周　鑫　李迎光　劉　浩　劉長青

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

基于特征的飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件切削力快速預(yù)測與評價方法

周鑫李迎光劉浩劉長青

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

提出了基于特征的飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件切削力預(yù)測方法，重點(diǎn)解決側(cè)銑切削力預(yù)測的問題?；谔卣鞅磉_(dá)工件局部形狀、尺寸以及切削參數(shù)等信息，為切削力預(yù)測提供充分的支撐；采用解析法構(gòu)建切削力模型，并通過實(shí)驗(yàn)獲取相關(guān)系數(shù)；基于商業(yè)CAM軟件平臺開發(fā)并實(shí)施了所提出的方法。切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于特征的切削力預(yù)測平均誤差為8.73%，在CAM平臺上可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件單個指定特征的側(cè)銑切削力的快速準(zhǔn)確預(yù)測及評價。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件；特征；側(cè)銑；切削力預(yù)測

0　引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高等特點(diǎn)，其數(shù)控加工過程控制困難。隨著飛機(jī)性能要求的提高，其結(jié)構(gòu)與工藝要求也相應(yīng)提高。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件整體框毛坯尺寸可達(dá)到4 m×2 m，局部特征厚度最薄不足1 mm，精度要求在0.1 mm左右，比以往的結(jié)構(gòu)件精度高出一倍[1]。由于無法準(zhǔn)確預(yù)知實(shí)際加工過程中的物理量(如切削力)，故為了保證加工質(zhì)量，實(shí)際加工中一般選用比較保守的切削參數(shù)，因此降低了生產(chǎn)效率；飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征數(shù)量多，特征結(jié)構(gòu)變化多樣，不同的特征切削參數(shù)也不同，難以用統(tǒng)一的切削力來約束；飛機(jī)結(jié)構(gòu)件存在大量薄壁結(jié)構(gòu)，數(shù)控加工過程中廣泛存在工件變形的問題，而切削力是影響變形的一個關(guān)鍵因素。由此可知，切削力的精確預(yù)測對提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工質(zhì)量與效率具有非常重要的意義。

早期切削力模型通過測量大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)公式，多應(yīng)用于車削力預(yù)測，由于其實(shí)施的簡易性，現(xiàn)今仍然有很多學(xué)者在使用該方法[2]。之后有學(xué)者提出通過測量單位切削力系數(shù)搭建的銑削加工力學(xué)模型并且應(yīng)用在最新的研究中[3]。利用解析法構(gòu)建的雙系數(shù)切削力模型隨后被提出，并且作為切削力預(yù)測較準(zhǔn)確的方法，目前被廣泛應(yīng)用[4]。近年來，更多的學(xué)者投入切削力的建模中，如利用二元線性回歸方法搭建力學(xué)模型[5],基于斜角切削理論構(gòu)建力學(xué)模型[6]，通過構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論等算法搭建力學(xué)模型[7]。

為考慮加工參數(shù)對切削力預(yù)測的影響，荊懷靖等[8]提出了基于數(shù)字化仿真的切削力預(yù)測方法。Wei等[9]指出，基于后置處理，利用G代碼得到加工參數(shù)的切削力預(yù)測，可以精確地得到切削參數(shù)，從而解決了切削力預(yù)測的參數(shù)提取問題。以上兩種方法只能提取切削參數(shù)，無法提取零件特征的幾何拓?fù)涞刃畔?，難以考慮到切削狀態(tài)下每個特征的剛性，并且反復(fù)迭代不適合程序量大的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工切削力預(yù)測。

本文提出了基于特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件側(cè)銑切削力預(yù)測方法。本方法重點(diǎn)解決CAM(computer-aided manufacturing)編程環(huán)境中考慮切削力的切削參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化問題，無需后置處理和仿真就可以判斷切削參數(shù)的合理性，并且可以在編程過程中動態(tài)調(diào)整切削參數(shù)，提高編程效率與質(zhì)量，從而保證加工質(zhì)量，提高切削效率。

