基于特征的飛機復雜結構件切削力快速預測與評價方法

周　鑫　李迎光　劉　浩　劉長青

南京航空航天大學，南京，210016

基于特征的飛機復雜結構件切削力快速預測與評價方法

周鑫李迎光劉浩劉長青

南京航空航天大學，南京，210016

提出了基于特征的飛機復雜結構件切削力預測方法，重點解決側銑切削力預測的問題。基于特征表達工件局部形狀、尺寸以及切削參數等信息，為切削力預測提供充分的支撐；采用解析法構建切削力模型，并通過實驗獲取相關系數；基于商業CAM軟件平臺開發并實施了所提出的方法。切削實驗結果表明，基于特征的切削力預測平均誤差為8.73%，在CAM平臺上可實現飛機結構件單個指定特征的側銑切削力的快速準確預測及評價。

飛機結構件；特征；側銑；切削力預測

0　引言

飛機結構件具有尺寸大、結構復雜、精度要求高等特點，其數控加工過程控制困難。隨著飛機性能要求的提高，其結構與工藝要求也相應提高。飛機結構件整體框毛坯尺寸可達到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，比以往的結構件精度高出一倍[1]。由于無法準確預知實際加工過程中的物理量(如切削力)，故為了保證加工質量，實際加工中一般選用比較保守的切削參數，因此降低了生產效率；飛機結構件特征數量多，特征結構變化多樣，不同的特征切削參數也不同，難以用統一的切削力來約束；飛機結構件存在大量薄壁結構，數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鍵因素。由此可知，切削力的精確預測對提高飛機結構件數控加工質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驗數據構建經驗公式，多應用于車削力預測，由于其實施的簡易性，現今仍然有很多學者在使用該方法[2]。之后有學者提出通過測量單位切削力系數搭建的銑削加工力學模型并且應用在最新的研究中[3]。利用解析法構建的雙系數切削力模型隨后被提出，并且作為切削力預測較準確的方法，目前被廣泛應用[4]。近年來，更多的學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模型[5],基于斜角切削理論構建力學模型[6]，通過構建神經網絡、灰色理論等算法搭建力學模型[7]。

為考慮加工參數對切削力預測的影響，荊懷靖等[8]提出了基于數字化仿真的切削力預測方法。Wei等[9]指出，基于后置處理，利用G代碼得到加工參數的切削力預測，可以精確地得到切削參數，從而解決了切削力預測的參數提取問題。以上兩種方法只能提取切削參數，無法提取零件特征的幾何拓撲等信息，難以考慮到切削狀態下每個特征的剛性，并且反復迭代不適合程序量大的飛機結構件數控加工切削力預測。

本文提出了基于特征的復雜結構件側銑切削力預測方法。本方法重點解決CAM(computer-aided manufacturing)編程環境中考慮切削力的切削參數調整與優化問題，無需后置處理和仿真就可以判斷切削參數的合理性，并且可以在編程過程中動態調整切削參數，提高編程效率與質量，從而保證加工質量，提高切削效率。

1　基于特征的切削力預測模型的構建

通過解析法搭建雙系數的力學模型，需要得到的零件切削參數有切深、切寬、主軸轉速、進給速度以及刀具刃數。如果將切削力預測應用在飛機結構件數控加工中，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、材料屬性等信息。而目前應用于飛機結構件切削力預測的參數提取需要仿真或后置處理，預測速度較慢，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復雜結構件的切削力預測問題。本文提出的基于特征的飛機結構件數控加工側銑切削力預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、切削力系數庫構建以及切削力的分析與表達等關鍵技術實現。

1.1基于特征的信息表達

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驗的載體[11]，本文中特征指加工特征。飛機結構件尺寸大，特征數量多，每個特征的參數不同，特征參數信息的表達與自動提取對于單個特征的切削力預測具有非常重要的作用。基于特征的信息表達可以為單個特征切削力預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測指特定切削參數在指定刀具與工件材料情況下對切削力值的預測，其預測主要需要工藝信息，如機床信息、刀具信息、工件材料以及切削參數等；極限切削力評估指的是特定特征在一定的幾何狀態下加工變形在允許范圍內所能承受的最大切削力，它對保證加工的質量具有重要作用。

