角度頭加工技術(shù)在航空結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究

胡敏，向兵飛，徐明，祝小軍，黃晶

（1.中國(guó)人民解放軍駐320廠軍事代表室，江西，南昌330024 2.中航工業(yè)洪都，江西，南昌330024）

角度頭加工技術(shù)在航空結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究

胡敏1，向兵飛2，徐明2，祝小軍2，黃晶2

（1.中國(guó)人民解放軍駐320廠軍事代表室，江西，南昌330024 2.中航工業(yè)洪都，江西，南昌330024）

角度頭能實(shí)現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工，但其制造工藝、裝夾方案、后置處理、加工參數(shù)等與常規(guī)刀具加工方法存在較大差異。本文通過(guò)分析角度頭在復(fù)雜難加工結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)其裝夾方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)不同主軸結(jié)構(gòu)尺寸的安裝，增強(qiáng)通用性。并通過(guò)角度頭后置處理中的坐標(biāo)系、機(jī)床構(gòu)型及運(yùn)動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)C-A構(gòu)型機(jī)床空間回轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的求解，同時(shí)，還開發(fā)了多構(gòu)型機(jī)床的角度頭后置處理系統(tǒng)。以緣條深槽結(jié)構(gòu)為例對(duì)角度頭加工技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，加工質(zhì)量和效率滿足結(jié)構(gòu)件的制造要求，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造提供了新的方法，且已在航空制造企業(yè)得到應(yīng)用。

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

角度頭（Angle Head）是數(shù)控加工中連接數(shù)控機(jī)床主軸和刀具的一種特殊刀柄，可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一次性裝夾多工序加工[1,2]。在航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工過(guò)程中，機(jī)床安裝角度頭后刀具旋轉(zhuǎn)中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線成角度加工工件，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的立臥轉(zhuǎn)換和任意角度的變換，增大機(jī)床的加工范圍和適應(yīng)性[3,4]，并能減少工件重復(fù)裝夾，提高加工精度和效率，可有效解決結(jié)構(gòu)件側(cè)面孔、側(cè)面腔的加工，也可用于機(jī)床主軸擺角后可能與工裝或零件發(fā)生干涉的側(cè)面結(jié)構(gòu)的加工。圖1為HSK-A63-AG90刀柄形式的角度頭。

圖1 HSK-A63-AG90刀柄形式的角度頭

本文針對(duì)航空結(jié)構(gòu)件復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，開展角度頭加工工藝技術(shù)、裝夾方案優(yōu)化、空間回轉(zhuǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和加工過(guò)程仿真技術(shù)研究，系統(tǒng)性的闡述了角度頭加工技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用方法。

1 角度頭加工技術(shù)應(yīng)用分析

1.1 航空結(jié)構(gòu)件難加工結(jié)構(gòu)特征分析

相比傳統(tǒng)刀具加工方式，角度頭可有效解決狹窄區(qū)域、緣條深槽、側(cè)邊孔等結(jié)構(gòu)的加工，避免復(fù)雜工裝訂制和工位變換。航空結(jié)構(gòu)件中存在一些特征，若采用普通刀具易形成加工“死角”或需要對(duì)工裝進(jìn)行訂制，采用傳統(tǒng)刀具加工方式，其數(shù)控加工難度大、效率低，質(zhì)量穩(wěn)定性差，如圖2所示的緣條深槽結(jié)構(gòu)、緣條孔結(jié)構(gòu)、狹窄區(qū)域孔結(jié)構(gòu)、空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)等。其加工復(fù)雜程度主要體現(xiàn)為：整體框梁類零件上的緣條孔，用傳統(tǒng)方式需要借用Z向尺寸較大的工裝，成本高且機(jī)床需要大擺角，如A角擺動(dòng)90°；零件內(nèi)形面上的凹槽特征，其解決方案與緣條孔相同，而內(nèi)形上的凹槽特征則采用傳統(tǒng)方式無(wú)法加工。對(duì)這些結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的加工方式往往需要訂制鉆孔模板通過(guò)鉗工來(lái)加工，或需要特殊的工裝，抑或是增加刀具、鉆孔的長(zhǎng)度來(lái)避免干涉，這些情況都存在操作復(fù)雜、加工成本高及加工風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。

