航空制造数控加工刀轨优化算法探讨

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摘要：提出一种刀轨优化算法，通过对航空机械制造中复杂工件的刀轨点位进行优化，从而使刀具下刀位置更加准确，走刀速度更快，以期达到提高航空机械工件加工质量的目的。

关键词：航空制造；数控；刀轨算法

在现代大型航空制造中，航空制造的工件具有体积大、制造难度高、制造工艺复杂、技术含量高等特点。飞机的大部分工件具有强度高、质量小、工件壁薄、容易变形、加工难度大等特性。随着数控机床在现代制造业中的普及，目前大部分的工件都是在数控机床上进行加工制造。数控加工，基于工件特征的数控加工工艺已非常流行和普及，机械工件的加工特征主要包括工件加工过程中与加工工序工艺密切相关的所有信息的集合，其中就包括加工工艺的规划和刀具轨迹的信息。比较重要的特征是孔加工直径、圆心位置、中心轴的方向及加工切削深度等。基于特征的数控加工在现代CAD机械加工设计中是较为重要的信息。如何对航空制造中飞机零部件进行精细数控加工，是航空制造工程师面对的较为关键的技术难题，而利用零部件的特征信息对数控加工进行设计是一个较为可行的办法。在数控加工中，刀轨的算法设计对整个机械工件的加工至关重要，直接决定了工件的加工质量和误差。本文设计一种刀轨优化算法，对于复杂工件加工，采用插补算法增加额外的刀轨，使刀具下刀位置更加准确，走刀速度更快，进而使得机械工件加工质量大大提高。

1传统刀轨设计

在航空机械工件加工过程中，刀具的选择直接决定了数控加工的速度和加工效率[1]。如果选择直径大的刀具，可以以较快的速度切削更多[2]，由于飞机零部件的几何形状大多不规则，这样会留下更多的加工残余料。为了保证不产生或少产生加工残余，就必须选择合适的刀具，同时不能选取直径太大的刀具，这样切削量变小，使得加工轨迹变长，则加工速度大打折扣。为了综合解决这两个问题，可以选取多个刀具进行多次加工操作，先选取大直径刀具加工，可以快速切削加工工料，再根据需要把刀具直径从大到小依次加工，这样就可以快速、高质加工工料。目前传统的机械加工一般是先用较大直径的刀具在短时间内切削大部分的工料[3]，粗加工完成后再用直径小的刀具切削残留的工料达到精加工的目的，完成工件的数控加工制造。

2刀轨算法优化设计

刀具走刀轨迹路径，是指刀具加工工件时切削方向的连线。在本文数控加工刀轨优化算法设计时，首先要确定加工区域的边界，完整的加工区域边界确定后，还需要确定大直径刀具切削完剩余的残留区域，通过残留区域边界的计算，方便设计小直径刀具的刀轨优化方案，通过逐步计算刀轨是否在切削残留区域边界内，判断刀轨的合理性，然后把不合理的无效刀轨删除，计算下一步刀轨的切削方向。刀具在机械工件加工中的位置信息可以用刀具中心点和刀轴矢量进行表示，刀具中心点可以为刀心点或者刀尖点，刀位点数据可以确定刀具在机械工件加工过程中任一位置点的全部所需数据。在有效的加工区域内确保刀位所处线段的平行线分布均匀，在保证残留高度的情况下，以最大距离来平均分平行线段，得到均分点，这个均分点就是刀位点，然后检查是否为有效的刀位点，如果不是有效刀位点，说明刀具在该点不能切削到残留区域，是无效刀位点，删除该刀位点。刀位轨迹线是机械加工中由所有刀位点所组成的曲线，每一点包含一个刀轴矢量。刀具的轨迹线可以通过切触点曲线定义刀具偏置并计算出来，然后存储在刀位文件中。在不规则的工件加工中，很多时候由于刀轴方向不是平行的，刀位点在加工区域内也不能保证所有中心轨迹都在已加工区域内，所以还必须添加额外的刀轨来保证所有的中心轨迹在刀具切削过程中，都在已加工区域内部，根据插补方法的不同，一般用起始下刀点处插补、中间过程中插补、倒角处插补三种方法来进行。经过优化算法实际加工检验，证明该算法性能比较稳定，响应速度快，而且能够大幅地降低数控机床的震动噪声，大幅地提高了机械工件加工的质量和效率。

3结语

本文针对航空机械工件比较复杂的问题，根据航空工件的不同平面、斜面和圆弧面特点，设计了数控机床的刀轨优化算法，加入了特定的走刀轨迹算法，可以一次处理完多种曲面混合加工场景，很好地解决了弹刀现象，而且大幅提高了加工效率和加工质量。

作者:曹莹 单位:中航工业沈阳飞机工业集团有限公司

参考文献:

[1]宫虎.数控侧铣加工非可展直纹面的刀位整体优化原理与方法[J].机械工程学报,2005(11):14-15.

[2]李艳聪.基于特征的CAD/CAPP/CAM集成方法的研究与应用[J].现代机械,2002(4):21-22.

[3]孙全平.一种高速铣削刀轨优化算法的研究与实现[J].淮阴工学院学报,2003(1):18-19.