角度頭在飛機結構件五軸數控加工中的應用*

周 進 王鵬程

(成都飛機工業(集團)公司數控加工廠，四川 成都 610092)

角度頭在飛機結構件五軸數控加工中的應用*

周 進 王鵬程

(成都飛機工業(集團)公司數控加工廠，四川 成都 610092)

通過對飛機結構件數控加工工藝進行分析，說明了角度頭在飛機結構件難加工結構中的優勢，給出了數控加工中角度頭位姿的選取方法和角度頭加工刀軌生成方法。依據加工機床的結構形式和運動變換特征，給出角度頭后置處理坐標轉換的計算方法，并基于RTCP給出角度頭后置處理非線性誤差的補償方法。以復雜艙蓋工件為例對角度頭數控加工技術進行驗證，結果表明，角度頭加工技術不僅提高了工件的加工質量和加工效率，降低了難加工結構的成本，也拓展了數控機床的加工范圍。

飛機結構件；角度頭；數控加工；后置處理

隨著對現代飛機機動性、隱身性要求的不斷提高，現代飛機設計技術逐步邁進了一個新的時代。復雜化、集成化是目前飛機結構工件最具鮮明的特征，比如大量的主交點孔、掛架孔等結構的設計取代獨立的接頭工件而直接集成在飛機的主承力框、梁結構上，在某型機結構工件的設計中體現的尤為明顯。

結構的集成化使得工件在空間結構上存在難加工的結構，主要表現為開敞性差和側壁存在大量特殊要求的結構等方面，如圖1所示。由于受到制造資源的限制，此類結構通過傳統的數控加工方式難以達到要求，被稱為數控加工的“死角”區域，給飛機結構件的數控加工帶來極大挑戰。

角度頭作為飛機結構件加工中的一種新型工具，通過機床主軸帶動齒輪組傳遞動力來改變刀具切削的方向，使刀具旋轉軸心線與機床主軸旋轉軸心線具有一定的角度，可以實現機床的立臥轉換和任意角度的變換，在不需改變機床結構的情況下可以拓展機床的加工范圍和適應性，能減少工件加工過程中的重復裝夾次數，增加了數控加工的柔性，使飛機結構件加工中傳統方法無法完成的工作得以實現，為飛機結構件的數控加工提供新的解決方案。

目前國內外企業和研究機構對角度頭在數控加工中的應用進行研究，能夠很好地解決復雜、開敞性差的飛機結構件的數控加工問題。因此，本文就飛機結構件中的難加工結構，開展角度頭在數控加工中的應用研究，通過對飛機結構件難加工位置加工工藝進行分析，系統性地闡述了角度頭在飛機結構件加工中的關鍵技術和應用方法，并通過實例進行驗證。

1 飛機結構件數控加工工藝性分析

隨著飛機性能要求的提高，飛機結構件整體性越來越強，其結構更加復雜。飛機結構件存在大量狹窄區域，開敞性差，同時工件側面存在大量孔槽、U型槽、高精孔等難加工結構，這些結構件不僅加工難度大，而且多數存在特殊要求，加工精度要求高，且受工件周圍結構的影響較大。這大大提高了工件的加工難度和加工成本，降低了工件的加工效率，并嚴重影響了飛機的研制周期。

針對新型飛機結構件的特點，傳統的加工方法常采用多道工序進行加工，對工件進行反復裝夾，或者通過鉆模制孔、使用大擺角機床加工和采用較大長徑比的刀具進行加工，最后通過鉗工手工對工件進行修繕，保證工件的加工要求。傳統的數控加工工藝方法具有以下不足：

(1)對于狹窄、開敞性差的區域，易發生機床主軸與工件干涉。

(2)使用較大長徑比刀具加工時，影響加工系統的剛性，難以保證加工精度和加工效率。

(3)使用機床大擺角加工時，機床存在擺角誤差，難以保證加工精度。

(4)使用鉆模和多次裝夾，不僅增加了訂制鉆模和工裝的成本，也對工件的加工精度和加工效率產生影響。

(5)大量增加鉗工的工作量，影響工件的交付周期。

角度頭由于獨特的結構形式，能夠很好地改善傳統加工方法的不足，能夠通過一次裝夾完成多個結構的加工，減少工件的裝夾次數和工裝等數量，降低制造成本，同時能夠改善加工系統的剛性和柔性，減少工藝準備的時間，提高飛機結構件的加工質量和加工效率。