飛機結構件主要由槽、筋、孔、輪廓等特征構成，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銑完成，所以本文將側銑作為前期研究對象。在極限切削力評估方面，將內型的每一側壁當作梁，利用材料力學的極限應力模型計算內型側壁的極限切削力。極限切削力評估需要的幾何信息主要是特征的關鍵幾何元素與尺寸信息，需要的工藝信息主要是切削參數信息等。為了將特征的幾何元素與特征的信息關聯起來，本文通過特征的關鍵幾何實現，即每種特征指定一個關鍵幾何并用幾何的唯一標識表示。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的關鍵幾何的標識。在CAM編程環境中選擇特征的關鍵幾何并通過其標識與指定文件中特征的幾何與工藝信息進行關聯，進而獲取切削力預測與評估所需的幾何信息與工藝信息。本文中特征的關鍵幾何元素一般為內型的側面或者轉角面。

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實現。綜上所述，用于特征加工的切削力預測與極限切削力評估所需的幾何信息可表示為

(2)

式中，F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是零件的屬性面邊圖[14]，通過擴展屬性面邊圖找到該類特征中最能表現其特點的關鍵面及該面關鍵鄰接邊的組合。

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，其次根據幾何拓撲信息得到與種子面相連的底角面，再次根據邊信息與圖信息判斷并獲取側面、下陷面、轉角面，并根據側面的邊找到頂面，最后將特征的幾何信息組合成槽特征，得到特征的側壁長度、側壁厚度以及內型高度。在整個提取幾何信息的過程中，通過擴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為機床信息；Itool為刀具信息；Imat為零件材料；Ppro為加工參數。

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

(4)

Fpre=Imac∪Itool∪Ppro

(5)

雖然飛機復雜結構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，飛機結構件的數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

的幾何信息并關聯工藝信息，將特征信息存儲到XML文件中。切削力預測只需要讀取特征信息，即可計算每個特征的切削力，根據每個特征的切削力和極限切削力進行參數的調整。而對于單個特征，可以直接在CAD/CAM環境下點擊幾何元素，關聯特征的幾何工藝信息，進行切削力預測和切削參數評價。采用以上方法可實現對整個復雜飛機結構件的切削力預測與切削參數評價。

1.2切削力的預測

解析法計算切削力需要刃口力系數以及剪切力系數。不同刀具在不同機床下的切削力系數有很大不同。切削力預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力τs和剪切角φc下的特定切削壓力常系數。刃口力系數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力σa和摩擦角βa下的特定切削壓力常系數。t(ψ)是刀具旋轉在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際屈服應力以及摩擦角很難確定，無法通過有效公式去預測每一組系數，所以需要通過大量實驗獲得。利用測力儀可測得不同刀具-機床-工件下的剪切力作用系數Kt τ、Kr τ、Ka τ以及刃口力系數Kt σ、Kr σ、Ka σ。將每種刀具-機床-工件下的系數整合，并構建切削力系數庫，在切削力預測時只需要從系數庫中選取對應的系數即可。

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

將剪切力系數以及刃口力系數代入切削力表達式：

(8)

通過刀具旋轉角度ψ計算每個刀刃的切削角度，根據有效切削角度判斷刀刃是否在切削區域，并獲取每個刀刃的瞬時切削狀態，得到切削深度，進而計算刀具總體的瞬時切削力。

考慮到切削力模型比較復雜，若考慮每個刃的接觸角隨時間的變化會使計算更加復雜，在飛機結構件切削力預測中會影響預測效率。如果考慮每個特征切削力的瞬時變化，則會造成數據堆積，嚴重影響計算速度，不利于參數優化，因此，將切削力預測最終簡化成計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ae、R可以計算出切入角、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

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

針對側銑加工的特征類型，將內型側壁簡化成材料力學里的梁，如圖3所示。圖3中的結構可以簡化成兩端約束的鉸支梁，其危險點在中點處。針對簡化模型，其撓度計算公式為

圖3　槽特征內型側銑簡化模型

2　切削力模型實驗驗證

通過不同參數銑削槽特征的內型進行實驗，測量切削力系數，再通過銑削包含兩個槽特征的小型零件驗證切削力模型的準確性，如圖4所示。

圖4　實驗切削零件切削圖

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

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測任意位置加工中產生的最大切削力，然后用三向測力儀測量幾組參數下的切削力并對比觀察結果。

