角度头加工技术在航空结构件上的应用研究

胡敏，向兵飞，徐明，祝小军，黄晶

（1.中国人民解放军驻320厂军事代表室，江西，南昌330024 2.中航工业洪都，江西，南昌330024）

角度头加工技术在航空结构件上的应用研究

胡敏1，向兵飞2，徐明2，祝小军2，黄晶2

（1.中国人民解放军驻320厂军事代表室，江西，南昌330024 2.中航工业洪都，江西，南昌330024）

角度头能实现航空结构件复杂结构的加工，但其制造工艺、装夹方案、后置处理、加工参数等与常规刀具加工方法存在较大差异。本文通过分析角度头在复杂难加工结构中的应用优势，对其装夹方案进行优化改进，实现不同主轴结构尺寸的安装，增强通用性。并通过角度头后置处理中的坐标系、机床构型及运动分析，实现C-A构型机床空间回转坐标变换的求解，同时，还开发了多构型机床的角度头后置处理系统。以缘条深槽结构为例对角度头加工技术进行验证，结果表明，加工质量和效率满足结构件的制造要求，为复杂结构件的制造提供了新的方法，且已在航空制造企业得到应用。

飞机结构件；角度头；装夹优化；后置处理；数控加工

角度头（Angle Head）是数控加工中连接数控机床主轴和刀具的一种特殊刀柄，可以实现飞机复杂结构件的一次性装夹多工序加工[1,2]。在航空结构件数控加工过程中，机床安装角度头后刀具旋转中心线与主轴旋转中心线成角度加工工件，可以实现机床的立卧转换和任意角度的变换，增大机床的加工范围和适应性[3,4]，并能减少工件重复装夹，提高加工精度和效率，可有效解决结构件侧面孔、侧面腔的加工，也可用于机床主轴摆角后可能与工装或零件发生干涉的侧面结构的加工。图1为HSK-A63-AG90刀柄形式的角度头。

图1 HSK-A63-AG90刀柄形式的角度头

本文针对航空结构件复杂结构形式，开展角度头加工工艺技术、装夹方案优化、空间回转坐标转换和加工过程仿真技术研究，系统性的阐述了角度头加工技术应用过程中的关键技术及应用方法。

1 角度头加工技术应用分析

1.1 航空结构件难加工结构特征分析

相比传统刀具加工方式，角度头可有效解决狭窄区域、缘条深槽、侧边孔等结构的加工，避免复杂工装订制和工位变换。航空结构件中存在一些特征，若采用普通刀具易形成加工“死角”或需要对工装进行订制，采用传统刀具加工方式，其数控加工难度大、效率低，质量稳定性差，如图2所示的缘条深槽结构、缘条孔结构、狭窄区域孔结构、空间复杂结构等。其加工复杂程度主要体现为：整体框梁类零件上的缘条孔，用传统方式需要借用Z向尺寸较大的工装，成本高且机床需要大摆角，如A角摆动90°；零件内形面上的凹槽特征，其解决方案与缘条孔相同，而内形上的凹槽特征则采用传统方式无法加工。对这些结构，传统的加工方式往往需要订制钻孔模板通过钳工来加工，或需要特殊的工装，抑或是增加刀具、钻孔的长度来避免干涉，这些情况都存在操作复杂、加工成本高及加工风险等问题。

1.2 航空结构件角度头加工优势

对于侧边深槽、孔、狭窄区域结构或局部复杂结构，传统加工工艺存在不足，采用能实现运动换向的角度头刀柄能有效解决上述结构的加工。其特点和加工优势为：

1）角度头刀柄特点。

（1）虽然与机床连接的接口与常规刀具接口一致，但角度头安装方式与常规刀具存在差异。首先，角度头的刀具根据机床构型来确定安装方向；其次，角度头上的非转动模块需要与机床的主轴进行定位，以确定角度头围绕机床主轴的初始圆周方向。

图2 典型难加工复杂结构

（2）首先，角度头根据机床刀柄连接方式，配置了标准了接口，可适用于不同构型的机床。同一角度头上可匹配不同种类的刀具实现钻削、铣削、镗削等加工；其次，角度头能够进行中低速切削，可满足航空结构件钻削、镗削和中低速铣削等加工要求。

