高速銑外形閉角殘留的去除方法研究

王樂宇

（中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽110850）

隨著高速銑削技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)高速銑削在產(chǎn)品加工中的應(yīng)用，也提出了更高的要求，如何摒棄傳統(tǒng)的常規(guī)銑削加工，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工的全數(shù)字化，成為了現(xiàn)代技術(shù)工作者追求和探索的目標(biāo)。在這個(gè)探索的過程中，結(jié)構(gòu)件外形閉角殘留物的去除，成為了一個(gè)共性的問題得以凸顯。由于高速銑削比較普通數(shù)控銑在成型刀具的使用上受到局限，因而將為了在高速銑削加工中，去除外形閉角殘留所專門設(shè)計(jì)出的工藝方案，作為方法提煉出來，具有普遍的推廣意義。

1 外形閉角殘留的定義及形成原因

1.1 外形閉角的定義

習(xí)慣上，在板材單面加工中，當(dāng)零件外形與工作臺(tái)間形成的夾角小于90°時(shí)，把這個(gè)夾角稱為外形閉角。外形閉角可分為變化外形閉角和恒定外形閉角。

1.2 外形閉角殘留的定義

在板材單面加工中，因零件存在外形閉角而發(fā)生刀具與工作臺(tái)干涉現(xiàn)象，進(jìn)而無法切削的那一部分毛料，稱之為外形閉角殘留。

1.3 外形閉角殘留的形成原因

通過對(duì)外形閉角殘留的定義不難發(fā)現(xiàn)，外形閉角殘留是因?yàn)榱慵蚊婕庸r(shí)，存在閉角外形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致通用圓柱形銑刀為避免與工作臺(tái)發(fā)生干涉，而無法對(duì)一部分毛料進(jìn)行切削形成的。在定義了刀具直徑d，外形閉角角度α后，可以得到閉角殘留高度h的計(jì)算公式

從公式中可以看出，外形閉角殘留高度，取決于切削刀具直徑和外形閉角角度的大小。當(dāng)切削刀具直徑和外形閉角的角度已知時(shí)，可以通過計(jì)算得出外形閉角殘留的實(shí)際高度。變化外形閉角的閉角殘留高度，隨外形閉角的角度變化而變化，恒定外形閉角的閉角殘留高度恒定。去除外形閉角殘留的方法是在獲得了外形閉角殘留高度的基礎(chǔ)上提出的。圖1為外形閉角殘留示意圖。

圖1 外形閉角殘留示意圖

2 外形閉角殘留的去除方法

2.1 夾具法

根據(jù)對(duì)外形閉角殘留的形成原因所做的分析，可以發(fā)現(xiàn)，只要消除了刀具與工作臺(tái)之間的干涉，就可以將殘留去除，刀具與平臺(tái)的干涉高度值h′=h。由于板材單面加工，都是以工作臺(tái)定位，要想升高零件的加工位置，切削時(shí)給刀具與工作臺(tái)間留出足夠的空間，就需要增制一套銑切夾具。在工作臺(tái)上完成全部加工后，再在夾具上去除外形閉角殘留。夾具法的應(yīng)用涉及工藝流程更改、數(shù)控程序編制和夾具設(shè)計(jì)共3個(gè)方面。

（1）工藝流程的更改。保持原數(shù)控工序內(nèi)容不變，僅在原數(shù)控工序后，增加銑外形閉角殘留工序。

（2）數(shù)控程序的編制。與編制精銑外形程序相仿，區(qū)別僅在于加工底面偏值中設(shè)置負(fù)值，其偏值大小，應(yīng)略大于閉角殘留高度。

（3）夾具的設(shè)計(jì)。夾具的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)夾具法的關(guān)鍵，首先需要考慮零件的定位方式，根據(jù)零件以工作臺(tái)定位加工后的狀態(tài)選取定位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)合理定位；其次需要考慮夾具高度，夾具高度是消除干涉的關(guān)鍵因素，夾具高度值應(yīng)大于刀具與工作臺(tái)干涉高度值h′；最后需要考慮夾具外部輪廓，避免刀具與夾具干涉。

以某機(jī)前座艙側(cè)地板為例，零件單面加工，一側(cè)外形為變化外形閉角，腹板上有2-Φ18H9 工藝孔，根據(jù)在數(shù)字模型上量取的外形閉角的角度及所選刀具的直徑計(jì)算得到最大閉角殘余高度值約為12 mm。因此產(chǎn)生的銑切夾具設(shè)計(jì)思路，是以零件底平面和2-Φ18H9 工藝孔定位，夾具高度選定為14 mm，夾具外廓按零件外形最小輪廓投影制造，此工裝即可滿足去除外形閉角殘留要求，圖2為夾具法示意圖。

圖2 夾具法示意圖

夾具法適用于外形閉角的角度變化且易于定位裝夾的零件，從外形閉角殘留高度的計(jì)算公式可以看出，當(dāng)外形閉角的角度發(fā)生變化時(shí)，外形閉角殘留高度也隨之變化，使用按照外形閉角殘留高度最大值設(shè)計(jì)出的夾具，可以保證在數(shù)控加工中完全去除外形閉角殘留，零件易于定位裝夾，可以很容易地設(shè)計(jì)并制造夾具。

夾具法的優(yōu)點(diǎn)，在于對(duì)工藝方案的改動(dòng)量小，保留了原有工藝流程的全部?jī)?nèi)容及順序，編程工作量小，編程難度低，易于推廣和實(shí)施；缺點(diǎn)在于增加了夾具設(shè)計(jì)、制造的工作量和零件生產(chǎn)成本。

