潘國華，唐臣升，鎖聰，孫智源，劉樂，唐鵬

沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司

1 引言

目前，球頭刀在曲面加工中的應(yīng)用范圍非常廣，具有良好的法矢自適應(yīng)性，刀路軌跡規(guī)劃較簡單。但球頭刀的加工帶寬窄、刀尖的切削速度為0以及端銑能力差，尤其在大面積平坦小曲率面的模具加工時，常造成刀具磨損嚴(yán)重、加工表面質(zhì)量差和加工效率低等不良后果，其端銑能力弱的問題在一定程度上限制了模具的加工效率。

寬行加工技術(shù)常以CATIA軟件的CAM模塊為平臺，實現(xiàn)寬行加工算法和CATIA軟件的集成，使刀具和被加工曲面能在更廣闊的加工區(qū)域內(nèi)更好地進行匹配，以獲得更寬的加工帶寬。在五軸自由曲面加工中，圓環(huán)面刀具加工不僅能改善切削性能，還可以在刀具運動過程中通過調(diào)整刀軸矢量，使刀具包絡(luò)曲面充分逼近理論設(shè)計曲面，從而顯著提高給定精度下的加工帶寬。對于一些大型模具小曲率面的加工，圓環(huán)面刀具(與球頭刀相比)是典型的寬行加工刀具，具有切削條件良好和金屬去除率高等優(yōu)點。寬行數(shù)控加工技術(shù)充分利用了多軸聯(lián)動數(shù)控機床的多自由度運動功能，通過適當(dāng)調(diào)整圓環(huán)面刀具的刀位和姿態(tài)，則可獲得最優(yōu)加工效率和加工精度。

與三軸加工相比，五軸數(shù)控加工是航空航天等領(lǐng)域中高效加工曲面的有效手段，在避免刀具局部干涉和全局碰撞中具有明顯優(yōu)勢，一次裝夾即可完成所有工序加工，實現(xiàn)更高的切削效率。五軸數(shù)控機床不僅能調(diào)整刀軸角度，避免球頭刀頂點與被加工曲面的擠壓，還可以選擇非球面刀具加工，如端銑中常采用圓環(huán)面刀具來實現(xiàn)線接觸寬行加工。

2 刀具軌跡規(guī)劃和數(shù)控編程

刀具軌跡規(guī)劃是曲面數(shù)控編程的核心任務(wù)，在數(shù)控加工過程中，刀具軌跡直接影響加工效率、加工精度及表面質(zhì)量。曲面加工需多次走刀實現(xiàn)，若生成無干涉的刀具軌跡，理論上必須經(jīng)過刀具定位、刀路規(guī)劃及干涉檢查等主要步驟，而實際則要全方位考慮刀具定位、刀軌形態(tài)、刀軸矢量優(yōu)化、切削參數(shù)、刀路長度、是否干涉及機床運動特性等因素，以獲得最佳效果。走刀步長既不能過大也不能過小，同時在保證設(shè)計技術(shù)要求的殘留高度前提下，走刀行距應(yīng)盡可能大些，既能滿足加工精度要求，又可提高加工效率。

理想的刀具路徑不僅需滿足刀路計算速度快、計算機內(nèi)存占用少的要求，還應(yīng)該滿足加工誤差分布均勻、切削行間距分布均勻和走刀步長分布合理等要求。刀具軌跡的連續(xù)性、長度及方向的一致性是評價刀具軌跡優(yōu)劣的指標(biāo)。此外，殘留高度并不是越小越好，因為較小的殘留高度會延長整體加工時間，不利于提高加工效率。所以，合理設(shè)置殘留高度結(jié)合最短加工時長才是最優(yōu)選擇。

2.1 刀位優(yōu)化

刀位優(yōu)化的主要目的是在避免局部過切、全局干涉及保證加工精度的前提下，滿足最大材料去除率和減少走刀空行程，盡可能獲得最大加工帶寬，并最終確定刀具和工件曲面之間的相對位置關(guān)系。加工帶寬的大小是刀位優(yōu)化算法的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，理論上加工帶寬越大，加工效率就越高，用于完成曲面加工的刀路數(shù)量就越少。

2.2 基于CATIA軟件的寬行加工數(shù)控編程

在五坐標(biāo)曲面數(shù)控加工中，提高加工效率的關(guān)鍵在于獲得無干涉條件下的最優(yōu)加工帶寬及對應(yīng)的優(yōu)化刀具參數(shù)。刀位優(yōu)化算法的目的是為了實現(xiàn)寬行加工，即通過調(diào)整刀具位置，使刀具和被加工曲面貼合更加緊密，從而最大化加工帶寬。

