作者：柳绿洲（特必思软件贸易 （上海） 有限公司）

文章已刊载在《模具制造》2020.6月刊，版权归作者所有，转载请注明出处，谢谢！

【摘要】分段圆弧轮廓铣刀结合新的5轴联动策略， 可针对航空结构件， 特别是侧壁加工提高编程灵活性、 提升效率和表面质量。首先分析了分段圆弧刀具的几何特点， 其次结合了TEBIS软件介绍了该类刀具的5轴联动编程策略， 最后通过刀路仿真以及螺旋造型样件的实际加工论证了该刀具和方法的有效性。

关键词：分段圆弧轮廓铣刀；5轴联动；侧壁加工；TEBIS平台

1 引言

由于外形气动要求， 航空结构件存在大量单向 （直纹曲面） 或双向曲面造型， 基于结构特点， 加工时常常需要大量应用5轴联动策略 [1] 。常规零件或模具加工时， 对曲面的处理多采用球面拟合行切的算法， 通过减少步进距离以及密集的点分布策略来降低弦偏差， 以达到高质量的加工表面。对于航空结构件而言， 因其零件结构刚性弱， 加工效率要求高等特点， 行切方法可用范围小， 通常只局限于底部造型和底角连接处的清根操作， 而对于侧壁轮廓， 特别是薄壁结构无法实现。

侧刃拟合加工是针对直纹曲面侧壁造型的一种有效方法， “S件” 机床性能测试即基于此方法提出 [2] ，与球面行切的方式相比， 侧刃拟合加工精度要求更偏重于刀轴矢量插补的形式和密度， 而非刀位点分布。这样的加工方式对机床5轴联动的精度和运动性能都有较高的要求， 因此被用作机床性能测试的一项标准。相对而言， 双摆轴形式的机床， 虽然在行程上受限较大， 但对于矢量插补有着更好的适应性， 而常用的转轴-摆轴机床， 则需要在短时间、 短距离内执行大量的变角运动， 往往导致加工表面出现过欠切现象。

因此为了更好加工拥有此类结构特点的零件，zimmermann公司专门推出了一款6轴设备， 以同时满足矢量插补准确和行程范围足够的要求。侧刃拟合加工的另一个挑战在于加工侧壁面的高度和转角 [3] ， 因其加工刀具直径受到结构造型转角的限制， 而刀具有效加工长度受到侧壁高度的限制，加工刀具的刚性常常成为瓶颈。锥度铣刀 （铅笔刀和燕尾刀） 的使用 [4] ， 以圆锥侧刃替代圆柱侧刃 （有效运算接触都是一条直线） ， 通过圆锥段的角度：①实现了刀柄处的避让；②可以选择直径更大刀柄来增强刀具刚性， ③圆锥前端的球头可以加工出较小的底角或转角。这种刀具造型的应用， 实现了短刀加工深腔、 一刀多用同时实现侧壁加工和清根、 以及用侧刃拟合加工底面， 为5轴联动加工的多样化提供了便利。

分段圆弧轮廓铣刀在锥度铣刀的基础上， 将圆锥体轮廓圆弧化， 形成类似水滴造型 （见图1、 图2） ， 因此也被称作水滴刀。相对普通锥度铣刀， 分段圆弧铣刀有着更高的加工灵活度， 为侧壁形面加工开启了新思路。

图1 分段圆弧轮廓铣刀 图2 HITACHI刀具GS4TN系列

2 分段圆弧铣刀加工原理

2.1 侧向倾角

由于分段圆弧铣刀轮廓为非直纹锥面， 因此与侧壁切点可随着刀具侧向倾角变化在圆弧轮廓上下移动， 为了方便计算， 将刀尖球头设为0， 简化刀具轮廓（见图3） ， 刀具包含参数：上端半径 （刀柄半径） r， 锥度θ， 轮廓圆弧半径R， 侧向可偏移倾角δ。

可以很方便计算出， 当切点分别在圆弧轮廓上下边缘时， 可减少或增加的偏移倾角遵循公式 （1） ：

δ = asin （r/2Rsinθ） （1）

以r=10， θ=15， R=200代入， 计算可得δ=5.543°， 当刀尖带有球头时， 上侧偏移倾角δ U =δ下侧记为δ D ， 如图4所示。

图3 简化的刀具轮廓 图4 带刀尖球头时的刀具轮廓

令轮廓圆弧圆心坐标为 （X 0 ， Y 0 ） 刀尖球头圆心为（X T ， Y T ） ， 两者切点坐标为 （X K ， Y K ） ， 刀尖球头半径为R T ， 各项参数满足方程组 （2） ：