1　基于特征的切削力預(yù)測模型的構(gòu)建

通過解析法搭建雙系數(shù)的力學(xué)模型，需要得到的零件切削參數(shù)有切深、切寬、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度以及刀具刃數(shù)。如果將切削力預(yù)測應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中，就必須同時考慮每個特征的極限切削力，需要得到每個特征的幾何元素、工藝尺寸、切削參數(shù)、材料屬性等信息。而目前應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件切削力預(yù)測的參數(shù)提取需要仿真或后置處理，預(yù)測速度較慢，影響編程效率，并且無法考慮每個特征的剛性，因此，需要一種新的方法解決飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的切削力預(yù)測問題。本文提出的基于特征的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工側(cè)銑切削力預(yù)測方法可以很好地解決以上問題。該方法通過基于特征的信息表達(dá)、切削力系數(shù)庫構(gòu)建以及切削力的分析與表達(dá)等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1.1基于特征的信息表達(dá)

特征是具有一定工程語義的幾何形狀[10]，可以作為加工工藝知識和經(jīng)驗(yàn)的載體[11]，本文中特征指加工特征。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件尺寸大，特征數(shù)量多，每個特征的參數(shù)不同，特征參數(shù)信息的表達(dá)與自動提取對于單個特征的切削力預(yù)測具有非常重要的作用?；谔卣鞯男畔⒈磉_(dá)可以為單個特征切削力預(yù)測及極限切削力評估提供必要的信息。單個特征切削力的預(yù)測指特定切削參數(shù)在指定刀具與工件材料情況下對切削力值的預(yù)測，其預(yù)測主要需要工藝信息，如機(jī)床信息、刀具信息、工件材料以及切削參數(shù)等；極限切削力評估指的是特定特征在一定的幾何狀態(tài)下加工變形在允許范圍內(nèi)所能承受的最大切削力，它對保證加工的質(zhì)量具有重要作用。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件主要由槽、筋、孔、輪廓等特征構(gòu)成，而槽特征是占比例最大的特征類型。槽特征的加工主要由側(cè)銑完成，所以本文將側(cè)銑作為前期研究對象。在極限切削力評估方面，將內(nèi)型的每一側(cè)壁當(dāng)作梁，利用材料力學(xué)的極限應(yīng)力模型計(jì)算內(nèi)型側(cè)壁的極限切削力。極限切削力評估需要的幾何信息主要是特征的關(guān)鍵幾何元素與尺寸信息，需要的工藝信息主要是切削參數(shù)信息等。為了將特征的幾何元素與特征的信息關(guān)聯(lián)起來，本文通過特征的關(guān)鍵幾何實(shí)現(xiàn)，即每種特征指定一個關(guān)鍵幾何并用幾何的唯一標(biāo)識表示。將特征的信息存儲在指定的文件中，如XML文件，每個特征都包含相應(yīng)的關(guān)鍵幾何的標(biāo)識。在CAM編程環(huán)境中選擇特征的關(guān)鍵幾何并通過其標(biāo)識與指定文件中特征的幾何與工藝信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)而獲取切削力預(yù)測與評估所需的幾何信息與工藝信息。本文中特征的關(guān)鍵幾何元素一般為內(nèi)型的側(cè)面或者轉(zhuǎn)角面。

加工特征FM可以表示為

FM=Igeo∪Itech

(1)

式中，Igeo為幾何信息；Itech為工藝信息。

特征的幾何信息通過特征識別提取[12]，工藝信息通過工藝決策獲得[13]，特征識別及工藝決策均通過本課題組已有技術(shù)實(shí)現(xiàn)。綜上所述，用于特征加工的切削力預(yù)測與極限切削力評估所需的幾何信息可表示為

(2)

式中，F(xiàn)為種子面；E為邊；IG為圖層信息。

基于特征的信息提取的基礎(chǔ)是零件的屬性面邊圖[14]，通過擴(kuò)展屬性面邊圖找到該類特征中最能表現(xiàn)其特點(diǎn)的關(guān)鍵面及該面關(guān)鍵鄰接邊的組合。

如圖1所示，獲取特征幾何信息，首先通過種子面的提取獲得槽特征的腹板面，其次根據(jù)幾何拓?fù)湫畔⒌玫脚c種子面相連的底角面，再次根據(jù)邊信息與圖信息判斷并獲取側(cè)面、下陷面、轉(zhuǎn)角面，并根據(jù)側(cè)面的邊找到頂面，最后將特征的幾何信息組合成槽特征，得到特征的側(cè)壁長度、側(cè)壁厚度以及內(nèi)型高度。在整個提取幾何信息的過程中，通過擴(kuò)展屬性面邊圖判斷槽特征的類型，即是開口槽還是閉口槽。

圖1　特征的幾何信息示意圖

則有

Itech=Imac∪Itool∪Imat∪Ppro

(3)