1.2 航空結(jié)構(gòu)件角度頭加工優(yōu)勢(shì)

對(duì)于側(cè)邊深槽、孔、狹窄區(qū)域結(jié)構(gòu)或局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)加工工藝存在不足，采用能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)換向的角度頭刀柄能有效解決上述結(jié)構(gòu)的加工。其特點(diǎn)和加工優(yōu)勢(shì)為：

1）角度頭刀柄特點(diǎn)。

（1）雖然與機(jī)床連接的接口與常規(guī)刀具接口一致，但角度頭安裝方式與常規(guī)刀具存在差異。首先，角度頭的刀具根據(jù)機(jī)床構(gòu)型來(lái)確定安裝方向；其次，角度頭上的非轉(zhuǎn)動(dòng)模塊需要與機(jī)床的主軸進(jìn)行定位，以確定角度頭圍繞機(jī)床主軸的初始圓周方向。

圖2 典型難加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)

（2）首先，角度頭根據(jù)機(jī)床刀柄連接方式，配置了標(biāo)準(zhǔn)了接口，可適用于不同構(gòu)型的機(jī)床。同一角度頭上可匹配不同種類的刀具實(shí)現(xiàn)鉆削、銑削、鏜削等加工；其次，角度頭能夠進(jìn)行中低速切削，可滿足航空結(jié)構(gòu)件鉆削、鏜削和中低速銑削等加工要求。

2）角度頭加工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

在一次裝夾狀態(tài)下，使用常規(guī)加工方式和角度頭加工方式相結(jié)合，可以解決加工工藝中的難題或不需要訂制昂貴的專用工裝，其具體的加工優(yōu)勢(shì)為：

（1）根據(jù)角度頭結(jié)構(gòu)尺寸判斷能否加工狹窄區(qū)域，如圖2（c）所示的槽腔結(jié)構(gòu)側(cè)壁的孔結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)工藝訂制鉆模模板并手工鉆孔的工藝；

（2）大型結(jié)構(gòu)件的側(cè)面孔或側(cè)面深槽可采用角度頭側(cè)面加工。角度頭的使用，可避免部分需要換裝的情況，避免復(fù)雜工裝的訂制，如圖2（a）和圖2（b）所示結(jié)構(gòu)。

（3）可解決部分空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工，如圖2（d）所示。

（4）角度頭可實(shí)現(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換，可避免機(jī)床大擺角加工，也可解決常規(guī)加工方式擺角超程時(shí)的加工問(wèn)題。如傳統(tǒng)工藝A角擺動(dòng)120°時(shí)機(jī)床超程，采用90°角度頭刀柄，機(jī)床主軸僅需擺動(dòng)30°即可。

1.3 角度頭裝夾方案優(yōu)化

角度頭常規(guī)的安裝方式是在機(jī)床主軸固定端面制出安裝孔，然后將安裝基座通過(guò)螺栓連接固定在機(jī)床主軸端面，再將角度頭非轉(zhuǎn)動(dòng)模塊與安裝基座進(jìn)行配合。此種安裝方法存在一些不足：

2）安裝基座與主軸端面的配合需要在機(jī)床主軸端面制孔，安裝完成后需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行精度校準(zhǔn)。

針對(duì)上述不足，本文對(duì)安裝方案進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，可滿足同一安裝基座適用于多種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)床，安裝基座數(shù)量大量減少，通用性強(qiáng)，且不需在機(jī)床端面制孔。其安裝示意圖如圖3所示。

