五軸聯(lián)動(dòng)功能在航空航天加工中的應(yīng)用

1、五軸聯(lián)動(dòng)功能在航空航天加工中的應(yīng)用潘云龍【摘要】航空航天的關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)中包含著大量的流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)理論，構(gòu)成的曲面形狀也相對(duì)復(fù)雜。加工精度與設(shè)計(jì)精度的一致性直接影響到其平安性和可靠性。本文通過(guò)JBOS245型五軸聯(lián)動(dòng)銑床對(duì)某航空關(guān)鍵零部件進(jìn)行具體加工操作，將產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型，刀具的選擇，加工軌跡的生成等方面的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。由于涉及產(chǎn)品保護(hù)信息將此零件具體名稱(chēng)省略【關(guān)鍵詞】曲面數(shù)學(xué)模型建立；數(shù)控加工；刀具軌跡規(guī)劃；刀具軸控制【Abstract】inthedesignofkeypartsofaerospacecontainslargeamountsoffluidmecha

2、nics，aerodynamicsmechanicsofmaterialsandotherrelatedtheory，acurvedsurfaceshapeisalsorelativelycomplexmachiningaccuracyandconsistencyofdesignprecisiondirectlyaffectsthesafetyandreliabilityThroughJBOS245typeoffive-axislinkagemillingmachineforsomeairkeypartsarespecificprocessingoperations，themathematic

3、almodeloftheproduct，toolselection，machiningtrajectorygenerationhassummarizedtherelevanttechniquesofprotectioninformationproductduetothepartsnameomitted【Keywords】Surfacemathematicalmodelestablishment；Ncmachining；Tooltrackplanning；Toolshaftcontrol0前言五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)是數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的高端加工方式，它集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加

4、工技術(shù)于一體，主要用于對(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行高效、精密、自動(dòng)化的加工。在很多加工領(lǐng)域中，是一般加工方法所無(wú)法取代的【1】?，F(xiàn)在國(guó)際上已經(jīng)將五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為一個(gè)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度、加工能力及加工水平的標(biāo)志。五軸數(shù)控加工技術(shù)對(duì)企業(yè)科技力量和綜合加工能力的提高有著的重要意義。加工中合理的使用數(shù)控機(jī)床的五軸聯(lián)動(dòng)功能，可大大提高多軸加工機(jī)床的加工能力，便于形成加工系統(tǒng)進(jìn)一步的集成化。1數(shù)控加工中零件三維數(shù)學(xué)模型建立三維外表數(shù)學(xué)模型是銑削加工零件的根底，由曲面組成外表復(fù)雜的三維數(shù)據(jù)，且大多為修剪曲面【2】。文中引用的零件為航空領(lǐng)域里的某關(guān)鍵零部件。因此產(chǎn)品的三維數(shù)學(xué)模型的曲面精度較高。零件最大長(zhǎng)度為200

5、0MM最大寬度為1800MM。圖1中隱形網(wǎng)格外圍邊界為6MM寬11MM深的密封槽，中間網(wǎng)格為4MM寬3MM深的通氣槽。各個(gè)溝槽的深度方向沿曲面法向，各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)軸隨曲面變化。與主外表相連接的曲面為主外表的法向面，加工的主要難點(diǎn)就是數(shù)據(jù)模型中的法向槽和主曲面相接的曲面的加工。2零件的技術(shù)分析目前大多數(shù)數(shù)控加工方式只涉及到三軸聯(lián)動(dòng)，支持五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床在國(guó)內(nèi)還是很少，加工概念也只是沉浸在定軸加工方式。對(duì)于此種零件的加工，某加工單位曾試圖采用3+2定軸輪廓銑削加工，并由兩名工程師用時(shí)兩周的時(shí)間將零件的原數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制出零件的理論形狀。問(wèn)題在于3+2定軸加工方式只能在刀軸的垂直平面加工中才可

