貯箱壁板正三角形型腔加工軌跡及系統(tǒng)研究

鄭 驥，張朋朋，韓 寧，殷 悅

ZHENG Ji1, ZHANG Peng-peng2, HAN Ning3, YIN Yue3

（1.首都航天機(jī)械公司，北京 100076；2.天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

0 引言

貯箱作為運(yùn)載火箭的重要組成部分，承載著火箭在飛行過(guò)程中所需的全部燃料。鑒于新一代運(yùn)載火箭輕質(zhì)化的要求，貯箱壁板在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了大量型腔，以減輕重量。目前，國(guó)內(nèi)火箭貯箱壁板型腔均采用機(jī)械銑切高速加工技術(shù)。然而，由于現(xiàn)階段高速加工受到加工軌跡和數(shù)控編程模式的限制，加工周期較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響型號(hào)研制進(jìn)度。因此，合理規(guī)劃型腔內(nèi)外加工軌跡、優(yōu)化數(shù)控編程模式，才能提高壁板加工效率，從而實(shí)現(xiàn)型腔數(shù)控加工的快速化、標(biāo)準(zhǔn)化。針對(duì)型腔高速銑削加工軌跡不符合要求這一問(wèn)題，Bieterman和Sandstrom[1～5]開(kāi)發(fā)了一種基于偏微分方程的平面型腔螺旋線加工軌跡生成方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，該加工軌跡可以節(jié)省14%的加工時(shí)間，并且能夠提高刀具壽命一倍。Hongcheng Wang[6]提出了一種基于矩陣的平面型腔高速加工軌跡優(yōu)化方法，利用矩陣公式減少切削過(guò)程中加速度的變化，保證一個(gè)穩(wěn)定的切削過(guò)程。Martin和Christian[7]提出了一種基于插值法的螺旋線軌跡生成算法，可以根據(jù)用戶(hù)指定的最大切削寬度生成無(wú)交叉、無(wú)殘留的型腔軌跡。Michel Bouard[8]提出了一個(gè)基于約束優(yōu)化問(wèn)題的方法，通過(guò)優(yōu)化加速度及軌跡曲率，獲得一個(gè)最小的加工時(shí)間。以上這些方法都是通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法獲得加工軌跡。本文從型腔加工要求出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有加工方式以及國(guó)外先進(jìn)加工方式，主要從加工軌跡和加工編程系統(tǒng)兩個(gè)方面展開(kāi)研究，提高加工效率。

1 正三角形型腔現(xiàn)有加工方式

目前，UG-CAM系統(tǒng)自動(dòng)生成的正三角形型腔加工軌跡如圖1所示。該軌跡存在尖角過(guò)渡（圖1中B點(diǎn)所示），為避免高速銑切在尖角處產(chǎn)生慣性沖擊折斷主軸、損壞刀具、造成零件過(guò)切，UG-CAM系統(tǒng)默認(rèn)在尖角處將速度減至原速的30%，這樣一來(lái)嚴(yán)重影響加工效率。而且，對(duì)于型腔批量加工，UG-CAM系統(tǒng)本身也存在著操作繁復(fù)不便、批量處理效率低下的問(wèn)題。

圖1 UG-CAM系統(tǒng)自動(dòng)生成的軌跡

針對(duì)上述傳統(tǒng)加工軌跡不符合要求的問(wèn)題，波音公司提出一種基于偏微分方程的型腔切削軌跡定義方法，如圖2所示。研究表明：改進(jìn)后的銑削路徑可以節(jié)省14%的加工時(shí)間。這一研究發(fā)現(xiàn)在德?tīng)査?壁板網(wǎng)格高速銑中得到了驗(yàn)證。

圖2 波音加工軌跡

針對(duì)上述現(xiàn)有加工方式存在的問(wèn)題，本文提出如下研究目標(biāo)：一是針對(duì)正三角形型腔規(guī)劃銑切軌跡，提高壁板加工效率；二是規(guī)范編程方式，實(shí)現(xiàn)型腔加工區(qū)域的批量選取、加工軌跡的快速生成，提高CAM編程的自動(dòng)化水平。基于該目標(biāo)，本文采用螺旋線的走刀原理，設(shè)計(jì)了直線和相切圓弧首尾相接的軌跡用于正三角形型腔的加工，設(shè)計(jì)了雙向行式的型腔間加工方式，并基于該方法開(kāi)發(fā)了壁板型腔加工的編程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了正三角形型腔的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化加工。