圖3 角度頭與機(jī)床主軸安裝示意

對(duì)其安裝基座和安裝方法進(jìn)行改進(jìn)，增加調(diào)整墊塊，增強(qiáng)通用性。改進(jìn)后的角度頭裝夾方案如下：

1）取消安裝基座與主軸端面的直接螺栓連接，改為過(guò)渡連接，避免了機(jī)床主軸端面制孔，并增強(qiáng)通用性。具體方法為：首先，選取機(jī)床主軸端面已有的螺栓連接孔，按照孔距和孔徑設(shè)計(jì)調(diào)整墊塊，將調(diào)整墊塊通過(guò)已有的安裝螺釘孔與機(jī)床主軸端面連接；然后，將安裝基座與調(diào)整墊塊通過(guò)螺栓連接，并設(shè)計(jì)兩個(gè)定位銷，用于兩者間的定位；最后，將角度頭上的非轉(zhuǎn)動(dòng)模塊與安裝基座的裝配面配合完成安裝。

2）根據(jù)機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)尺寸，選取通用性較強(qiáng)的安裝基座高度尺寸作為通用尺寸，并保證安裝基座和調(diào)整墊塊的剛性。調(diào)整墊塊為鋁合金結(jié)構(gòu)件，不需做特殊處理，僅需加工安裝孔，制造簡(jiǎn)單。根據(jù)機(jī)床主軸的不同尺寸配置調(diào)整墊塊即可實(shí)現(xiàn)少量安裝基座適用于大量機(jī)床的應(yīng)用，通用性強(qiáng)。

2 角度頭雙擺動(dòng)機(jī)床后置處理建模

2.1 角度頭雙擺頭機(jī)床空間回轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換

五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床采用角度頭刀柄進(jìn)行加工時(shí)，需要相應(yīng)的平動(dòng)軸數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)動(dòng)軸數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)床部件的運(yùn)動(dòng)。由于角度頭的特征，使用角度頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)件加工時(shí)的后置處理空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換要比常規(guī)后置處理困難。以C-A雙擺頭結(jié)構(gòu)機(jī)床為例進(jìn)行角度頭雙擺頭機(jī)床空間回轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的求解，如圖4所示為該結(jié)構(gòu)機(jī)床模型和運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)成。由于平移矩陣連乘與平移順序無(wú)關(guān)，其運(yùn)動(dòng)建?？蓺w為如下方法[3]。

圖4 C-A結(jié)構(gòu)機(jī)床模型和運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)成

為描述機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，建立圖5所示坐標(biāo)系統(tǒng)，其中坐標(biāo)系OmXmYmZm與定軸C固聯(lián)的坐標(biāo)系，其原點(diǎn)Om為兩回轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)，其坐標(biāo)軸方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致。坐標(biāo)系OwXwYwZw坐標(biāo)系為加工坐標(biāo)系，前置刀位數(shù)據(jù)基于該坐標(biāo)系而生成。OtXtYtZt為刀具坐標(biāo)系，其原點(diǎn)為刀具中心。

如圖5所示為機(jī)床初始狀態(tài)，工件坐標(biāo)系方向與機(jī)床坐標(biāo)系方向一致，刀具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。設(shè)回轉(zhuǎn)軸交點(diǎn)Om到刀具坐標(biāo)系原點(diǎn)Ot的距離為L(zhǎng)，記機(jī)床平動(dòng)軸相對(duì)于初始狀態(tài)的位置為rs(sx,sy,sz)?；剞D(zhuǎn)軸A、C相對(duì)于初始狀態(tài)的角度為θA和θC，角度逆時(shí)針方向?yàn)檎４藭r(shí)，工件坐標(biāo)系中刀軸矢量為u(ux,uy,uz)。由機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行坐標(biāo)變換，可得：

式中T和R分別為平移和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齊次坐標(biāo)變換矩陣，其中T1為機(jī)床回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相對(duì)于加工坐標(biāo)系的平移坐標(biāo)變換，T2為刀具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)床回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的平移坐標(biāo)變換，rs為機(jī)床平動(dòng)軸相對(duì)于初始狀態(tài)的位置矢量，rm為機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)于刀具坐標(biāo)系的位置矢量。