式中，Imac為機(jī)床信息；Itool為刀具信息；Imat為零件材料；Ppro為加工參數(shù)。

在用戶工藝決策過程中，極限切削力所需要的特征信息Flim與切削力預(yù)測所需的特征信息Fpre分別表示為

(4)

Fpre=Imac∪Itool∪Ppro

(5)

雖然飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件形狀和幾何各不相同，但是它們都由具有幾何形狀相似的特征組合而成，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工是通過各個特征的加工形成的。通過特征識別可以獲取所有加工特征

的幾何信息并關(guān)聯(lián)工藝信息，將特征信息存儲到XML文件中。切削力預(yù)測只需要讀取特征信息，即可計(jì)算每個特征的切削力，根據(jù)每個特征的切削力和極限切削力進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。而對于單個特征，可以直接在CAD/CAM環(huán)境下點(diǎn)擊幾何元素，關(guān)聯(lián)特征的幾何工藝信息，進(jìn)行切削力預(yù)測和切削參數(shù)評價。采用以上方法可實(shí)現(xiàn)對整個復(fù)雜飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的切削力預(yù)測與切削參數(shù)評價。

1.2切削力的預(yù)測

解析法計(jì)算切削力需要刃口力系數(shù)以及剪切力系數(shù)。不同刀具在不同機(jī)床下的切削力系數(shù)有很大不同。切削力預(yù)測模型選擇成熟的銑削力模型，用公式表示為

(6)

將切削力分解成x向、y向、z向的切削力，化簡得

(7)

其中，剪切力作用系數(shù)Kt τ、Kr τ、Ka τ是指切削期間工件材料在三個方向上在屈服剪應(yīng)力τs和剪切角φc下的特定切削壓力常系數(shù)。刃口力系數(shù)Kt σ、Kr σ、Ka σ是指切削期間工件材料在三個方向上在屈服正應(yīng)力σa和摩擦角βa下的特定切削壓力常系數(shù)。t(ψ)是刀具旋轉(zhuǎn)在ψ角度下的切屑厚度，ap是切削深度。

雖然刀具幾何形狀可以事先獲知，但是在切削過程中的實(shí)際屈服應(yīng)力以及摩擦角很難確定，無法通過有效公式去預(yù)測每一組系數(shù)，所以需要通過大量實(shí)驗(yàn)獲得。利用測力儀可測得不同刀具-機(jī)床-工件下的剪切力作用系數(shù)Kt τ、Kr τ、Ka τ以及刃口力系數(shù)Kt σ、Kr σ、Ka σ。將每種刀具-機(jī)床-工件下的系數(shù)整合，并構(gòu)建切削力系數(shù)庫，在切削力預(yù)測時只需要從系數(shù)庫中選取對應(yīng)的系數(shù)即可。

銑削切削力預(yù)測需要的信息包含切深ap、切寬ae、主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度f、刃數(shù)N、刀具半徑R等，其中，刀具一般指螺旋立銑刀。切削的每齒進(jìn)給量c=f/(nN)。

將剪切力系數(shù)以及刃口力系數(shù)代入切削力表達(dá)式：

(8)

通過刀具旋轉(zhuǎn)角度ψ計(jì)算每個刀刃的切削角度，根據(jù)有效切削角度判斷刀刃是否在切削區(qū)域，并獲取每個刀刃的瞬時切削狀態(tài)，得到切削深度，進(jìn)而計(jì)算刀具總體的瞬時切削力。

考慮到切削力模型比較復(fù)雜，若考慮每個刃的接觸角隨時間的變化會使計(jì)算更加復(fù)雜，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件切削力預(yù)測中會影響預(yù)測效率。如果考慮每個特征切削力的瞬時變化，則會造成數(shù)據(jù)堆積，嚴(yán)重影響計(jì)算速度，不利于參數(shù)優(yōu)化，因此，將切削力預(yù)測最終簡化成計(jì)算每個刀刃最大切削力的公式[14]：

(8)

其中，ψs表示切入角，ψe表示切出角，如圖2所示，根據(jù)ae、R可以計(jì)算出切入角、切出角：

(10)