6、以防止過(guò)切和欠切，如果在此零件曲面上進(jìn)行如此大范圍溝槽加工，過(guò)切和欠切現(xiàn)象依然難以防止。而且需要生成很多的加工子程序，各個(gè)子程序之間就會(huì)產(chǎn)生加工誤差。而且對(duì)數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性影響很大。航天工業(yè)是最早應(yīng)用數(shù)控技術(shù)的行業(yè)，應(yīng)用水平也相對(duì)較高，尤其是五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)，許多技術(shù)仍屬于專(zhuān)有技術(shù)范疇。而且五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)形式多樣，與三軸數(shù)控加工在概念是有所區(qū)別的，三軸機(jī)床只在直角坐標(biāo)系做沿著X，Y，Z軸的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，同一段NC代碼可以在不同的三軸數(shù)控機(jī)床上獲得同樣的加工效果。而五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程除了直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)之外，還必須協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)計(jì)算；如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗(yàn)、非線(xiàn)性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算等。處

7、理的信息量很大，數(shù)控編程表示極為抽象。五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡，是每一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)零件幾何數(shù)據(jù)分析：原始數(shù)據(jù)雖然只給出零件外表溝槽的中心線(xiàn)，同時(shí)溝槽方向變化頻繁，但它的寬度是恒定的，完全可以通過(guò)控制刀具的加工路徑來(lái)控制溝槽的寬度和深度。3加工軌跡的生成數(shù)控加工中，生成高質(zhì)量的數(shù)控加工刀具軌跡是關(guān)鍵的步驟之一。設(shè)置合理的加工參數(shù)，確定適宜的加工方式，是生成數(shù)控加工文件的前提【3】。對(duì)于該零件的主曲面，構(gòu)成曲面的數(shù)據(jù)面大多數(shù)都為修剪面。所以選擇采用多曲面等間距連續(xù)加工的方法。數(shù)控機(jī)床加工自由曲面時(shí)需選用球頭銑刀對(duì)曲面進(jìn)行加工。在精加工中那么要根據(jù)自由曲面外表的曲率半徑來(lái)選擇加

8、工刀具；具體原那么為：球刀半徑要小于或等于所加工曲面的最小曲率半徑。這樣，加工出來(lái)的模型才能于數(shù)學(xué)模型所給出的形狀一致。另外為使加工面光滑均勻，對(duì)刀具的進(jìn)給深度和走刀速度也要合理確定【4】。接下來(lái)討論的主要問(wèn)題是溝槽加工軌跡的正確性和流暢性問(wèn)題。原那么是：用最少的程序加工出合格的產(chǎn)品。加工軌跡的分段，加工軌跡盡量減少空行程【5】。根據(jù)溝槽不同的寬度將刀具軌跡分成兩局部。endprint第一局部為外圍密封槽，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的幾何形狀的形成條件，為防止刀具軸的急劇變化和抬刀等空行程的產(chǎn)生，將它分成如圖2中的兩局部。通過(guò)對(duì)兩個(gè)區(qū)域不同加工方案的制定來(lái)優(yōu)化加工軌跡減少抬刀次數(shù)。第二局部是通氣槽刀具軌跡，

9、在生成時(shí)，考慮到加工刀軌的流暢性，對(duì)圖形中各個(gè)通氣槽中心線(xiàn)進(jìn)行了必要的整理，原那么是：經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)必須保持原數(shù)據(jù)的原有幾何性質(zhì)與幾何精度，同時(shí)必需考慮加工時(shí)可能產(chǎn)生的過(guò)切等問(wèn)題【6】。通過(guò)對(duì)加工的可行性進(jìn)行分析，將通氣槽加工軌跡分成四局部進(jìn)行加工更為合理。如圖3所示，首先按曲面的經(jīng)緯方向區(qū)分加工軌跡，確定兩條加工路徑的進(jìn)給方式。再根據(jù)刀具軌跡的平滑程度和刀具軸的擺角變化，以最少的抬刀次數(shù)為原那么，將刀具軌跡分成圖3的四局部根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果與原數(shù)據(jù)保持一致的原那么【7】。形成密封槽中心線(xiàn)是投影在曲面上的曲面曲線(xiàn)，所以可以直接引用。形成通氣槽的網(wǎng)格曲線(xiàn)同樣無(wú)須整理，但需要根據(jù)加工軌跡的流暢性將其