圖5 帶角度頭的C-A結(jié)構(gòu)機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)

根據(jù)Denavit和Hartenbeng提出的4×4齊次矩陣的空間轉(zhuǎn)換表示，將T和R帶入公式（1）～（4），可得：

由式（5）可得90°角度頭的擺角求解結(jié)果：

由式（7）可得：θC的解不唯一，根據(jù)刀軸矢量可得：

2.2 角度頭的RTCP點(diǎn)位設(shè)置

常規(guī)刀具通常將RTCP點(diǎn)設(shè)為刀具中心點(diǎn)，將角度頭刀柄的RTCP點(diǎn)設(shè)置在角度頭刀柄上的刀具旋轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床主軸線的交點(diǎn)，如圖6所示。后置處理中的程序點(diǎn)位輸出作如下變換：

圖6 角度頭的RTCP點(diǎn)位設(shè)置

3 角度頭加工技術(shù)應(yīng)用示例

以圖2（a）所示的側(cè)面深槽結(jié)構(gòu)為例說(shuō)明角度頭加工技術(shù)的應(yīng)用。該深槽為緣條通槽，深138mm，寬15mm，槽中心距離零件最低面為30mm。若采用傳統(tǒng)加工方法，則采用直徑為12mm長(zhǎng)度大于等于140mm的銑刀進(jìn)行粗精加工，機(jī)床A軸擺動(dòng)90°才能進(jìn)行側(cè)邊緣條深槽加工，未訂制Z方向行程較大的專用工裝，因此不能采用傳統(tǒng)加工方式加工。其次，采用的刀具長(zhǎng)徑比達(dá)到11.67，未對(duì)該長(zhǎng)徑比尺寸的刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，無(wú)可參考的切削參數(shù)。

采用角度頭加工技術(shù)解決該結(jié)構(gòu)的加工時(shí)，具體方案為：采用直徑為12mm長(zhǎng)度為70mm的刀具對(duì)緣條深槽兩側(cè)對(duì)接加工完成，既避免專用工裝訂制，加工效率和加工精度也能得到保證。為了得到角度頭加工程序，需要經(jīng)過(guò)后置處理和加工仿真驗(yàn)證。

3.1 角度頭加工后置處理的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)角度頭后置處理運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算結(jié)果，采用Visual Studio開發(fā)環(huán)境及VB語(yǔ)言進(jìn)行Windows應(yīng)用程序開發(fā)后置處理工具。重點(diǎn)是解決機(jī)床奇異點(diǎn)，即同一位置的多值問(wèn)題。與常規(guī)刀具后置不同，角度頭刀柄上的刀具，機(jī)床不能對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，后置處理時(shí)需要根據(jù)實(shí)際刀長(zhǎng)值進(jìn)行后置。開發(fā)的后置處理系統(tǒng)運(yùn)行示例如圖7所示，將實(shí)際刀具長(zhǎng)度D輸入系統(tǒng)，加載刀位軌跡文件，選擇機(jī)床，執(zhí)行后置處理操作，即可完成角度頭加工程序的后置。

圖7 角度頭加工后置處理系統(tǒng)運(yùn)行示例

后置完成后生成的G代碼示例如下：

3.2 角度頭加工過(guò)程仿真

角度頭的使用可以看成是在機(jī)床主軸上增加了一個(gè)附屬機(jī)構(gòu)，為保證角度頭在實(shí)際加工中使用的正確性，必須對(duì)角度頭的加工過(guò)程進(jìn)行仿真。角度頭加工過(guò)程仿真，主要是檢查角度頭機(jī)構(gòu)與工件的干涉情況以及角度頭加工軌跡的正確性[7-9]。如圖8所示為角度頭加工仿真配置及運(yùn)行示例。圖8（a）為建立的角度頭仿真刀具模型庫(kù)，圖8（b）為采用C-A雙擺頭機(jī)床和角度頭對(duì)圖2（a）所示的緣條深槽結(jié)構(gòu)的加工過(guò)程仿真示意及仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明，角度頭后置處理程序及應(yīng)用滿足仿真要求。

