉(zhuǎn)速)，r/min；k1為角度頭轉(zhuǎn)速比(輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速比)。

得到角度頭的轉(zhuǎn)速后，則可以計(jì)算刀具的進(jìn)給速度F為

F=n1·fn

(5)

式中：fn為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，mm/r。

通常Vc和fn的范圍會(huì)由刀具廠商給出推薦值，以硬質(zhì)合金鉆頭和HSK-SLA-08角度頭為例Vc=38 m/min，fn=0.1 mm，HSK-SLA-08角度頭轉(zhuǎn)速比k1為3，可以得到φ17H8的高精孔不同刀具的加工參數(shù)，如表1所示。

表1 不同規(guī)格刀具的切削參數(shù)

序號(hào)刀具規(guī)格切削參數(shù)1?8mm整體硬質(zhì)合金鉆頭n=504r/min，F(xiàn)=50．4mm/min2?11mm整體硬質(zhì)合金擴(kuò)孔鉆頭n=367r/min，F(xiàn)=36．7mm/min3?14mm整體硬質(zhì)合金擴(kuò)孔鉆頭n=288r/min，F(xiàn)=28．8mm/min4?15～?18mm孔徑鏜刀n=235r/min，F(xiàn)=23．5mm/min

確定高精孔加工的主要加工參數(shù)后，以孔為驅(qū)動(dòng)元素，設(shè)定孔的側(cè)壁和深度等參數(shù)，通過計(jì)算獲得飛機(jī)結(jié)構(gòu)件側(cè)壁高精孔的加工刀具軌跡。

2.3 角度頭后置處理技術(shù)

2.3.1 角度頭后置處理算法

根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)動(dòng)變換特征，通過計(jì)算得到后置處理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，將代表刀具軌跡的刀位數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床可運(yùn)行的機(jī)床后置程序，即為后置處理。準(zhǔn)確的后置處理可以保證加工程序的準(zhǔn)確性，保證工件加工的質(zhì)量及精度要求，同時(shí)可以提高機(jī)床運(yùn)行過程中的可靠性。

本文中以AC擺角機(jī)床為例，對(duì)角度頭方向矢量計(jì)算方法作簡要分析介紹。

2.3.2 基于RTCP的后置處理非線性誤差補(bǔ)償

在五軸數(shù)控加工機(jī)床中，刀具中心和主軸頭的旋轉(zhuǎn)中心存在樞軸中心距。樞軸距使加工中刀具的擺動(dòng)引起刀具中心點(diǎn)平移坐標(biāo)的變化。使用角度頭進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)，當(dāng)機(jī)床各軸進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)，角度頭刀柄的擺動(dòng)帶動(dòng)刀具擺動(dòng)，使刀具中心點(diǎn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡偏離編程的直線，產(chǎn)生非線性誤差，如圖8所示。非線性誤差由角度頭主軸方向和刀具軸線方向上的誤差合成而來。

為保證加工中刀具中心點(diǎn)能夠按照設(shè)定的刀具軌跡和加工精度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在后置處理中通過數(shù)控系統(tǒng)中的RTCP功能對(duì)非線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償。RTCP是數(shù)控系統(tǒng)中能夠直接處理刀具中心點(diǎn)信息的功能，是解決非線性誤差問題的關(guān)鍵。

由圖8可知。Tol和步長S的關(guān)系為：

(6)

然后通過輸入程序中相鄰兩個(gè)刀具中線點(diǎn)的刀位，刀具的長度和允許的誤差值，在不滿足條件的刀位點(diǎn)之間添加其余的刀位點(diǎn)，使產(chǎn)生的非線性誤差在允許值范圍，保證加工精度要求。

3 角度頭加工技術(shù)的工程推廣應(yīng)用

本文在相關(guān)數(shù)控加工技術(shù)研究及項(xiàng)目的支持下，使用角度頭實(shí)現(xiàn)了某型飛機(jī)大型艙蓋工件難加工位置的數(shù)控加工，攻克了集成化飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)工件交點(diǎn)孔、緣條、筋條孔等復(fù)雜特征的優(yōu)質(zhì)、低成本數(shù)控加工。如圖9所示，通過對(duì)角度頭加工技術(shù)的研究與推廣，在某型飛機(jī)項(xiàng)目研制中應(yīng)用到160余項(xiàng)工件的生產(chǎn)中，在保證工件生產(chǎn)進(jìn)度及質(zhì)量的前提下，節(jié)省了數(shù)百萬元的工裝制造成本及工序周轉(zhuǎn)成本，為某型飛機(jī)項(xiàng)目的研制作出了重要貢獻(xiàn)。通過這部分工件的實(shí)際生產(chǎn)，證明了角度頭數(shù)控加工工藝技術(shù)的可行性，同時(shí)加工方法較人工手動(dòng)操作具有高效、可控、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜特征飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工及數(shù)控機(jī)床加工范圍的擴(kuò)展具有巨大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

本文基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件難加工結(jié)構(gòu)的加工，通過對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工工藝進(jìn)行分析，從角度頭加工的技術(shù)和角度頭加工后置處理等方面對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件角度

頭加工技術(shù)進(jìn)行研究。

通過使用角度頭數(shù)控加工技術(shù)，解決了飛機(jī)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件難加工結(jié)構(gòu)的數(shù)控加工問題，提高了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量和加工效率，降低了加工成本，同時(shí)拓展了數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍。數(shù)控制孔取代了人工手動(dòng)制孔，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品的加工效率和質(zhì)量。

[1]全榮.五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)[M].長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

[2]劉雄偉.數(shù)控加工理論與程編技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3]馮顯英，葛榮雨.五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床后置處理算法的研究[J].工具技術(shù),2006(4):45-47.

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Application of angle head in five axis NC machining of aircraft structure

ZHOU Jin, WANG Pengcheng

(AVIC Chengdu Aircraft Industrial(Group)Co.,Ltd., Chengdu 610092, CHN)

Through the analysis of aircraft structural parts of NC machining process, the angle-head’s advantages were indicated in the difficult processing structure of aircraft structural parts, and the posture selection and machining tool path generation method of angle-head were given in NC machining. According to the structure form and motion transformation of the angle-head was given, and compensation method of the nonlinear tolerance was given based on the RTCP. Using complex parts as an example, the head angle CNC machining technology is verified, and the results show that head angle processing technology not only improved the machining quality and efficiency, reduced the processing cost of difficult machining structure, but also expanded the range of CNC machining.

aircraft structural parts; angle-head; NC machining; post process

V262

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.030

周進(jìn)，男，1987年生，工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)控加工工藝程編技術(shù)應(yīng)用。

藝) (

2016-09-24)

161233

*國產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床柔性生產(chǎn)線及生產(chǎn)單元飛機(jī)結(jié)構(gòu)件應(yīng)用示范基地(2015zx04001002)