转角区域插铣刀轨生成算法研究与开发*

2020-12-28赵丹锁聪王晓峰倪家强

数字技术与应用 2020年11期

赵丹锁聪王晓峰倪家强

(沈阳飞机工业(集团)有限公司工艺研究所,辽宁沈阳 110850)

0 引言

插铣技术是正在发展的新型数控加工技术之一,其加工稳定性、刀具轨迹优化,及相关插铣动力学等方面的研究逐步开始,有效制定插铣加工工艺,合理规划刀轨路径是提高插铣加工效率的重要途径[1-2]。国外诸多学者已对插铣加工方法展开多年研究,分析了其加工特点,评估其加工潜力,并与传统加工方式做比较,提出应用插铣法及插铣快速加工法于型腔铣削和轮廓铣削等,从而去除毛坯多余材料,形成所需的直线轮廓,甚至曲线轮廓。南京航空航天大学李迎光等[3]人对型腔转角插铣粗加工方法进行了研究,提出无干涉插铣刀轴方向的算法。天津大学王猛[4]对钛合金型腔插铣刀具轨迹优化方法进行了研究。戚家亮[5]、梁永收[6]等根据整体叶轮的几何特征和插铣特点,提出了一种整体叶轮五轴插铣加工刀位轨迹的计算方法。

虽然许多计算机辅助设计与制造软件已具备了插铣功能,但这些模块缺乏对插铣区域的估计,同时未考虑插铣刀具本身的特点,尤其是无法自动识别残留区域,导致刀轨排布不均匀,出现漏加工区域,或刀轨过密,加工效率低等。这种情况在航空零件中尤为常见。针对直壁转角区域类型,综合考虑加工残留余量、加工区域因素以及插铣刀具特点,研究并提出插铣刀轨优化排布算法,并与现有CATIA中插铣模块刀轨排布进行比对,开发转角区域插铣刀轨快速生成功能插件。

图1 转交特征

图2 操作元

1 插铣区域定义

在工程应用中,常见的3种转角特征如图1所示,其中,切入边与切出边的夹角为θ,转角半径Ra,上一把刀具tp,半径为Rp,底圆半径rp,径向余量δep,Oa为转角圆心,Op为上把刀具圆心位置。在tp加工后,转角的残留域为Ab。基于残留区域Ab,给定当前刀具tc,半径Rc,底圆半径rc,径向余量δec,那么,可得到当前转角加工的操作元vb,如图2所示。

2 插铣刀位排布算法

按照刀位先后顺序和刀具直径与残留区域的尺寸关系,插铣布点方案可分为顺序布点、交错布点和偏置布点三种情况,如图3所示。

图2中操作元vb为该转角特征插铣时的加工区域,应该尽可能的去除该部分材料。考虑工程实际情况,插铣刀具一般在刀具中心直径1/3的范围内无底刃,同时,为减小残留尖点并且提高插铣效率,在排布转角处插铣刀位点时,须满足以下三项基本条件:

(1)下刀时,应满足刀具的最大切宽(刀具直径的1/3)、切深要求;

(2)相邻两插铣刀位之间的残留高度需尽可能小;

(3)尽可能少布置刀位点,以提高加工效率。

为高效地清理转角残留,首选直径与转角尺寸相同的插铣刀具;若相应刀具尺寸不存在,则选择尺寸稍小的刀具。

针对顺序布点方案,以转角特征的切入端为起点,沿侧壁面轮廓顺序插铣至切出端,那么选择合理的切入端起点、切出端终点至关重要。图4中,点OAs和OBe所在虚线为刀具中心轨迹,切入端起点和切出端终点可在该虚线上移动。考虑到转角加工效率,通常会选择图4中的两极限位置作为切入端起点和切出端终点,对应的刀具圆心位置分别为OAs和OBe,满足以下关系式(1):

图3 布点方案

图4 切入/切出端点计算

图5 直线段步距

当前刀具半径Rc大于等于转角半径Ra时,顺序布点的刀具中心轨迹由两段直线构成,即切入直线切出直线取切入、切出直线上相邻两刀位点的距离为ae(步距),那么由切宽条件可知需满足式(2):

又由于当前刀具的径向余量δec,即要求相邻两刀位点间残留,如图5中近似三角形区域的高度为δec,则此时需满足式(3):

算出同时满足上述（2）、（3）两个条件的最大步距,并以此步距在切入直线、切出直线上布置各刀位点,即为此转角特征的插铣点序列。

如图7所示为圆弧段上所布置的两个刀位点Opre和Ocur,由切宽条件限制的角度步距满足式（4）:

满足残留高度条件,即残留近似三角形区域的高度为δec,残留尖点MA,则此时角度步距满足式（5）:

综上,顺序布点方案中插铣刀位排布算法由以上步骤推算可得。

3 插铣刀轨快速生成工具开发

CATIA中原有插铣模块,除了对刀具等参数的设置外,还需手动创建大量辅助几何元素,如:点和轴线等,重复劳动工作量大,效率低下。以CATIA为平台,利用CAA二次开发技术,应用上述算法开发转角区域插铣刀轨快速生成工具,如图8,工艺人员只需设置上把刀具和当前刀具的相关参数,在加工单元构成的过程中,将自动识别零件的所有转角几何特征并自动创建辅助线和进退刀宏。零件转角插铣应用实例如图9所示。