10、連接，連接曲線(xiàn)是將密封槽曲線(xiàn)在通氣槽相交處打斷，保存刀軌引用的連接曲線(xiàn)。將通氣槽中心線(xiàn)連接的目的除了為了防止加工中過(guò)切和加工軌跡的流暢外，還防止加工的空行程減少加工中的抬刀和進(jìn)刀次數(shù)。經(jīng)過(guò)處理的曲線(xiàn)即為幾何體的加工軌跡引導(dǎo)曲線(xiàn)。4驅(qū)動(dòng)加工軌跡在多軸加工中，加工軌跡的生成有多種驅(qū)動(dòng)方式，編程的技巧性很強(qiáng)。但必須遵循兩個(gè)原那么：第一驅(qū)動(dòng)點(diǎn)從驅(qū)動(dòng)幾何體上產(chǎn)生；第二將驅(qū)動(dòng)點(diǎn)沿投射方向投射到零件幾何體上8。驅(qū)動(dòng)幾何體的方法就是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的軌跡生成的方法。該零件溝槽加工軌跡的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)就是對(duì)應(yīng)上文介紹的加工軌跡的曲線(xiàn)產(chǎn)生的。本零件的驅(qū)動(dòng)幾何體就在零件的加工外表，所以無(wú)論在任何方向投射，在零件外表生成的刀具軌跡都是

11、正確的。對(duì)于刀具軸的控制，在產(chǎn)生加工軌跡時(shí)充分分析了零件外表的材料性質(zhì)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的要求必須應(yīng)用零件外表法向刀具軸，加工出來(lái)的零件才是正確的。5零件的加工在零件加工中，其最重要的加工的原那么就是在最短的時(shí)間內(nèi)加工出能到達(dá)技術(shù)要求的高質(zhì)量零件。而在數(shù)控加工那么更應(yīng)該將所有加工工藝考慮全面細(xì)致，將加工中所有可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行列舉，并提出解決方案。在零件裝夾到機(jī)床前進(jìn)行解決，防止二次裝夾造成的精度誤差。此次加工的零件為鋁質(zhì)板材經(jīng)過(guò)整形后形成的曲面毛坯件，屬于薄壁類(lèi)零件。在加工過(guò)程中很容易產(chǎn)生加工變形，所以加工中不宜使用較大直徑的刀具。根據(jù)此類(lèi)零件的材質(zhì)和其加工的特殊性，在型面的加工中采用20球頭有色

12、金屬銑刀進(jìn)行加工，并加工時(shí)加注切削液防止鋁板在加工中由于溫度升高產(chǎn)生變形。根據(jù)溝槽的寬度在加工溝槽時(shí)分別選用4、6加工色金屬用的端面圓柱銑刀。由于是應(yīng)用五軸聯(lián)動(dòng)加工程序進(jìn)行溝槽的加工，為了防止加工是發(fā)生刀具干預(yù)，所以加工前要細(xì)致檢查程序的擺角數(shù)據(jù)，選擇適當(dāng)長(zhǎng)度的刀柄防止刀柄過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生碰撞干預(yù)，并注意加工過(guò)程中五軸頭擺動(dòng)的極限位置，以防止出現(xiàn)相關(guān)的過(guò)切干預(yù)9。6結(jié)束語(yǔ)在工作生產(chǎn)中我們應(yīng)該在應(yīng)用中多研究工件、機(jī)床、加工方式和編程方法的匹配特性，發(fā)現(xiàn)并利用先進(jìn)機(jī)床所具有的性能，不斷嘗試實(shí)用新的技術(shù)進(jìn)行加工生產(chǎn)，并不斷積累先進(jìn)的編程、加工經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)于個(gè)人乃至行業(yè)的開(kāi)展都是一種不小的奉獻(xiàn)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】【1】杜玉湘，陸啟建，劉明燈.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用J.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2021，03：14-16+20.【2】劉峰.五軸車(chē)銑復(fù)合加工功能關(guān)鍵技術(shù)的研究D.中國(guó)科學(xué)院研究生院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所，2021.【3】聞邦椿.工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2021.12.【4】肖詩(shī)綱編.刀具材料及其合理選擇M.機(jī)械工業(yè)出版社，1990.【5】陳光明.基于數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)原那么及方法研究J.制造業(yè)自動(dòng)化，2021，09：54-59+72.【6】吳