圖2　銑削加工的切入切出角

1.3極限切削力的評估

計(jì)算極限切削力需要得到側(cè)壁的邊長ll、側(cè)壁的厚度lw、切深ap、公差t以及彈性模量E。特征識別已經(jīng)將零件特征的幾何信息保存，通過調(diào)用特征識別結(jié)果直接獲取側(cè)壁的長度與厚度，根據(jù)識別結(jié)果中的零件材料得到其彈性模量E。再調(diào)用工藝數(shù)據(jù)支撐庫提取工藝參數(shù)，得到切深ap。基于以上信息，利用材料力學(xué)簡化成梁計(jì)算最大變形值，用公差約束，得到極限切削力。

針對側(cè)銑加工的特征類型，將內(nèi)型側(cè)壁簡化成材料力學(xué)里的梁，如圖3所示。圖3中的結(jié)構(gòu)可以簡化成兩端約束的鉸支梁，其危險(xiǎn)點(diǎn)在中點(diǎn)處。針對簡化模型，其撓度計(jì)算公式為

圖3　槽特征內(nèi)型側(cè)銑簡化模型

2　切削力模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過不同參數(shù)銑削槽特征的內(nèi)型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量切削力系數(shù)，再通過銑削包含兩個槽特征的小型零件驗(yàn)證切削力模型的準(zhǔn)確性，如圖4所示。

圖4　實(shí)驗(yàn)切削零件切削圖

利用MIKRONUCP710五坐標(biāo)加工中心銑削一個槽腔。采用直徑為10mm的2齒涂層硬質(zhì)合金高速立銑刀，選取切深分別為3mm、4mm、5mm，切寬為3mm，每齒進(jìn)給量分別為0.5mm/r、0.75mm/r的切削參數(shù),采用KistIer9257A型測力儀測量所有參數(shù)下的切削力，推導(dǎo)出每組參數(shù)下的切削力系數(shù)，通過線性回歸分析方法得到最終切削力系數(shù)。剪切力在切向、徑向、軸向作用系數(shù)與刃口力在切向、徑向、軸向作用系數(shù)分別為

Kt τ=3131.1Kr τ=-1433.3Ka τ=-455.4

Kt σ=-31.6Kr σ=17.2Ka σ=0.3

圖4中工件材料為鋁合金LD6，試件尺寸為125mm×85mm×60mm，包含兩個槽特征，在編程過程中可以隨時預(yù)測任意位置加工中產(chǎn)生的最大切削力，然后用三向測力儀測量幾組參數(shù)下的切削力并對比觀察結(jié)果。

預(yù)測切寬為3mm、切深為3mm、進(jìn)給速度為800mm/min、每齒進(jìn)給量為0.5mm/r情況下的三向切削力，與實(shí)際結(jié)果對比，對比結(jié)果見表1。根據(jù)對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)得出結(jié)果：最大切削力誤差為12.32%，最小切削力誤差為1.04%，平均誤差為8.73%。以上結(jié)果表明，本文的切削力預(yù)測方法精度高，計(jì)算速度快，針對性強(qiáng)，能夠?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工特征的切削力預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持。

表1　切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

3　基于特征的切削力預(yù)測模塊開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

基于以上研究，采用高級編程語言VisualC++，基于商業(yè)CAM軟件CATIA的開發(fā)平臺CAA進(jìn)行二次開發(fā)。

從飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中選擇一個槽特征作為示例零件模型。首先將零件模型輸入CAM軟件系統(tǒng)，對零件進(jìn)行特征識別。首先采用基于全息屬性面邊圖的特征識別方法提取零件加工特征的幾何信息。如圖5所示，選擇零件體和PartOperation，得到零件位置以及輪廓。選取零件腹板面，確定后顯示識別結(jié)果。示例零件有兩個槽特征，點(diǎn)開其中一個槽的識別結(jié)果，顯示出側(cè)面、轉(zhuǎn)角、底角以及腹板面的信息，并高亮顯示。將識別結(jié)果輸出，保存為XML文件。如圖5所示，每個特征都通過其關(guān)鍵幾何元素在CAD系統(tǒng)中的唯一標(biāo)識Tag值進(jìn)行標(biāo)記，該Tag值可以在CAD/CAM視圖下將特征與其在XML文件中的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到相關(guān)幾何信息。

