技术领域
[0001] 本
发明涉及一种航空零部件的
机械加工方法,尤其是一种闭角根部的加工方法,具体地说是一种飞机结构件闭角清根方法。
背景技术
[0002] 随着航空制造技术的飞速发展，在现代飞机设计中，整体数控加工结构件的应用越来越广泛，从框、梁、地板到壁板都大量采用整体数控加工结构件。整体结构件有许多优势，它既可以减轻结构的重量，提高飞机的有效载重，同时也可以增强结构强度，减少连接件数量，提高飞机的疲劳寿命。为了满足飞机外形及
气动性能等方面的要求，飞机结构件一般结构复杂，具有一些不利于加工的闭角结构，严重制约了飞机结构件的加工效率。飞机结构件闭角结构加工后往往有比较大的加工残留，严重影响了飞机设计对飞机重量的要求。 [0003] 如中国
专利文献刊载的专利号ZL200710048269.7，授权公告日2009年3月11日，
发明名称“综合检测数控机床
精度的“S”形检测试件及其检测方法”，该专利公布了一种检测数控机床的S形检测试件，试件中包含了飞机结构件中常用的闭角结构，但未涉及闭角清根过程，在检测方法中的检测
位置也避开了闭角残留区域。采用传统的圆柱平底
铣刀加工闭角需要不断地减小刀具直径来减少加工残留，考虑到刀具刚性的问题，刀具直径不可能过小，因此闭角加工残留始终存在，最后需要通过人工手动去除。该方法使用多把刀具，成本高，工作量大，工作效率低，
质量不稳定。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对现有的闭角清根方法无法实现完全的机加工，且存在闭角清根加工成本高、效率低的问题，发明一种不仅能提高飞机结构件闭角清根效率，简化闭角清根工艺，而且能大幅度节约成本的飞机结构件闭角 清根方法。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 一种飞机结构件闭角清根方法，其特征是它包括以下步骤：
[0007] 首先，选择单刃刀片铣刀作为加工刀具，控制刀尖夹角α小于飞机结构件待加工闭角λ，使铣刀带有刀刃的一边与组成闭角的一个面平行；
[0008] 其次，建立飞机结构件闭角清根加工局部
坐标系，记
侧壁与
腹板的交点为C，C点绕刀轴旋转的虚拟中心点为O1，定义O1点为清根加工局部坐标系原点，刀具沿刀轴离开
工件方向为Z轴正方向，记为Z1；从O1点到C点定义为X轴的正方向，记为X1；Y轴的正方向用右手定律判断，记为Y1；定义
主轴旋转运动为W轴，顺
时针旋转方向为W轴的正方向，记为W1，当刀尖点P过X轴正方向时记W1=0度；
[0009] 第三，设定刀具旋转360度时，进给方向即Y1方向刀具进给的距离为S； [0010] 第四，根据闭角角度值λ、刀具半径r及每转进给距离S，计算刀具虚拟中心点O1任一时点在局部坐标系下的坐标值X1、Y1、Z1：
[0011] X1=0
[0012] Y1=W1·S/360
[0013] Z1=r(1-cos(W1))/tan(λ)
[0014] 并据此得出刀尖的运动轨迹方程：
[0015] PX1=rcos(W1)
[0016] PY1=rsin(W1)+W1·S/360
[0017] PZ1=r(1-cos(W1))/tan(λ)
[0018] 式中PX1为刀尖运动轨迹的X坐标值，PY1为刀尖运动轨迹的Y坐标值,PZ1为刀尖运动轨迹的Y坐标值，r为刀具半径，W1为刀具的转角；
[0019] 第五，通过坐标转换将上述刀具虚拟中心点O1在局部坐标系下的坐标值X1、Y1、Z1转换成全局加工坐标系下的坐标值X、Y、Z，并通过后置处理程序自动生成闭角清根数控加工程序；
[0020] 第六，使用五轴数控
铣床，根据所生成的闭角清根数控加工程序控制单 刃刀片铣刀旋转角度W1与刀具在空间运动的规律，使单刃刀片铣刀主刀刃清除闭角残留，完成闭角的清根。
[0021] 所述的单刃刀片铣刀的刀具半径r由清根工序前一把加工刀具半径R确定，其值为r≥R+1mm以保证腹板上的残留可以一次加工完成。
[0022] 所述的单刃刀片铣刀尖夹角α小于闭角角度即侧壁与腹板的夹角值λ，单刃刀片铣刀刀刃长度要大于侧壁残留的长度。
[0023] 所述的单刃刀片铣刀尖夹角α不大于闭角λ的90%。
[0024] 所述的单刃刀片铣刀的进给量S由刀具半径r及闭角清根允许的最大加工残留h确定，即
[0025] 所述的单刃刀片铣刀的进给量S的取值范围为0.1-0.5mm。
[0026] 所述的单刃刀片铣刀虚拟中心点O1在局部坐标系下的坐标值的确定方法为： [0027] 首先求出刀尖点P到侧壁与腹板的交点C在X1方向上的距离A的值，A=CP1=r-rcos(W1)=r(1-cos(W1))