圖8 角度頭加工仿真配置及運(yùn)行示例

3.3 角度頭加工加工技術(shù)應(yīng)用

將角度頭加工技術(shù)的研究成果應(yīng)用于某結(jié)構(gòu)件緣條深槽的實(shí)際加工，如圖2（a）所示。該結(jié)構(gòu)外形為型面結(jié)構(gòu)，外形精度要求較高，深槽位置精度要求± 0.2mm，采用直徑為12mm長(zhǎng)度為70mm的刀具分粗精加工兩側(cè)對(duì)接完成。粗加工留余量0.5～1mm，精加工機(jī)床轉(zhuǎn)速S=4500～5500r/min，刀具每齒進(jìn)給量f= 0.035～0.045，切深A(yù)p≤1mm，采用斜線下刀或螺旋下刀，下刀角度A=2～5°。加工前以500r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行預(yù)熱，檢查角度頭夾持刀具的振動(dòng)情況，保證振動(dòng)幅值小于0.015mm。加工結(jié)果顯示，采用角度頭加工技術(shù)能有效解決該類結(jié)構(gòu)的加工，加工效率和加工精度得到有效保證，無(wú)需訂制專用工裝。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)航空結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，開展角度頭加工技術(shù)的應(yīng)用研究，分析了航空結(jié)構(gòu)件難加工結(jié)構(gòu)及角度頭加工技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)角度頭安裝方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，降低制造成本，增強(qiáng)機(jī)床通用性。還以C-A雙擺頭機(jī)床為例，建立了角度頭雙擺頭機(jī)床后置處理模型，并對(duì)空間角度變換進(jìn)行求解，開發(fā)了多構(gòu)型機(jī)床的角度頭后置處理系統(tǒng)。角度頭加工技術(shù)已在航空制造企業(yè)得到應(yīng)用，解決了多項(xiàng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工難題，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造提供了新的方法。

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Study on Application of Angle Head for Machining Aviation Structural Parts

Hu Min1,Xiang Bingfei2,Xu Ming2,Zhu Xiaojun2,Huang Jing2
(1.Military Representative Office in Factory 320 of PLA,Nanchang,Jiangxi,330024;
2.AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

The angle head can be used to realize machining of aviation structural parts with complicated structure, compared with machining using common cutters there is great difference in the fabrication process,fixing way,post processing and machining data.The paper analyzes advantages in application to optimize and improve the fixing way,realize mounting of main spindle with different dimensions and enhance universality.The solving of space rotary coordinates conversion of C-A machine has been realized by analyzing the coordinates in the post-processing, machine configuration and movement,meanwhile,the angle head post-processing system of multi-configuration machine has been developed.The deep groove structure of edge strip is taken as an example to verify machining technology using angle head,the result shows the machining quality and efficiency can meet the manufacturing requirements of structural part.A new method to manufacture structural part with complicated structure is provided, which has been applied in the aviation manufacturing enterprise.

A/C structural part;angle head;fixation optimization;post processing;numerical control machining

2016-02-01）

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床與數(shù)控系統(tǒng)在飛機(jī)筋肋梁等加工單元中的應(yīng)用”（2013ZX04001-021）。

>>>作者簡(jiǎn)介

胡敏，男，1979年出生，2001年畢業(yè)于南昌航空大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事航空裝備質(zhì)量監(jiān)督和技術(shù)應(yīng)用工作。

向兵飛，男，1986年3月出生，南京航空航天大學(xué)在讀博士研究生，工程師，現(xiàn)從事數(shù)控加工工藝技術(shù)工作。