2）角度头加工技术的应用优势。

在一次装夹状态下，使用常规加工方式和角度头加工方式相结合，可以解决加工工艺中的难题或不需要订制昂贵的专用工装，其具体的加工优势为：

（1）根据角度头结构尺寸判断能否加工狭窄区域，如图2（c）所示的槽腔结构侧壁的孔结构，避免了传统工艺订制钻模模板并手工钻孔的工艺；

（2）大型结构件的侧面孔或侧面深槽可采用角度头侧面加工。角度头的使用，可避免部分需要换装的情况，避免复杂工装的订制，如图2（a）和图2（b）所示结构。

（3）可解决部分空间复杂结构的加工，如图2（d）所示。

（4）角度头可实现立卧转换，可避免机床大摆角加工，也可解决常规加工方式摆角超程时的加工问题。如传统工艺A角摆动120°时机床超程，采用90°角度头刀柄，机床主轴仅需摆动30°即可。

1.3 角度头装夹方案优化

角度头常规的安装方式是在机床主轴固定端面制出安装孔，然后将安装基座通过螺栓连接固定在机床主轴端面，再将角度头非转动模块与安装基座进行配合。此种安装方法存在一些不足：

2）安装基座与主轴端面的配合需要在机床主轴端面制孔，安装完成后需要对机床进行精度校准。

针对上述不足，本文对安装方案进行了改进和优化，可满足同一安装基座适用于多种不同结构的机床，安装基座数量大量减少，通用性强，且不需在机床端面制孔。其安装示意图如图3所示。

图3 角度头与机床主轴安装示意

对其安装基座和安装方法进行改进，增加调整垫块，增强通用性。改进后的角度头装夹方案如下：

1）取消安装基座与主轴端面的直接螺栓连接，改为过渡连接，避免了机床主轴端面制孔，并增强通用性。具体方法为：首先，选取机床主轴端面已有的螺栓连接孔，按照孔距和孔径设计调整垫块，将调整垫块通过已有的安装螺钉孔与机床主轴端面连接；然后，将安装基座与调整垫块通过螺栓连接，并设计两个定位销，用于两者间的定位；最后，将角度头上的非转动模块与安装基座的装配面配合完成安装。

2）根据机床主轴结构尺寸，选取通用性较强的安装基座高度尺寸作为通用尺寸，并保证安装基座和调整垫块的刚性。调整垫块为铝合金结构件，不需做特殊处理，仅需加工安装孔，制造简单。根据机床主轴的不同尺寸配置调整垫块即可实现少量安装基座适用于大量机床的应用，通用性强。

2 角度头双摆动机床后置处理建模

2.1 角度头双摆头机床空间回转坐标变换

五轴联动机床采用角度头刀柄进行加工时，需要相应的平动轴数据和转动轴数据来驱动机床部件的运动。由于角度头的特征，使用角度头进行结构件加工时的后置处理空间坐标转换要比常规后置处理困难。以C-A双摆头结构机床为例进行角度头双摆头机床空间回转坐标变换的求解，如图4所示为该结构机床模型和运动链构成。由于平移矩阵连乘与平移顺序无关，其运动建模可归为如下方法[3]。

图4 C-A结构机床模型和运动链构成

为描述机床的运动，建立图5所示坐标系统，其中坐标系OmXmYmZm与定轴C固联的坐标系，其原点Om为两回转轴的交点，其坐标轴方向与机床坐标系一致。坐标系OwXwYwZw坐标系为加工坐标系，前置刀位数据基于该坐标系而生成。OtXtYtZt为刀具坐标系，其原点为刀具中心。

如图5所示为机床初始状态，工件坐标系方向与机床坐标系方向一致，刀具坐标系与工件坐标系原点重合。设回转轴交点Om到刀具坐标系原点Ot的距离为L，记机床平动轴相对于初始状态的位置为rs(sx,sy,sz)。回转轴A、C相对于初始状态的角度为θA和θC，角度逆时针方向为正。此时，工件坐标系中刀轴矢量为u(ux,uy,uz)。由机床运动链进行坐标变换，可得：

式中T和R分别为平移和回转运动的齐次坐标变换矩阵，其中T1为机床回转坐标系相对于加工坐标系的平移坐标变换，T2为刀具坐标系相对于机床回转坐标系的平移坐标变换，rs为机床平动轴相对于初始状态的位置矢量，rm为机床旋转轴相对于刀具坐标系的位置矢量。