[0028] 其次，如果只进行旋转运动，刀轴不进行上下运动，刀尖点P将切削到P1点，此时腹板将产生过切，如果把刀尖点P1点沿Z1方向移动到P点，刀尖点正好切在腹板上，因此Z1=P1P=CP1/tan(λ)=r(1-cos(W1))/tan(λ)；
[0029] 第三，根据闭角侧壁形状和每转进给距离S来计算X1和Y1，飞机结构件闭角侧壁形状一般与Y1轴平行，此时得出：
[0030] X1=0
[0031] Y1=W1·S/360
[0032] Z1=r(1-cos(W1))/tan(λ)
[0033] 上式中W1为刀尖旋转的角度，通过W1这个变量来求出刀具虚拟中心点在局部坐标系下的坐标值，此时刀尖点P的螺旋进给运动方程为：
[0034] PX1=rcos(W1)
[0035] PY1=rsin(W1)+W1·S/360
[0036] PZ1=r(1-cos(W1))/tan(λ)。
[0037] 本发明具有如下效果：
[0038] 1、本发明用一把刀具可以完成飞机结构件不同闭角角度的清根，方法通用性强。 [0039] 2、本发明简化了闭角清根工艺，提高了飞机结构件闭角清根效率，节约了清根刀具的成本。
[0040] 3、本发明清根效果好，无需人工去除残留材料，自动化程度高。
附图说明
[0041] 图1为本发明的清根方式与传统加工的对比示意图，图中左边为本发明清根方式示意图，图中右边为传统加工方式及残留材料示意图。
[0042] 图2为图1的A向视图，进一步说明局部坐标系的建立过程。
[0043] 图3为每转进给距离S计算方法示意图。
[0044] 图4为计算刀具虚拟中心点O1在局部坐标系下的坐标值计算原理图。 [0045] 图5为利用本方法得出的闭角清根的刀具轨迹图。
[0046] 图中：1为带闭角结构的飞机结构件，101为闭角侧壁，102为闭角腹板，2为单刃刀片铣刀，201为刀杆，202为刀片，203为刀轴，3为传统加工用圆柱平底铣刀，4为传统加工残留材料，401为侧壁残留，402为腹板残留，5为刀具中心加工轨迹，6为刀尖加工轨迹。 具体实施方式
[0047] 下面结构附图和
实施例对本发明作进一步的说明。
[0048] 如图1-5所示。
[0049] 一种飞机结构件闭角清根方法，它包括以下步骤：
[0050] 步骤101:根据清根工序前一把加工刀具半径R，来确定清根铣刀半径r。取r≥R+1mm来保证腹板上的残留可以一次加工完成。为了完成闭角的清根，清根铣刀选用单刃刀片铣刀，单刃刀片铣刀刀尖夹角α要小于闭角角度即侧壁与腹板的夹角值λ（一般不超过90%），飞机结构件闭角角度λ正常情况下满足70≤λ<90，因此α的最佳取值范围为50-60度，单刃刀片铣刀刀刃长度要大于侧壁残留的长度。
[0051] 步骤102:建立飞机结构件闭角清根加工局部坐标系。记侧壁与腹板的交点为C，C点绕刀轴旋转的虚拟中心点为O1，定义O1点为清根加工局部坐标系原点，刀具沿刀轴离开工件方向为Z轴正方向，记为Z1；从O1点到C点定义为X轴的正方向，记为X1；Y轴的正方向用右手定律判断，记为Y1；定义主轴旋转运动为W轴，顺时针旋转方向为W轴的正方向，记为W1，当刀尖点P过X轴正方向时记W1=0度。
[0052] 步骤103:确定刀具旋转360度时，进给方向即Y1方向刀具进给量S，进给量S的取值可以根据经验取0.1-0.5mm。进给量S也可通过刀具半径r及闭角清根允许的最大加工残留h来计算允许的最大距离S1，清根过程刀具刀尖P是运动在腹板平面上的一条连续的螺旋线，要计算刀具旋转360度时的最大距离S1比较因难，可以简
化成W1=0和W1=360度时刀具分别做旋转运动刀尖P所作2个距离为S2，半径为r的2个圆，得很明显简化后的S2小于S1，因此取S≤S2< S1，即 时加工残留小于h，满足加工的要求。
[0053] 步骤104:根据闭角角度值λ、刀具半径r及每转进给距离S，计算刀具虚拟中心点O1在局部坐标系下的坐标值。计算的核心是归纳出刀具旋转角度W1与Z1的参数关系，X1根据闭角侧壁形状来定义，Y1根据每转进给距离S来确定。计算的方法如下步骤： [0054] 步骤10401：首先求出刀尖点P到侧壁与腹板的交点C在X1方向上的距离A的值，A=CP1=r-rcos(W1)=r(1-cos(W1))
[0055] 步骤10402：如果只进行旋转运动，刀轴不进行上下运动，刀尖点P将切削到P1点，此时腹板将产生过切。如果把刀尖点P1点沿Z1方向移动到P点，刀尖点正好切在腹板上。因此Z1=P1P=CP1/tan(λ)=r(1-cos(W1))/tan(λ)。