2 飛機結構件角度頭加工技術

2.1 角度頭加工位姿選取

角度頭作為一種改善機床加工性能的工具，其廣泛使用于五軸數控機床上。角度頭在五軸機床的運動可以分解為回轉運動和平移運動，如圖2所示。五軸機床隨不同回轉軸和回轉方式具有不同的特點，本節主要以AC刀具雙回轉類型機床為例進行闡述。

2.1.1 角度頭加工位姿分析

如圖3所示，假設角度頭的初始安裝方向為Y正方向，此時機床擺角都處于零位，即A=0°、C=0°，由于機床為AC擺角機床，B軸無法運動，在加工工件的過程中，角度頭與工件會發生碰撞干涉，影響工件的加工。要實現工件的加工，在該狀態下需要角度頭繞機床Y軸做一定角度的旋轉，即B軸能夠產生擺角，從而避免與工件發生干涉。

通過對角度頭與機床擺角的轉換分析，調整角度頭初始安裝方向，將角度頭的初始安裝方向沿Z軸進行旋轉，可以實現加工坐標的轉換，在AC擺角機床上實現等效B軸的擺動。為了實現角度頭與工件無干涉，同時方便加工程序的后置處理，則角度頭的初始方向應沿X負向如圖4所示。該初始狀態下使機床擺角C=90°時，坐標系相當于繞Z軸旋轉90°，X軸正向變為Y軸負向，Y軸正向變為X軸正向，機床A擺角相當于轉換為B擺角，通過A擺角即可以避免角度頭與工件發生干涉，如圖4所示。

2.1.2 角度頭避讓角度計算

對避讓角度運算分析圖5進行分析，得到如下計算公式：

(1)

式中：b為角度頭大端半徑；L為角度頭工作段長度；α為角度頭碰撞臨界軸線轉角；β為工件輪廓邊緣相對于角度頭初始軸線夾角。

例如，使用牌號為HSK-SLA-08角度頭，b=50 mm，L=105 mm，鎖孔所在筋條相對于角度頭初始軸線角度β=21°，由公式(1)推導得出避讓臨界角α計算公式為：

(2)

將b、L、β值分別代入公式(2)得到鎖孔筋條避讓臨界角度為α=4.5°，即在程序編制中只要避讓角度大于4.5°，角度頭與鎖孔筋條就不會發生干涉。

2.2 飛機結構件角度頭加工刀軌生成方法

針對飛機結構件側壁高精孔的加工，通過普通鉆頭無法實現加工要求，需要采用鉆孔-擴孔-鉸孔或者鉆孔-擴孔-鏜孔的方式實現，高精孔加工的刀具依據孔徑的大小選擇相應的硬質合金刀具。

在使用角度頭加工時，由于角度頭特殊的結構和性能，其加工參數的選取需要考慮角度頭的特性和機床性能。使用角度頭加工的參數主要包括轉速、進給等。由于角度頭存在轉速比的轉換，因此刀具的實際轉速和進給需要通過計算獲取。

機床主軸的轉速可以表示為

(3)

式中：n為主軸轉速，r/min；Vc為切削(線)速度，m/min；Dc為刀具直徑，mm。

則角度頭的轉速為

n1=k1·n

(4)

式中：n1為角度頭輸出轉速(刀具轉速)，r/min；k1為角度頭轉速比(輸入轉速與輸出轉速比)。

得到角度頭的轉速后，則可以計算刀具的進給速度F為

F=n1·fn

(5)

式中：fn為每轉進給量，mm/r。

通常Vc和fn的范圍會由刀具廠商給出推薦值，以硬質合金鉆頭和HSK-SLA-08角度頭為例Vc=38 m/min，fn=0.1 mm，HSK-SLA-08角度頭轉速比k1為3，可以得到φ17H8的高精孔不同刀具的加工參數，如表1所示。

表1 不同規格刀具的切削參數

序號刀具規格切削參數1?8mm整體硬質合金鉆頭n=504r/min，F=50．4mm/min2?11mm整體硬質合金擴孔鉆頭n=367r/min，F=36．7mm/min3?14mm整體硬質合金擴孔鉆頭n=288r/min，F=28．8mm/min4?15～?18mm孔徑鏜刀n=235r/min，F=23．5mm/min

