分段圓弧輪廓銑刀五軸聯(lián)動(dòng)加工側(cè)壁

■ TEBIS中國(guó)總部 （上海 201203） 柳綠洲

由于外形氣動(dòng)要求，航空結(jié)構(gòu)件存在大量單向（直紋曲面）或雙向曲面造型，基于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加工時(shí)常常需要大量應(yīng)用五軸聯(lián)動(dòng)策略。常規(guī)零件或模具加工時(shí)，對(duì)曲面的處理多采用球面擬合行切的算法，通過(guò)減少步進(jìn)距離及密集的點(diǎn)分布策略來(lái)降低弦偏差，以達(dá)到高質(zhì)量加工表面的要求。對(duì)于航空結(jié)構(gòu)件而言，因其零件結(jié)構(gòu)剛性弱、加工效率要求高等特點(diǎn)，行切方法可用范圍小，通常只局限于底部造型和底角連接處的清根操作，而對(duì)于側(cè)壁輪廓，特別是薄壁結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

側(cè)刃擬合加工是針對(duì)直紋曲面?zhèn)缺谠煨偷囊环N有效方法，“S”件機(jī)床性能測(cè)試即基于此方法提出，與球面行切方式相比，側(cè)刃擬合加工更偏重于刀軸矢量插補(bǔ)的形式和密度，而非刀位點(diǎn)分布。這樣的加工方式對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的精度和運(yùn)動(dòng)性能都有較高的要求，因此被用作機(jī)床性能測(cè)試的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)而言，雙擺軸形式的機(jī)床，雖然在行程上受限較大，但對(duì)于矢量插補(bǔ)有著更好的適應(yīng)性，而常用的轉(zhuǎn)軸-擺軸機(jī)床，則需要在短時(shí)間、短距離內(nèi)執(zhí)行大量的變角運(yùn)動(dòng)，往往導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)過(guò)切與欠切現(xiàn)象。因此為了更好地加工此類結(jié)構(gòu)零件，Zimmermann公司專門推出了一款六軸設(shè)備，以同時(shí)滿足矢量插補(bǔ)準(zhǔn)確和行程范圍的要求。

側(cè)刃擬合加工的另一個(gè)挑戰(zhàn)在于加工側(cè)壁面的高度和轉(zhuǎn)角，因其加工刀具直徑受到結(jié)構(gòu)造型轉(zhuǎn)角的限制，而刀具有效加工長(zhǎng)度受到側(cè)壁高度的限制，加工刀具的剛性常常成為瓶頸。錐度銑刀（鉛筆刀和燕尾刀）的使用，以圓錐側(cè)刃替代圓柱側(cè)刃，通過(guò)圓錐段的角度，一是實(shí)現(xiàn)了刀柄處的避讓；二是可以選擇直徑更大的刀柄來(lái)增強(qiáng)刀具剛性；三是圓錐前端的球頭可以加工出較小的底角或轉(zhuǎn)角。這種刀具的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了短刀加工深腔、一刀多用同時(shí)實(shí)現(xiàn)側(cè)壁加工、清根及用側(cè)刃擬合加工底面的效果，為五軸聯(lián)動(dòng)加工的多樣化提供了便利。

圖1 分段圓弧輪廓銑刀結(jié)構(gòu)

圖2 分段圓弧輪廓銑刀

分段圓弧輪廓銑刀在錐度銑刀的基礎(chǔ)上，將圓錐體輪廓圓弧化，形成類似水滴造型如圖1、圖2所示，因此也被稱作水滴刀。相對(duì)普通錐度銑刀，分段圓弧銑刀有著更高的加工靈活度，為側(cè)壁型面加工開(kāi)啟了新思路。

1. 分段圓弧銑刀加工原理

（1）側(cè)向傾角 由于分段圓弧銑刀輪廓為非直紋錐面，因此與側(cè)壁切點(diǎn)可隨著刀具側(cè)向傾角變化在圓弧輪廓上、下移動(dòng)，為了方便計(jì)算，將刀尖球頭設(shè)為0，簡(jiǎn)化刀具輪廓（見(jiàn)圖3），刀具包含參數(shù)：上端半徑（刀柄半徑）r，錐度θ，輪廓圓弧半徑R，側(cè)向可偏移傾角δ。

圖3 簡(jiǎn)化的刀具輪廓

當(dāng)切點(diǎn)分別在圓弧輪廓上、下邊緣時(shí)，可減少或增加的偏移傾角遵循公式

以r＝10mm，θ＝15°，R＝200mm代入，計(jì)算可得δ＝5.543°，當(dāng)?shù)都鈳в星蝾^時(shí)，上側(cè)偏移傾角δU＝δ，下側(cè)記為δD，如圖4所示。

令輪廓圓弧圓心坐標(biāo)為（XO，YO），刀尖球頭圓心為（XT，YT），兩者切點(diǎn)坐標(biāo)為（XK，YK），刀尖球頭半徑為RT， 各項(xiàng)參數(shù)滿足方程組

令RT＝3mm，通過(guò)作圖計(jì)算出δD＝3.072°，即該刀具可用的側(cè)傾角為9.457°～18.072°。當(dāng)傾斜角度超過(guò)18.072°時(shí)，改由刀尖球頭擬合切削。

（2）轉(zhuǎn)角避讓 錐度銑刀加工側(cè)壁時(shí)，由于是全刃接觸，側(cè)刃加工只能通過(guò)比自身上端半徑大的轉(zhuǎn)角（當(dāng)側(cè)壁面足夠高時(shí)），對(duì)于更小的轉(zhuǎn)角，實(shí)際改由刀尖球頭行切。