[0056] 步骤10403：根据闭角侧壁形状和每转进给距离S来计算X1和Y1，飞机结构件闭角侧壁形状一般与Y1轴平行，此时得出：
[0057] X1=0
[0058] Y1=W1·S/360
[0059] Z1=r(1-cos(W1))/tan(λ)
[0060] 上式中W1为刀尖旋转的角度，通过W1这个变量来求出刀具虚拟中心点在局部坐标系下的坐标值。此时刀尖点P的运动方程为：
[0061] PX1=rcos(W1)
[0062] PY1=rsin(W1)+W1·S/360
[0063] PZ1=r(1-cos(W1))/tan(λ)
[0064] 根据上式分析可知刀尖点是在与侧壁成λ度的腹板平面上做螺旋进给运动。 [0065] 步骤105:通过坐标转换将刀具虚拟中心点O1在局部坐标系下的坐标值X1、Y1、Z1转换成全局加工坐标系下的坐标值X、Y、Z，通过后置处理程序生成闭角清根数控加工程序。 [0066] 步骤106:使用5轴数控铣床，运用单刃铣刀通过数控加工程序控制单刃铣刀旋转角度W1与刀具在空间运动的规律，使单刃铣刀主刀刃清除侧壁残留，刀尖与工件切削
接触点P在腹板平面上做切削运动，即清除腹板残留，最终完成闭角的清根。 [0067] 下面以某飞机结构件闭角清根为例对本发明作更进一步的具体说明，本实施例以具体的数值计算加以说明，具体实施时可根据本发明的原理
修改相应的参数，但这种修改仍属于本发明的保护范围中。
[0068] 图1所示为一种典型飞机结构件闭角结构，是经过前一工序加工后的状态图，图1中右角的黑板为待清根的部分，图1中左边的待清根部分与右边对称相同，图1中的闭角结构1包括闭角侧壁101和闭角腹板102，闭角角度λ＝70度，使用单刃刀片铣刀2在五轴数控机床上对闭角进行清根。具体的清根步骤如下：
[0069] 步骤101:如图1所示，根据清根工序前一把加工刀具半径R＝5，来确定清根铣刀半径r。根据r≥R+1mm，取r=6mm来保证腹板上的残留可以一次加工完成。为了完成闭角的清根，清根铣刀选用单刃刀片铣刀，铣刀刀尖夹角α要小于闭角角度即侧壁与腹板的夹角70度，取α＝60度。验证刀片 铣刀刀刃长度大于侧壁残留401的长度，因此r=6mm，α＝60度单刃刀片铣刀2满足清根的要求。
[0070] 步骤102:建立飞机结构件闭角清根加工局部坐标系，如图1和图2所示。记侧壁与腹板的交点为C，C点绕刀轴旋转的虚拟中心点为O1，定义O1点为清根加工局部坐标系原点，刀具沿刀轴离开工件方向为Z轴正方向，记为Z1；从O1点到C点定义为X轴的正方向，记为X1；Y轴的正方向用右手定律判断，记为Y1；定义主轴旋转运动为W轴，顺时针旋转方向为W轴的正方向，记为W1，当刀尖点P过X轴正方向时，记W1=0度，当刀尖点P过X轴负方向时，记W1=180度。
[0071] 步骤103:确定刀具旋转360度时，进给方向即Y1方向刀具进给的距离S，根据经验取S＝0.5mm，验算S是否满足允许的最大加工残留h＝0.1mm的要求。因为所以满足加工的要求。
[0072] 步骤104:根据闭角角度值λ、刀具半径r及每转进给距离S，计算刀具虚拟中心点O1在局部坐标系下的坐标值。坐标值是一个随变量W1的变化的函数，取W1＝0，1,2···359,刀具旋转每转取360个角度值离散求得360个坐标值，运用公式 [0073] X1=0
[0074] Y1=W1·S/360
[0075] Z1=r(1-cos(W1))/tan(λ)
[0076] 求得坐标值(单位mm)如下：
[0077] 旋转角度X1Y1Z1
[0078]
[0079]
[0080] 以上是刀具旋转360度内的刀具虚拟中心点的坐标值，刀具旋转其他角度的
算法是相同的，此处略。
[0081] 步骤105:通过坐标转换将刀具虚拟中心点O1在局部坐标系下的坐标值X1、Y1、Z1转换成全局加工坐标系下的坐标值X、Y、Z，通过后置处理程序 生成闭角清根数控加工程序，程序的刀轨如图5所示。
[0082] 步骤106:使用5轴数控铣床，运用单刃铣刀通过数控加工程序控制单刃铣刀旋转角度W1与刀具在空间运动的规律，使单刃铣刀主刀刃清除侧壁残留，刀尖与工件切削接触点P在腹板平面上做切削运动，即清除腹板残留，最终完成闭角的清根。 [0083] 经过上述步骤加工的闭角清根残留经检测结果在0.02-0.05mm，结果完全满足飞机结构件的设计要求，相比普通工艺加工的残留材料高度3-4mm有显著提高。 [0084] 本发明未涉及部分与
现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