图5 带角度头的C-A结构机床坐标系统

根据Denavit和Hartenbeng提出的4×4齐次矩阵的空间转换表示，将T和R带入公式（1）～（4），可得：

由式（5）可得90°角度头的摆角求解结果：

由式（7）可得：θC的解不唯一，根据刀轴矢量可得：

2.2 角度头的RTCP点位设置

常规刀具通常将RTCP点设为刀具中心点，将角度头刀柄的RTCP点设置在角度头刀柄上的刀具旋转轴线与机床主轴线的交点，如图6所示。后置处理中的程序点位输出作如下变换：

图6 角度头的RTCP点位设置

3 角度头加工技术应用示例

以图2（a）所示的侧面深槽结构为例说明角度头加工技术的应用。该深槽为缘条通槽，深138mm，宽15mm，槽中心距离零件最低面为30mm。若采用传统加工方法，则采用直径为12mm长度大于等于140mm的铣刀进行粗精加工，机床A轴摆动90°才能进行侧边缘条深槽加工，未订制Z方向行程较大的专用工装，因此不能采用传统加工方式加工。其次，采用的刀具长径比达到11.67，未对该长径比尺寸的刀具进行切削试验，无可参考的切削参数。

采用角度头加工技术解决该结构的加工时，具体方案为：采用直径为12mm长度为70mm的刀具对缘条深槽两侧对接加工完成，既避免专用工装订制，加工效率和加工精度也能得到保证。为了得到角度头加工程序，需要经过后置处理和加工仿真验证。

3.1 角度头加工后置处理的实现

根据角度头后置处理运动模型计算结果，采用Visual Studio开发环境及VB语言进行Windows应用程序开发后置处理工具。重点是解决机床奇异点，即同一位置的多值问题。与常规刀具后置不同，角度头刀柄上的刀具，机床不能对其进行补偿，后置处理时需要根据实际刀长值进行后置。开发的后置处理系统运行示例如图7所示，将实际刀具长度D输入系统，加载刀位轨迹文件，选择机床，执行后置处理操作，即可完成角度头加工程序的后置。

图7 角度头加工后置处理系统运行示例

后置完成后生成的G代码示例如下：

3.2 角度头加工过程仿真

角度头的使用可以看成是在机床主轴上增加了一个附属机构，为保证角度头在实际加工中使用的正确性，必须对角度头的加工过程进行仿真。角度头加工过程仿真，主要是检查角度头机构与工件的干涉情况以及角度头加工轨迹的正确性[7-9]。如图8所示为角度头加工仿真配置及运行示例。图8（a）为建立的角度头仿真刀具模型库，图8（b）为采用C-A双摆头机床和角度头对图2（a）所示的缘条深槽结构的加工过程仿真示意及仿真结果，仿真结果表明，角度头后置处理程序及应用满足仿真要求。

图8 角度头加工仿真配置及运行示例

3.3 角度头加工加工技术应用

将角度头加工技术的研究成果应用于某结构件缘条深槽的实际加工，如图2（a）所示。该结构外形为型面结构，外形精度要求较高，深槽位置精度要求± 0.2mm，采用直径为12mm长度为70mm的刀具分粗精加工两侧对接完成。粗加工留余量0.5～1mm，精加工机床转速S=4500～5500r/min，刀具每齿进给量f= 0.035～0.045，切深Ap≤1mm，采用斜线下刀或螺旋下刀，下刀角度A=2～5°。加工前以500r/min的转速进行预热，检查角度头夹持刀具的振动情况，保证振动幅值小于0.015mm。加工结果显示，采用角度头加工技术能有效解决该类结构的加工，加工效率和加工精度得到有效保证，无需订制专用工装。

4 结语

本文针对航空结构件的复杂结构，开展角度头加工技术的应用研究，分析了航空结构件难加工结构及角度头加工技术应用优势，对角度头安装方案进行设计和优化，降低制造成本，增强机床通用性。还以C-A双摆头机床为例，建立了角度头双摆头机床后置处理模型，并对空间角度变换进行求解，开发了多构型机床的角度头后置处理系统。角度头加工技术已在航空制造企业得到应用，解决了多项复杂结构件的加工难题，为复杂结构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）

“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项“国产高档数控机床与数控系统在飞机筋肋梁等加工单元中的应用”（2013ZX04001-021）。

>>>作者简介

胡敏，男，1979年出生，2001年毕业于南昌航空大学，工程师，现从事航空装备质量监督和技术应用工作。

向兵飞，男，1986年3月出生，南京航空航天大学在读博士研究生，工程师，现从事数控加工工艺技术工作。