2 正三角形型腔加工軌跡研究

型腔加工分為型腔內(nèi)加工和型腔間移刀，型腔內(nèi)加工分為粗加工和精加工兩部分。提高加工效率，規(guī)范加工方式，則需要對(duì)型腔內(nèi)加工軌跡以及型腔間移動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化。型腔內(nèi)粗加工均采用較大直徑的刀具快速去除大量材料，精加工均采用較小直徑的刀具保證型腔側(cè)壁、底角和頂部圓角的加工質(zhì)量要求。由于大部分材料在粗加工階段去除，因此，粗加工效率對(duì)整個(gè)加工過(guò)程有極其重要的影響，應(yīng)盡量縮短粗加工走刀軌跡長(zhǎng)度、減少甚至避免大曲率變化軌跡，特別是尖角，避免慣性沖擊，延長(zhǎng)刀具和機(jī)床的使用壽命，提高加工效率。

2.1 型腔內(nèi)加工軌跡

2.1.1 粗加工軌跡規(guī)劃

粗加工軌跡存在拐角是傳統(tǒng)加工方式中最大的缺點(diǎn)，本文采用幾何作圖法解決此問(wèn)題。幾何作圖基礎(chǔ)法的思想是圓形型腔螺旋線式走刀軌跡，對(duì)于圓形型腔來(lái)說(shuō)，螺旋線是最佳的走刀軌跡，可根據(jù)刀具直徑選擇合理的行距以確保無(wú)殘余，而且軌跡光滑連續(xù)，如圖3所示。

按此原理，對(duì)于非圓形型腔，例如正三角形型腔，如圖4(a)所示，沿正三角形型腔的三條外輪廓邊，將每一圈的螺旋線“壓進(jìn)”型腔輪廓內(nèi)，這樣，該螺旋線會(huì)沿外輪廓“擠壓”變形，如圖4(b)所示。再根據(jù)刀具直徑設(shè)置合理間距，用直線和圓弧首尾相接的方式圓滑過(guò)渡，確保無(wú)殘留。這就是作圖法規(guī)劃正三角形型腔粗加工軌跡的基本原理。

圖3 圓形型腔螺旋線式走刀軌跡

圖4 螺旋線壓進(jìn)正三角形型腔

依據(jù)螺旋線走刀原理，從型腔邊界出發(fā)，由外圈向內(nèi)圈依次確定軌跡必經(jīng)點(diǎn)，從型腔輪廓中心進(jìn)刀，螺旋線式逐層向外擴(kuò)展，每一切削循環(huán)均采用直線與圓弧首尾相切的相接方式，路徑曲線滿足一階連續(xù)，最終形成線段圓弧式軌跡。其難點(diǎn)是為確保加工區(qū)域無(wú)切削殘留，必須在型腔內(nèi)找到軌跡必經(jīng)點(diǎn)。具體規(guī)劃方法如下：

1）定義型腔幾何輪廓中心

取型腔幾何圖形內(nèi)的一點(diǎn)，使得該點(diǎn)與輪廓各頂點(diǎn)的距離近似相等，本文把該點(diǎn)稱(chēng)為型腔幾何輪廓的中心，中心即為刀具進(jìn)刀點(diǎn)。在正三角形⊿ABC中，中心為型腔輪廓形心。如圖5所示，O為形心，OA=OB=OC，中心點(diǎn)O即為刀具進(jìn)刀點(diǎn)。

圖5 定義型腔幾何輪廓中心

2）定義特征線

將中心與輪廓各頂點(diǎn)連成直線，構(gòu)成特征線。在正三角形⊿ABC中，連接OA、OB、OC，則OA、OB、OC即為正三角形型腔的特征線，如圖6所示。

圖6 定義特征線

3）確定特征點(diǎn)

