柳綠洲

Tebis中國（上海 201203）

1 引言

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5軸聯(lián)動(dòng)策略[1]。常規(guī)零件或模具加工時(shí)，對曲面的處理多采用球面擬合行切的算法，通過減少步進(jìn)距離以及密集的點(diǎn)分布策略來降低弦偏差，以達(dá)到高質(zhì)量的加工表面。對于航空結(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，而對于側(cè)壁輪廓，特別是薄壁結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)。

側(cè)刃擬合加工是針對直紋曲面?zhèn)缺谠煨偷囊环N有效方法，“S件”機(jī)床性能測試即基于此方法提出[2]，與球面行切的方式相比，側(cè)刃擬合加工精度要求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。這樣的加工方式對機(jī)床5軸聯(lián)動(dòng)的精度和運(yùn)動(dòng)性能都有較高的要求，因此被用作機(jī)床性能測試的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。相對而言，雙擺軸形式的機(jī)床，雖然在行程上受限較大，但對于矢量插補(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)過欠切現(xiàn)象。因此為了更好加工擁有此類結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的零件，zimmermann公司專門推出了一款6軸設(shè)備，以同時(shí)滿足矢量插補(bǔ)準(zhǔn)確和行程范圍足夠的要求。

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[3]，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[4]，以圓錐側(cè)刃替代圓柱側(cè)刃（有效運(yùn)算接觸都是一條直線），通過圓錐段的角度：①實(shí)現(xiàn)了刀柄處的避讓；②可以選擇直徑更大刀柄來增強(qiáng)刀具剛性，③圓錐前端的球頭可以加工出較小的底角或轉(zhuǎn)角。這種刀具造型的應(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)壁加工和清根、以及用側(cè)刃擬合加工底面，為5軸聯(lián)動(dòng)加工的多樣化提供了便利。

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（見圖1、圖2），因此也被稱作水滴刀。相對普通錐度銑刀，分段圓弧銑刀有著更高的加工靈活度，為側(cè)壁形面加工開啟了新思路。

圖1分段圓弧輪廓銑刀

圖2 HITACHI刀具GS4TN系列

2 分段圓弧銑刀加工原理

2.1 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，簡化刀具輪廓（見圖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。

可以很方便計(jì)算出，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（1）：

以r=10，θ=15，R=200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。

圖3 簡化的刀具輪廓

圖4 帶刀尖球頭時(shí)的刀具輪廓

令輪廓圓弧圓心坐標(biāo)為（X0，Y0）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（2）：

令RT=3，通過作圖計(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18.072時(shí)，改由刀尖球頭擬合切削。

2.2 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)刃加工只能通過比自身上端半徑大的轉(zhuǎn)角（當(dāng)側(cè)壁面足夠高時(shí)），對于更小的轉(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，相對錐度銑刀而言，可獲得更大的避讓間隙，因此也能通過更小的轉(zhuǎn)角。

以90°轉(zhuǎn)角為例，不產(chǎn)生碰撞要求由額外角度增加所帶來的避讓間隙大于刀具圓弧輪廓部分上端最大半徑，如圖5所示。可以推導(dǎo)，要避免碰撞，轉(zhuǎn)角半徑RC需要滿足不等式（3）：

已知r=10mm，作圖計(jì)算出H=11.763mm，代入計(jì)算得mm。由此可知，相對錐度銑刀，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)

2.3 表面光潔度

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)，理論表面殘留較球頭刀而言要小很多[5]。根據(jù)計(jì)算公式（4），可計(jì)算表面殘留高度h：

其中為層進(jìn)，分別采用D6mm球頭刀、D20mm球頭刀和R200mm分段輪廓銑刀加工時(shí)，為了達(dá)到0.002mm以下殘高，理論層進(jìn)分別為0.2mm、0.4mm和1.78mm。

2.4 5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)分析

在TEBIS CAM平臺，分別使用標(biāo)準(zhǔn)立銑刀D10和分段圓弧銑刀D10R50RT2對標(biāo)準(zhǔn)S件（見圖6）進(jìn)行側(cè)邊5軸聯(lián)動(dòng)加工編程。

圖6 S件側(cè)壁面

分析程序過程中，機(jī)床轉(zhuǎn)軸C、擺軸A/B隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)得到圖7、圖8。

圖7 普通立銑刀加工S面

圖8 分段圓弧刀加工S面

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

3 分段圓弧銑刀編程

3.1 刀具創(chuàng)建

真實(shí)輪廓刀具的支持是采用該類刀具進(jìn)行編程的前提，TEBIS軟件可以直接讀取刀具輪廓（見圖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)輪廓和造型

3.2 側(cè)傾角驅(qū)動(dòng)

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。3軸加工、定角度加工以及刀軸驅(qū)動(dòng)式5軸聯(lián)動(dòng)加工都屬于被動(dòng)式側(cè)傾角驅(qū)動(dòng)，如圖10、圖11所示。

TEBIS支持主動(dòng)式側(cè)傾角驅(qū)動(dòng)，可以選擇根據(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的要求。

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)

4 螺旋樣件加工驗(yàn)證

螺旋樣件表面為扭轉(zhuǎn)直紋面，有著非常典型的航空結(jié)構(gòu)件特點(diǎn)和代表性。使用分段輪廓刀具、5軸聯(lián)動(dòng)策略加工零件表面，層進(jìn)0.4mm，加工結(jié)果，零件表面粗糙度值Ra0.8μm，如圖12所示。

圖12 螺旋樣件數(shù)模與加工實(shí)物

5 總結(jié)

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5軸聯(lián)動(dòng)策略側(cè)壁加工方法有其特點(diǎn)和優(yōu)勢。

相對于立銑刀、錐度銑刀側(cè)壁加工，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較平坦的凹型鼓形面進(jìn)行加工，而立銑刀僅能加工凸性鼓形面。

相對球頭刀行切加工，分段圓弧銑刀可以實(shí)現(xiàn)更高的加工效率，更高的表面加工品質(zhì)。側(cè)刃加工的方式可以有效減少薄壁零件的讓刀回彈，減少零件變形，針對航空結(jié)構(gòu)件加工要求有更大的優(yōu)勢。