（2）

令R T =3， 通过作图计算出δ D =3.072， 即该刀具可用的侧倾角为9.457~18.072， 当倾斜角度超过18.072时，改由刀尖球头拟合切削。

2.2 转角避让

锥度铣刀加工侧壁时， 由于是全刃接触， 侧刃加工只能通过比自身上端半径大的转角 （当侧壁面足够高时） ， 对于更小的转角， 实际改由刀尖球头行切。分段圆弧铣刀因为侧倾角可调整， 相对锥度铣刀而言，可获得更大的避让间隙， 因此也能通过更小的转角。

以90°转角为例， 不产生碰撞要求由额外角度增加所带来的避让间隙大于刀具圆弧轮廓部分上端最大半径， 如图5所示。可以推导， 要避免碰撞， 转角半径R C 需要满足不等式 （3） ：

（3）

已知r=10mm， 作图计算出H=11.763mm， 代入计算得mm。由此可知， 相对锥度铣刀， 分段圆弧铣刀可侧刃铣削加工的转角更小。

图5 90°转角避让状态

2.3 表面光洁度

分段圆弧铣刀应用的是圆弧拟合曲面模式， 因轮廓圆弧半径较大， 采用分层铣削时， 理论表面残留较球头刀而言要小很多 [5] 。根据计算公式 （4） ， 可计算表面残留高度h：

（4）

其中为层进， 分别采用D6mm球头刀、 D20mm球头刀和R200mm分段轮廓铣刀加工时， 为了达到0.002mm以下残高， 理论层进分别为0.2mm、 0.4mm和1.78mm。

2.4 5轴联动机床运动分析

在TEBIS CAM平台， 分别使用标准立铣刀D10和分段圆弧铣刀D10R50R T 2对标准S件 （见图6） 进行侧边5轴联动加工编程。

图6 S件侧壁面

分析程序过程中， 机床转轴C、 摆轴A/B随时间运动得到图7、 图8。

图7 普通立铣刀加工S面 图8 分段圆弧刀加工S面

可以看到， 采用立铣刀进行侧壁加工时， 在S面中段， 机床的转轴和摆轴在短时间和距离内都出现了大幅度的转动， 这也是S件测试常出现加工缺陷的区域。

3 分段圆弧铣刀编程

3.1 刀具创建

真实轮廓刀具的支持是采用该类刀具进行编程的前提， TEBIS软件可以直接读取刀具轮廓 （见图9） ，并按照真实造型在工件表面计算接触点。

图9 TEBIS刀具真实轮廓和造型

3.2 侧倾角驱动

侧倾角驱动分为被动式和主动式， 被动式驱动由定义好的刀轴和工件表面计算接触点， 只需要刀具造型真实， 接触点就是唯一且确定的。3轴加工、 定角度加工以及刀轴驱动式5轴联动加工都属于被动式侧倾角驱动， 如图10、 图11所示。

TEBIS支持主动式侧倾角驱动， 可以选择根据侧壁高度自动调节侧倾角， 以满足避让和加工余量均匀的要求。

图10 渐增式侧倾角驱动 图11 可变式侧倾角驱动

4 螺旋样件加工验证

螺旋样件表面为扭转直纹面， 有着非常典型的航空结构件特点和代表性。使用分段轮廓刀具、 5轴联动策略加工零件表面， 层进0.4mm， 加工结果， 零件表面粗糙度值Ra0.8μm， 如图12所示。

图12 螺旋样件数模与加工实物

5 总结

相较于传统侧壁加工采用的立铣刀、 球头刀和锥度铣刀， 分段圆弧铣刀配合5轴联动策略侧壁加工方法有其特点和优势。

相对于立铣刀、 锥度铣刀侧壁加工， 分段圆弧铣刀有着更广泛的适用性， 可用于加工更高 （深） 的侧壁， 加工更小的转角， 以及一次性同时加工侧壁和底角。对扭转直纹面变角区域进行加工时， 可以有效减少机床转轴/摆轴运动的幅度。同时， 由于轮廓弧度的存在， 分段圆弧刀具可以对较平坦的凹型鼓形面进行加工， 而立铣刀仅能加工凸性鼓形面。

相对球头刀行切加工， 分段圆弧铣刀可以实现更高的加工效率， 更高的表面加工品质。侧刃加工的方式可以有效减少薄壁零件的让刀回弹， 减少零件变形， 针对航空结构件加工要求有更大的优势。