從型腔邊界出發(fā)，依據(jù)螺旋線走刀方式，由外向內(nèi)依次確定軌跡特征點(diǎn)。特征線為型腔輪廓與型腔中心連線最長(zhǎng)距離，只要保證特征線無(wú)切削殘留量，則整個(gè)型腔一定滿足無(wú)殘留量的要求。首先在特征線上，確定最外層必經(jīng)點(diǎn)，再根據(jù)刀具直徑確定合理的行距c，在特征線上，由行距c依次確定內(nèi)層的必經(jīng)點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 在特征線上確定必經(jīng)點(diǎn)

4）過(guò)已知的特征點(diǎn)作圓弧

在傳統(tǒng)加工軌跡里，在特征線處往往是尖角轉(zhuǎn)折處，會(huì)帶來(lái)一系列加工缺陷，因此，本文要用與特征點(diǎn)相切的圓弧來(lái)實(shí)現(xiàn)軌跡平滑過(guò)渡，避免尖角減速。當(dāng)尖角過(guò)渡圓弧半徑越大時(shí)，軌跡總長(zhǎng)度越長(zhǎng)。本文設(shè)定一個(gè)能夠滿足尖角不減速的的最小值半徑的圓弧，使得軌跡總長(zhǎng)度最短。過(guò)已知的特征點(diǎn)作與其相切的圓弧，圓心位于特征線上，如圖8所示。

圖8 在特征點(diǎn)上作出過(guò)渡圓弧

5）作兩圓弧的外公切線

如圖9所示，對(duì)同一圈圓弧，依次做外公切線，使得該圈軌跡的圓弧和直線首尾相接。

圖9 作兩圓弧外公切線

6）從型腔輪廓中心進(jìn)刀，螺旋線式逐層向外擴(kuò)展

依次連接每一圈的直線-圓弧段，構(gòu)成由直線和相切圓弧首尾相接的刀心軌跡，如圖10所示，這樣，通過(guò)幾何作圖法，完成了正三角形型腔內(nèi)粗加工軌跡的生成。

圖10 幾何作圖法得到的三角形型腔螺旋線式軌跡

2.1.2 精加工軌跡規(guī)劃

精加工軌跡由正三角形型腔頂部過(guò)渡圓角半徑、刀具直徑和重疊量確定，在完成側(cè)壁加工的同時(shí)保證能夠完成三角形頂部的清根。傳統(tǒng)精加工軌跡是兩圈正三角形，即內(nèi)圈三角形完全用于頂部清根工作，本文以清根圓代替內(nèi)圈正三角形，在完成清根工作的同時(shí)，極大地縮短了加工時(shí)間。規(guī)范后的精加工軌跡如圖11中藍(lán)色線所示。

圖11 型腔內(nèi)精加工軌跡

2.2 型腔間加工軌跡

上面提到，貯箱壁板正三角形型腔加工軌跡包括型腔內(nèi)的切削運(yùn)動(dòng)軌跡與型腔間的非切削運(yùn)動(dòng)（移刀）軌跡，后者還可進(jìn)一步細(xì)分為型腔間軌跡和進(jìn)退刀軌跡。由于進(jìn)退刀軌跡較為簡(jiǎn)單，在此主要介紹型腔間的軌跡規(guī)劃方法。

傳統(tǒng)加工過(guò)程中，一些CAM系統(tǒng)對(duì)于批量型腔加工時(shí)的型腔間軌跡往往有不必要的迂回，增加了機(jī)床的非切削行程。本文鑒于貯箱壁板正三角形型腔均為平行規(guī)則的緊密排布方式，結(jié)合雙向行式方法，故考慮“橫向優(yōu)先”和“縱向優(yōu)先”兩種軌跡規(guī)劃方式，如圖12、13所示，其中紅色線表示型腔間移刀軌跡。

圖12 縱向優(yōu)先類(lèi)雙向行式軌跡

圖13 橫向優(yōu)先類(lèi)雙向行式軌跡

3 正三角形型腔加工系統(tǒng)研究

基于正三角形型腔加工編程方式規(guī)范的要求，本文開(kāi)發(fā)了貯箱壁板數(shù)控加工編程系統(tǒng)。采用UG二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了與UG系統(tǒng)的無(wú)縫銜接。在保留UG-CAM原有操作模式下，對(duì)相應(yīng)功能和應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，使得操作更加簡(jiǎn)便，編程方式更規(guī)范。