預測切寬為3mm、切深為3mm、進給速度為800mm/min、每齒進給量為0.5mm/r情況下的三向切削力，與實際結果對比，對比結果見表1。根據對比實驗數據與預測數據得出結果：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%。以上結果表明，本文的切削力預測方法精度高，計算速度快，針對性強，能夠為飛機結構件的加工特征的切削力預測提供數據支持。

表1　切削力實驗數據對比

3　基于特征的切削力預測模塊開發與實現

基于以上研究，采用高級編程語言VisualC++，基于商業CAM軟件CATIA的開發平臺CAA進行二次開發。

從飛機結構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，對零件進行特征識別。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，確定后顯示識別結果。示例零件有兩個槽特征，點開其中一個槽的識別結果，顯示出側面、轉角、底角以及腹板面的信息，并高亮顯示。將識別結果輸出，保存為XML文件。如圖5所示，每個特征都通過其關鍵幾何元素在CAD系統中的唯一標識Tag值進行標記，該Tag值可以在CAD/CAM視圖下將特征與其在XML文件中的信息進行關聯，得到相關幾何信息。

圖5　參數提取

根據式(10)，計算切削力需要得到切入角與切出角。基于特征的工藝參數自動提取可以得到刀具信息Itool和加工參數Ppro，進而計算切入切出角。基于特征的工藝參數自動提取時可得到加工的機床信息、刀具信息以及材料信息，在機床-刀具-工件的信息中找到匹配該加工條件的切削力系數。當系數庫找不到匹配系數時，需要進行切削力切削實驗。選取不同的切削參數做實驗并記錄其切削力，輸入系統中，系統會自動計算出系數值，并存儲到切削力系數庫中。當參數都確定后就可以快速計算出切削力，并根據零件公差評估切削參數選用是否合理。

切削力預測模塊界面如圖6所示。選擇操作類型，選擇加工操作并點擊所要預測的特征的關鍵幾何元素，通過幾何元素的Tag值關聯XML文件中特征的信息，進而得到該加工特征的切削參數、刀具信息，將切削參數顯示在對話框內，并根據已有信息計算薄壁位置的極限切削力。點擊計算切入切出角，根據切寬、刀具直徑，由式(10)計算出切入切出角并顯示在對話框內。基于特征得到計算切削力所需的所有數據，系統即可快速得到預測的三向切削力數值。預測切削力與實際切削力的值見表2。

圖6　切削力預測對話框

對比后發現，基于特征預測切削力的準確性可以得到保證，并且可以更加快速方便地預測出切削力最大值，當切削力大于系統算出的該特征的極限切削力時會發出警告，工藝人員就可以根據實際情況調整切削參數。

4　結論

本文方法具有以下優點：

(1)基于特征提取并表達局部幾何信息及切削參數，可以快速準確地預測飛機結構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結構件上每個位置的幾何拓撲信息，可以預估每個位置的剛性，在切削力預測的同時使每個特征加工效率最大化，進而使飛機結構件整體的加工效率最大化。

(3)預測切削力時只計算加工過程中出現的最大切削力，更加簡便快捷，可以提高計算速度，同時保證切削力預測的準確性，進而為數控編程過程中切削參數的調整與優化提供依據。

目前基于特征的切削力預測方法主要應用在飛機結構件框類件的側銑加工中，可預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測應用在銑腹板、銑轉角等加工操作上，并且開發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測的參考具有重要作用，未來會進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(2012ZX04010041)

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

周鑫，男，1990年生。南京航空航天大學機電學院碩士研究生。主要研究方向為CAD/CAM/CNC集成。李迎光(通信作者)，男，1976年生。南京航空航天大學機電學院教授、博士研究生導師。劉浩，男，1972年生。南京航空航天大學機電學院副教授。劉長青，男，1986年生。南京航空航天大學機電學院博士研究生。