分段圓弧銑刀因?yàn)閭?cè)傾角可調(diào)整，相對(duì)錐度銑刀而言，可獲得更大的避讓間隙，因此也能通過(guò)更小的轉(zhuǎn)角。

圖4 帶刀尖球頭時(shí)的刀具輪廓

以90°轉(zhuǎn)角為例（見(jiàn)圖5），不產(chǎn)生碰撞，要求由額外角度增加所帶來(lái)的避讓間隙大于刀具圓弧輪廓部分上端最大半徑?？梢酝茖?dǎo)，要避免碰撞，轉(zhuǎn)角半徑需要滿足不等式

已知r＝10mm，作圖計(jì)算出H＝11.763mm，代入計(jì)算得Rc≥5.74mm。由此可知，相對(duì)錐度銑刀，分段圓弧銑刀可側(cè)刃銑削加工的轉(zhuǎn)角更小。

圖5 90°轉(zhuǎn)角避讓狀態(tài)

（3）表面粗糙度 分段圓弧銑刀應(yīng)用的是圓弧擬合曲面模式，因輪廓圓弧半徑較大，采用分層銑削時(shí)，理論上表面殘留較球頭刀而言要小很多。表面殘留高度h的計(jì)算公式為

其中l(wèi)為層進(jìn)，分別采用D6球頭刀、D20球頭刀和R200分段輪廓銑刀加工時(shí)，為了達(dá)到0.002mm以下層高，理論層進(jìn)分別為0.2mm、0.4mm和1.78mm。

（4）五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)分析 在TEBIS CAM平臺(tái)，分別使用標(biāo)準(zhǔn)立銑刀D10和分段圓弧銑刀D10R50RT2對(duì)標(biāo)準(zhǔn)“S”件（見(jiàn)圖6）進(jìn)行側(cè)邊五軸聯(lián)動(dòng)加工編程。

圖6 “S”件側(cè)壁面

分析程序過(guò)程中，普通立銑刀及分段圓弧刀加工的“S”面分別如圖7、圖8所示。

可以看出，采用立銑刀進(jìn)行側(cè)壁加工時(shí)，在“S”面中段，機(jī)床的C轉(zhuǎn)軸和A/B擺軸在短時(shí)間和距離內(nèi)都出現(xiàn)了大幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，這也是“S”件測(cè)試常出現(xiàn)加工缺陷的區(qū)域。

圖7 普通立銑刀加工“S”面

圖8 分段圓弧刀加工“S”面

2. 分段圓弧銑刀編程

（1）刀具創(chuàng)建 軟件需要支持刀具的真實(shí)輪廓造型才能進(jìn)行分段輪廓圓弧銑刀編程，TEBIS軟件可以直接讀取刀具輪廓（見(jiàn)圖9），并按照真實(shí)造型在工件表面計(jì)算接觸點(diǎn)。

圖9 TEBIS刀具真實(shí)輪廓

（2）側(cè)傾角驅(qū)動(dòng) 分為被動(dòng)式和主動(dòng)式，被動(dòng)式驅(qū)動(dòng)由定義好的刀軸和工件表面計(jì)算接觸點(diǎn)，只需要刀具造型真實(shí)，接觸點(diǎn)就是唯一且確定的。三軸加工、定角度加工及刀軸驅(qū)動(dòng)式五軸聯(lián)動(dòng)加工都屬于被動(dòng)式側(cè)傾角驅(qū)動(dòng)。

TEBIS支持兩種主動(dòng)式側(cè)傾角驅(qū)動(dòng)策略（漸增式和可變式），如圖10、圖11所示，可根據(jù)側(cè)壁高度自動(dòng)調(diào)節(jié)側(cè)傾角，以滿足避讓和加工余量均勻要求。

圖10 漸增式側(cè)傾角驅(qū)動(dòng)

圖11 可變式側(cè)傾角驅(qū)動(dòng)

3. 螺旋樣件加工驗(yàn)證

螺旋樣件表面為扭轉(zhuǎn)直紋面，這是典型的航空結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)。使用分段輪廓刀具，五軸聯(lián)動(dòng)策略加工零件表面，層進(jìn)0.4mm，加工結(jié)果顯示，零件表面粗糙度值Ra達(dá)到0.8μm以下，螺旋樣件數(shù)模與加工實(shí)物如圖12所示。

圖12 螺旋樣件數(shù)模與加工實(shí)物

4. 結(jié)語(yǔ)

相較于傳統(tǒng)側(cè)壁加工采用的立銑刀、球頭刀和錐度銑刀，分段圓弧銑刀配合五軸聯(lián)動(dòng)策略側(cè)壁加工方法有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

相對(duì)于立銑刀，分段圓弧銑刀有著更廣泛的適用性，可用于加工更高（深）的側(cè)壁，加工更小的轉(zhuǎn)角，以及一次性同時(shí)加工側(cè)壁和底角。對(duì)扭轉(zhuǎn)直紋面變角區(qū)域進(jìn)行加工時(shí)，可以有效減少機(jī)床轉(zhuǎn)軸/擺軸運(yùn)動(dòng)的幅度。同時(shí)，由于輪廓弧度的存在，分段圓弧刀具可以對(duì)較平坦的凹形鼓形面進(jìn)行加工，而立銑刀僅能加工凸形鼓形面。

相對(duì)球頭刀行切加工，分段圓弧銑刀可以實(shí)現(xiàn)更高的加工效率及更高的表面品質(zhì)。側(cè)刃加工方式可以有效地減少薄壁零件的讓刀回彈，減少零件變形。