選擇CATIA軟件數(shù)控加工模塊中的曲面多軸行切操作中的一個加工策略進行數(shù)控編程，刀具選擇圓環(huán)面銑刀，定義刀軸模式為設(shè)置選項中的引導(dǎo)傾斜，刀軸由兩個方向的合成向量引導(dǎo)加工，即刀軸方向由傾斜角α和側(cè)偏角β兩個角度合成來確定，α角和β角所在的兩平面分別垂直于被加工曲面(見圖1)。引導(dǎo)模式選擇變化引導(dǎo)角固定側(cè)偏角模式，即刀具在走刀方向上的前傾角α是變化的，而β角為固定值。刀軸合成向量見圖2。

圖1 CATIA加工策略

圖2 變化引導(dǎo)角α和固定側(cè)偏角β合成的刀軸向量

經(jīng)過多次仿真試切，在加工小曲率曲面時，選擇變化引導(dǎo)角α和固定側(cè)偏角β可實現(xiàn)加工帶寬最大，側(cè)偏角β太小可能會引起局部過切，太大則會產(chǎn)生過大的殘留高度，因此側(cè)偏角β的大小對加工效率和加工質(zhì)量有很大影響，一般來說，側(cè)偏角β的合理取值范圍在6°～10°。

基于CATIA編程軟件，通過選擇合適的刀具及加工策略、調(diào)整刀具位姿，優(yōu)化刀具位置軌跡，使刀具包絡(luò)面和工件曲面的曲率半徑在盡可能大的范圍內(nèi)大致相同。調(diào)整刀具與曲面的位置關(guān)系，刀具在每一個刀位處均會加工一條線，每一次連續(xù)走刀即形成一個加工面，刀具相鄰多次走刀就能完成整個曲面的加工，也就是所謂的“以點帶線，以線帶面”。這樣刀具沿某一方向運動時，才能獲得最大的加工帶寬以及最小的殘留高度，也就能獲得較高的加工精度和加工效率，此時刀具刀位為優(yōu)化的刀位。

上述數(shù)控編程加工策略適合被加工型面曲率變化較小的小曲率曲面加工，選擇直徑為50mm、底角半徑為R6的圓環(huán)面刀具，算法原理簡單，獲得的加工帶寬是傳統(tǒng)刀位算法的幾倍，極大地提高了加工效率，具有實際工程意義。

3 選擇曲面加工刀具

在五軸數(shù)控加工中，雖然球頭刀對曲面的自適應(yīng)性較好，但其端點處的切削速度為0，底部切削效率低；與加工曲面只能形成點接觸，加工帶寬有限；切削速度不恒定，導(dǎo)致球頭刀加工效率低、刀具易磨損。通過理論分析，圓環(huán)面銑刀和球頭銑刀相比，在獲得相同表面質(zhì)量的前提下，圓環(huán)面銑刀的步距要寬幾倍甚至幾十倍，切削效率更高，總切削路徑變短，極大縮短了加工時間。

如圖3所示，在被加工表面具有相同殘留高度的前提下，應(yīng)用球頭立銑刀進行行切的行寬D2遠小于應(yīng)用帶轉(zhuǎn)接圓弧的圓環(huán)面銑刀進行行切的行寬D1。在保證沒有干涉的情況下，小曲率曲面的加工可以采用相對大一些的刀具直徑及較大的行距加工，從而減少走刀次數(shù)，提高加工效率。圓環(huán)面銑刀與球頭刀相比是典型的寬行加工刀具，具有切削條件良好、切削速度穩(wěn)定及金屬去除率高等優(yōu)點。

圖3 圓環(huán)面銑刀和球頭刀的行寬理論值比較

在模具型面的數(shù)控加工中，常用裝有刀片的機夾式銑刀作為粗加工的首選刀具，而在五軸切削中，通常選擇帶有圓刀片的圓環(huán)面銑刀進行粗加工。如果選擇方肩銑刀進行粗加工，半精加工就需要去除大量臺階狀切削余量，給后續(xù)精加工留下不均勻的加工余量，從而影響模具的加工精度及表面粗糙度。而圓形切削刃可以均勻地分散切削力，將更多的切削力轉(zhuǎn)化為軸向力；圓形刀片可以實現(xiàn)多次的有效轉(zhuǎn)位，材料去除率是其它形狀刀片的數(shù)倍，不僅減少操作工換新刀片的頻率，還減少了輔助加工時間，降低了加工成本。