確定高精孔加工的主要加工參數后，以孔為驅動元素，設定孔的側壁和深度等參數，通過計算獲得飛機結構件側壁高精孔的加工刀具軌跡。

2.3 角度頭后置處理技術

2.3.1 角度頭后置處理算法

根據機床的結構形式及運動變換特征，通過計算得到后置處理坐標轉換公式，將代表刀具軌跡的刀位數據文件轉換成五坐標數控機床可運行的機床后置程序，即為后置處理。準確的后置處理可以保證加工程序的準確性，保證工件加工的質量及精度要求，同時可以提高機床運行過程中的可靠性。

本文中以AC擺角機床為例，對角度頭方向矢量計算方法作簡要分析介紹。

2.3.2 基于RTCP的后置處理非線性誤差補償

在五軸數控加工機床中，刀具中心和主軸頭的旋轉中心存在樞軸中心距。樞軸距使加工中刀具的擺動引起刀具中心點平移坐標的變化。使用角度頭進行五軸聯動加工時，當機床各軸進行插補運動時，角度頭刀柄的擺動帶動刀具擺動，使刀具中心點實際運動軌跡偏離編程的直線，產生非線性誤差，如圖8所示。非線性誤差由角度頭主軸方向和刀具軸線方向上的誤差合成而來。

為保證加工中刀具中心點能夠按照設定的刀具軌跡和加工精度進行運動，在后置處理中通過數控系統中的RTCP功能對非線性誤差進行補償。RTCP是數控系統中能夠直接處理刀具中心點信息的功能，是解決非線性誤差問題的關鍵。

由圖8可知。Tol和步長S的關系為：

(6)

然后通過輸入程序中相鄰兩個刀具中線點的刀位，刀具的長度和允許的誤差值，在不滿足條件的刀位點之間添加其余的刀位點，使產生的非線性誤差在允許值范圍，保證加工精度要求。

3 角度頭加工技術的工程推廣應用

本文在相關數控加工技術研究及項目的支持下，使用角度頭實現了某型飛機大型艙蓋工件難加工位置的數控加工，攻克了集成化飛機結構件的加工難點，實現了飛機工件交點孔、緣條、筋條孔等復雜特征的優質、低成本數控加工。如圖9所示，通過對角度頭加工技術的研究與推廣，在某型飛機項目研制中應用到160余項工件的生產中，在保證工件生產進度及質量的前提下，節省了數百萬元的工裝制造成本及工序周轉成本，為某型飛機項目的研制作出了重要貢獻。通過這部分工件的實際生產，證明了角度頭數控加工工藝技術的可行性，同時加工方法較人工手動操作具有高效、可控、穩定性高的特點，對復雜特征飛機結構件的數控加工及數控機床加工范圍的擴展具有巨大的推廣應用價值。

4 結語

本文基于飛機結構件難加工結構的加工，通過對飛機結構件數控加工工藝進行分析，從角度頭加工的技術和角度頭加工后置處理等方面對飛機結構件角度

頭加工技術進行研究。

通過使用角度頭數控加工技術，解決了飛機大型復雜結構件難加工結構的數控加工問題，提高了飛機結構件的加工質量和加工效率，降低了加工成本，同時拓展了數控機床的應用范圍。數控制孔取代了人工手動制孔，降低了勞動強度，提高了產品的加工效率和質量。

[1]全榮.五坐標聯動數控技術[M].長沙：湖南科學技術出版社，1995.

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Application of angle head in five axis NC machining of aircraft structure

ZHOU Jin, WANG Pengcheng

(AVIC Chengdu Aircraft Industrial(Group)Co.,Ltd., Chengdu 610092, CHN)

Through the analysis of aircraft structural parts of NC machining process, the angle-head’s advantages were indicated in the difficult processing structure of aircraft structural parts, and the posture selection and machining tool path generation method of angle-head were given in NC machining. According to the structure form and motion transformation of the angle-head was given, and compensation method of the nonlinear tolerance was given based on the RTCP. Using complex parts as an example, the head angle CNC machining technology is verified, and the results show that head angle processing technology not only improved the machining quality and efficiency, reduced the processing cost of difficult machining structure, but also expanded the range of CNC machining.

aircraft structural parts; angle-head; NC machining; post process

V262

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.030

周進，男，1987年生，工程師，主要研究方向為數控加工工藝程編技術應用。

藝) (

2016-09-24)

161233

*國產五軸聯動數控機床柔性生產線及生產單元飛機結構件應用示范基地(2015zx04001002)