圖5　參數(shù)提取

根據(jù)式(10)，計(jì)算切削力需要得到切入角與切出角?；谔卣鞯墓に噮?shù)自動提取可以得到刀具信息Itool和加工參數(shù)Ppro，進(jìn)而計(jì)算切入切出角?；谔卣鞯墓に噮?shù)自動提取時可得到加工的機(jī)床信息、刀具信息以及材料信息，在機(jī)床-刀具-工件的信息中找到匹配該加工條件的切削力系數(shù)。當(dāng)系數(shù)庫找不到匹配系數(shù)時，需要進(jìn)行切削力切削實(shí)驗(yàn)。選取不同的切削參數(shù)做實(shí)驗(yàn)并記錄其切削力，輸入系統(tǒng)中，系統(tǒng)會自動計(jì)算出系數(shù)值，并存儲到切削力系數(shù)庫中。當(dāng)參數(shù)都確定后就可以快速計(jì)算出切削力，并根據(jù)零件公差評估切削參數(shù)選用是否合理。

切削力預(yù)測模塊界面如圖6所示。選擇操作類型，選擇加工操作并點(diǎn)擊所要預(yù)測的特征的關(guān)鍵幾何元素，通過幾何元素的Tag值關(guān)聯(lián)XML文件中特征的信息，進(jìn)而得到該加工特征的切削參數(shù)、刀具信息，將切削參數(shù)顯示在對話框內(nèi)，并根據(jù)已有信息計(jì)算薄壁位置的極限切削力。點(diǎn)擊計(jì)算切入切出角，根據(jù)切寬、刀具直徑，由式(10)計(jì)算出切入切出角并顯示在對話框內(nèi)。基于特征得到計(jì)算切削力所需的所有數(shù)據(jù)，系統(tǒng)即可快速得到預(yù)測的三向切削力數(shù)值。預(yù)測切削力與實(shí)際切削力的值見表2。

圖6　切削力預(yù)測對話框

對比后發(fā)現(xiàn)，基于特征預(yù)測切削力的準(zhǔn)確性可以得到保證，并且可以更加快速方便地預(yù)測出切削力最大值，當(dāng)切削力大于系統(tǒng)算出的該特征的極限切削力時會發(fā)出警告，工藝人員就可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整切削參數(shù)。

4　結(jié)論

本文方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)基于特征提取并表達(dá)局部幾何信息及切削參數(shù)，可以快速準(zhǔn)確地預(yù)測飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上任意特征任意位置的切削力。

(2)基于特征可以得到飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上每個位置的幾何拓?fù)湫畔?，可以預(yù)估每個位置的剛性，在切削力預(yù)測的同時使每個特征加工效率最大化，進(jìn)而使飛機(jī)結(jié)構(gòu)件整體的加工效率最大化。

(3)預(yù)測切削力時只計(jì)算加工過程中出現(xiàn)的最大切削力，更加簡便快捷，可以提高計(jì)算速度，同時保證切削力預(yù)測的準(zhǔn)確性，進(jìn)而為數(shù)控編程過程中切削參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化提供依據(jù)。

目前基于特征的切削力預(yù)測方法主要應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件框類件的側(cè)銑加工中，可預(yù)測每個加工特征的最大切削力，暫不能顯示切削力變化曲線。今后會將基于特征的切削力預(yù)測應(yīng)用在銑腹板、銑轉(zhuǎn)角等加工操作上，并且開發(fā)出切削力變化曲線等界面以滿足不同需求。另外，特征的極限切削力評估對于切削力預(yù)測的參考具有重要作用，未來會進(jìn)一步提高該評估的可靠性。

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(編輯陳勇)

A Feature-based Cutting Force Fast Prediction and Evaluation for Complex Aircraft Structure Parts

Zhou XinLi YingguangLiu HaoLiu Changqing

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

A feature-based cutting force prediction method was proposed herein, which focused on the problem of flank milling force prediction. Partial shape, dimension, and cutting parameter information were represented based on features, which provided sufficient support for cutting force prediction and evaluation. Analytical approach was adopted to construct cutting force model and correlation coefficient was obtained for the cutting force model by experiments.The proposed method was implemented based on commercial CAM software platform. Experimental results show that the average error of cutting force prediction is 8.73%, which means that the quick and accurate cutting force prediction can be achieved for individual specified features of aircraft structural parts by using the proposed method on CAM platform.

aircraft structural part; feature; flank milling; cutting force prediction

2014-05-07

國家科技重大專項(xiàng)(2012ZX04010041)

TG506DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.07.006

周鑫，男，1990年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)镃AD/CAM/CNC集成。李迎光(通信作者)，男，1976年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。劉浩，男，1972年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授。劉長青，男，1986年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生。