選擇帶有圓刀片的圓環(huán)面銑刀，結(jié)合CATIA軟件適宜的編程策略，通過控制刀軸的傾角獲得較大的有效半徑，可提高刀具有效切削刃與被加工曲面的近似程度，使得刀具在曲面加工過程中與被加工曲面的接觸性更好，實現(xiàn)相鄰刀路之間平滑過渡，且可為半精加工留下較小、較均勻的加工余量。其走刀軌跡見圖4。

圖4 圓環(huán)面刀具粗加工寬行走刀軌跡

裝有圓刀片的圓環(huán)面銑刀最重要的特性是加工后產(chǎn)生的切屑厚度是可變的，與大多數(shù)其它形狀刀片相比，可實現(xiàn)更高的進給率。從刀具磨損的角度來說，圓環(huán)面的切削刃強度更好，能同時減少崩刃的危險，可在各種材料中和各個方向上進行銑削，也可用于重切削，且適用于銑削硬度很大的材料。

由于圓環(huán)面刀具具有曲率變化范圍大、切削條件好、加工效率高、刀具壽命高及成本低等諸多優(yōu)點，因此，寬行數(shù)控加工技術(shù)可通過調(diào)整刀軸傾角來實現(xiàn)刀具包絡(luò)面和被加工曲面的緊密貼合，從而實現(xiàn)大帶寬的高效高精加工。

4 加工驗證

以大型工裝小曲率面為加工對象，工裝型面材料為A3鋼，外形尺寸為2800mm×1565mm。曲面比較平坦，曲率變化平緩且較小(見圖5)。

圖5 小曲率面工裝

加工設(shè)備采用法國FIDIA五坐標(biāo)數(shù)控機床，粗加工時選擇刀具直徑D=63mm、圓刀片半徑r=6mm的圓環(huán)面盤銑刀進行編程，加工策略選擇多軸加工策略設(shè)置參數(shù)，定義刀軸模式為Lead and tilt，引導(dǎo)模式選擇Variable lead and fixed tilt，刀具在走刀方向上的前傾角α的變化范圍介于最大值和最小值之間，令刀具軸線的左右偏擺角β=6°，走刀方式選擇往復(fù)式，加工公差選擇0.2mm，行寬為40mm，切削深度為0.5mm，進給速度為500mm/min，理論加工時間為5h19min，而選擇球頭刀粗加工的理論加工時間為42h3min，加工效率至少提高了7倍(見圖6和圖7)。

圖6 球頭刀粗加工理論加工時間

圖7 圓環(huán)面刀具粗加工理論加工時間

5 仿真和誤差分析

CATIA軟件系統(tǒng)可以方便、快捷地實現(xiàn)幾何仿真加工。利用CATIA軟件自帶的運動仿真功能在電腦屏幕上演示數(shù)控程序的執(zhí)行過程，不僅能夠驗證刀具路徑規(guī)劃得是否合理，還可以檢查切削過程中刀具和工件之間是否會產(chǎn)生碰撞、干涉、過切及殘留等加工問題，以便及時調(diào)整刀具姿態(tài)和相關(guān)加工工藝參數(shù)，提前解決實際加工過程中可能會遇到的問題，保證數(shù)控程序的準(zhǔn)確性。通過仿真實現(xiàn)零件的試切過程并驗證刀具軌跡的正確性是數(shù)控加工程序校驗的有效手段，為最終確立合適的加工工藝參數(shù)提供了依據(jù)。

從圖8可以看到，加工余量和殘留高度都比較均勻。選擇圓環(huán)面銑刀進行小曲率面的粗加工可以顯著減少刀軌數(shù)目，縮短加工時間，證明圓環(huán)面銑刀寬行刀路軌跡規(guī)劃方法具有可行性和高效性。

圖8 圓環(huán)面刀具粗加工仿真結(jié)果

6 結(jié)語

基于CATIA軟件系統(tǒng)的數(shù)控加工編程及仿真功能，選擇合適的加工策略，使用圓環(huán)面銑刀代替普通球頭刀加工小曲率面，以有效切削帶寬為目標(biāo)優(yōu)化刀具路徑，并通過大型工裝小曲率面的粗加工試驗進行驗證。仿真及試驗結(jié)果表明，使用寬行加工技術(shù)可以避免數(shù)控加工中的局部干涉，在加工平坦、敞口類小曲率曲面時能充分發(fā)揮五軸機床的加工優(yōu)勢，取得較優(yōu)化的加工帶寬，實現(xiàn)刀軌稀疏簡短的寬行距線接觸加工和小曲率面的高品質(zhì)加工，是普通球頭刀加工效率的數(shù)倍。