3.1 批量型腔特征識(shí)別

貯箱壁板模型的加工區(qū)域以正三角形型腔為主，單個(gè)模型的型腔數(shù)量多達(dá)數(shù)百個(gè)，在UG-CAM編程時(shí)若采用手動(dòng)拾取加工區(qū)域的方式，效率太低。而現(xiàn)有編程系統(tǒng)并不提供基于幾何拓?fù)湫螤畹呐窟x擇機(jī)制，因此，本文結(jié)合貯箱壁板三維模型，采用針對(duì)正三角形型腔的特征識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了加工型腔區(qū)域的快速自動(dòng)選擇，如圖14所示。

圖14 基于特征技術(shù)的正三角形型腔識(shí)別

正三角形型腔的特征識(shí)別方法：

1）首先拾取一個(gè)三角形型腔底面，作為批量選取的匹配面。用戶(hù)拾取匹配面后，系統(tǒng)根據(jù)面的邊界組成環(huán)每條邊的信息，判別是否為三角形型腔，進(jìn)而取得平面位置、三角形尺寸等。

2）遍歷貯箱壁板模型所有的面，找到并選取所有與匹配面相同的加工區(qū)域。判斷條件為：平面且與匹配面重合、形狀為等邊三角、頂點(diǎn)位置有相同的圓角過(guò)渡、三角形高與匹配面相同，圓角半徑與匹配面相同。

3）通過(guò)特征識(shí)別，獲取三角形型腔的幾何參數(shù)、個(gè)數(shù)以及空間布局形式。

3.2 刀具軌跡的干涉檢查與修正

在壁板型腔加工時(shí)刀具可能與零件產(chǎn)生干涉，在刀軌生成過(guò)程中和結(jié)束后都要進(jìn)行干涉的檢查。本系統(tǒng)與UG無(wú)縫集成，借助UG平臺(tái)即可完成干涉檢查與修正。

3.3 試切實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

本文以火箭貯箱壁板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行實(shí)際加工，通過(guò)驗(yàn)證，型腔加工時(shí)間比原UG加工減少26.23%，編程操作時(shí)間由幾個(gè)小時(shí)縮短為幾分鐘，加工軌跡比波音公司的軌跡更優(yōu)。本文型腔內(nèi)粗加工均采用線段圓弧式軌跡，避免了數(shù)控程序插補(bǔ)復(fù)雜曲線對(duì)資源的消耗，在實(shí)際縮短加工時(shí)間的同時(shí)，也提高了刀具和機(jī)床的使用壽命。如圖15(a)為UG傳統(tǒng)軌跡加工，右圖15(b)為本文開(kāi)發(fā)的數(shù)控編程系統(tǒng)生成軌跡加工。

圖15 實(shí)際加工效果對(duì)比圖

表1 加工效率對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，該數(shù)控加工編程系統(tǒng)在型腔批量選取、加工軌跡等方面的優(yōu)化，滿足了正三角形型腔加工要求，大幅提高了CAM編程效率和壁板實(shí)際加工效率，并且操作簡(jiǎn)便，體現(xiàn)了貯箱壁板數(shù)控加工編程系統(tǒng)優(yōu)越性。

本文提出的面向高速加工的線段圓弧式軌跡規(guī)劃方法，主要優(yōu)點(diǎn)是采用幾何作圖法規(guī)劃型腔加工軌跡，簡(jiǎn)單有效，加工軌跡均由滿足一階連續(xù)的直線和圓弧構(gòu)成，徹底解決了高速加工中軌跡的光滑、連續(xù)、切削載荷均衡的問(wèn)題，避免了尖角減速對(duì)效率、精度、刀具質(zhì)量帶來(lái)的不良影響。同時(shí)，縮減了運(yùn)行程序量，大幅提高了編程操作效率。在切削實(shí)驗(yàn)中，與傳統(tǒng)加工相比，采用本方法的加工效率提高26.23%。

未來(lái)的研究方向是將本方法應(yīng)用于更多形狀的型腔，進(jìn)一步提高型腔類(lèi)零件的加工效率。

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