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作者：柳綠洲（特必思軟件貿(mào)易 （上海） 有限公司）

文章已刊載在《模具制造》2020.6月刊，版權(quán)歸作者所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，謝謝！

【摘要】分段圓弧輪廓銑刀結(jié)合新的5軸聯(lián)動(dòng)策略， 可針對(duì)航空結(jié)構(gòu)件， 特別是側(cè)壁加工提高編程靈活性、 提升效率和表面質(zhì)量。首先分析了分段圓弧刀具的幾何特點(diǎn)， 其次結(jié)合了TEBIS軟件介紹了該類刀具的5軸聯(lián)動(dòng)編程策略， 最后通過(guò)刀路仿真以及螺旋造型樣件的實(shí)際加工論證了該刀具和方法的有效性。

關(guān)鍵詞：分段圓弧輪廓銑刀；5軸聯(lián)動(dòng)；側(cè)壁加工；TEBIS平臺(tái)

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(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)距離以及密集的點(diǎn)分布策略來(lái)降低弦偏差， 以達(dá)到高質(zhì)量的加工表面。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 [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(duì)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(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)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(mén)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(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 [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(guò)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(lái)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(jiàn)圖1、 圖2） ， 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)壁形面加工開(kāi)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(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。

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） ：

δ = asin （r/2Rsinθ） （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δ U =δ下側(cè)記為δ D ， 如圖4所示。

圖3 簡(jiǎn)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 （X 0 ， Y 0 ） 刀尖球頭圓心為（X T ， Y T ） ， 兩者切點(diǎn)坐標(biāo)為 （X K ， Y K ） ， 刀尖球頭半徑為R T ， 各項(xiàng)參數(shù)滿足方程組 （2） ：

（2）

令R T =3， 通過(guò)作圖計(jì)算出δ D =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。

2.2 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。

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(lái)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R C 需要滿足不等式 （3） ：

（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(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)

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：

（4）

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(tái)， 分別使用標(biāo)準(zhǔn)立銑刀D10和分段圓弧銑刀D10R50R T 2對(duì)標(biāo)準(zhǔn)S件 （見(jiàn)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(guò)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(cè)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(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(shì)。

相對(duì)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(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)較平坦的凹型鼓形面進(jìn)行加工， 而立銑刀僅能加工凸性鼓形面。

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， 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(duì)航空結(jié)構(gòu)件加工要求有更大的優(yōu)勢(shì)。