2.2 預(yù)銑法

除了利用夾具直接消除刀具與工作臺(tái)之間干涉外，還可以通過預(yù)銑法去除外形閉角殘留。在零件開始正面加工之前，改變加工工位，對(duì)將會(huì)產(chǎn)生外形閉角殘留的部位進(jìn)行預(yù)先去除。因?yàn)槭窃诹慵_始正面加工之前進(jìn)行的，所以將這種方法稱為預(yù)銑法。預(yù)銑法的應(yīng)用涉及工藝流程更改和數(shù)控程序編制這2個(gè)方面。

（1）工藝流程的更改。在原數(shù)控工序前，增加預(yù)銑外形閉角殘留工序，保持原數(shù)控工序內(nèi)容不變，在原數(shù)控工序后，增加鉗工工序銼修外形殘留物。

（2）數(shù)控程序的編制。預(yù)銑法的重點(diǎn)，在于程序的編制，通過計(jì)算得到殘留高度值，根據(jù)高度值按垂直閉角外形在模型中建出預(yù)銑面，以預(yù)銑面為加工底面，編制預(yù)銑程序。此外，還需要對(duì)正面銑外形程序進(jìn)行調(diào)整，將銑外形程序按預(yù)銑高度，分為上下兩部分進(jìn)行編制。預(yù)銑高度以上的銑外形程序，按通常的環(huán)零件四周的軌跡方式；預(yù)銑高度以下的銑外形程序軌跡，則要避開預(yù)銑切部位，并在靠近預(yù)銑切部位設(shè)置進(jìn)、退刀；

以某機(jī)的第1 縱墻中段為例，零件一端頭為恒定外形閉角，根據(jù)外形閉角的角度和所選取刀具的直徑，計(jì)算得到閉角殘留高度約為8.65 mm，按此高度在模型閉角外形建出預(yù)銑面和預(yù)銑高度面及檢查面。預(yù)銑程序以預(yù)銑底面為加工底面編制，銑外形程序分為兩部分，預(yù)銑高度面以上的部分，以零件四周最大輪廓投影為導(dǎo)動(dòng)邊界，以預(yù)銑高度面為加工底面編制；預(yù)銑高度面以下的部分，以除閉角外形外的最大輪廓投影為導(dǎo)動(dòng)邊界，以零件底面為加工底面編制，并以檢查面設(shè)置進(jìn)、退刀，圖3給出了預(yù)銑和外形程序的演示效果。

圖3 預(yù)銑法編程效果圖

預(yù)銑法適用于外形閉角的角度恒定，且閉角外形封閉的零件。在編制銑外形程序時(shí)，可以確定切削高度，可以避免加工中毛料出現(xiàn)空隙，確保零件加工中的吸附穩(wěn)固，且切斷后在零件外側(cè)形成的殘留物較小。

預(yù)銑法的優(yōu)點(diǎn)，在于對(duì)工藝方案的改動(dòng)量小，保留了原有工藝流程的全部?jī)?nèi)容及順序，編程工作量小，編程難度低，沒有增加零件生產(chǎn)成本，易于在同類零件中推廣和實(shí)施；缺點(diǎn)是在閉角外形以外的部分，會(huì)形成較小的殘留物。

2.3 連接筋法

閉角外形開敞的零件在加工正面內(nèi)形時(shí)需將預(yù)銑切部位完全切開，無法保證毛料的封閉。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的零件，可以在外形切斷前保證預(yù)銑部位的封閉，在外形切斷后將殘留物去除，通過連接筋保持零件穩(wěn)固。連接筋法的應(yīng)用同預(yù)銑法相同，涉及工藝流程更改和數(shù)控程序編制這3個(gè)方面。

（1）工藝流程的更改。在原數(shù)控工序前，增加預(yù)銑外形閉角殘留工序；在原數(shù)控工序末尾，增加銑殘留工步；在原數(shù)控工序后，增加鉗工工序裁切連接筋。

（2）數(shù)控程序的編制。連接筋法的程序編制與預(yù)銑法大致相同，除在閉角外形處建出輔助面外，還需在模型四周建出連接筋，連接筋個(gè)數(shù)及寬度，視零件大小而定，位置沿零件四周均部。

以某機(jī)11A 肋為例，零件單面加工，閉角外形開敞，在模型上建出預(yù)銑面、預(yù)銑高度面、檢查面和連接筋。預(yù)銑及銑外形程序與預(yù)銑法程序編制相同，編制內(nèi)形程序時(shí)，以零件和檢查面選取導(dǎo)動(dòng)邊界；編制切斷程序時(shí)，以連接筋作為檢查面；此外還需編制銑殘留程序。圖4給出了內(nèi)形及切斷程序的演示效果。

圖4 連接筋法編程效果圖

連接筋法適用于外形閉角的角度恒定，且閉角外形開敞的零件。其優(yōu)點(diǎn)在于沒有增加零件生產(chǎn)成本；缺點(diǎn)在于所留出的連接筋需要鉗工去除，產(chǎn)品的數(shù)字化程度較低。

3 結(jié)束語

如何在盡可能不增加制造成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全數(shù)字化加工，始終是當(dāng)代技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)探索與研究的指導(dǎo)思想。這也從一個(gè)側(cè)面反映出了技術(shù)人員是加工流程的設(shè)計(jì)者，本文提到的幾種去除外形閉角殘留的方法，都是在零件的實(shí)際加工中得到了驗(yàn)證并加以推廣。此方法的選取，應(yīng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)水平，根據(jù)具體零件的結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)調(diào)整，以減少常規(guī)加工工作量，節(jié)省產(chǎn)品周轉(zhuǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。隨著對(duì)高速銑削加工工藝研究的不斷深入，只要技術(shù)工作者們打破常規(guī)思路，不因循守舊，將會(huì)有更多更好的去除外形閉角殘留的方法被探尋發(fā)現(xiàn)。

[1]沈興全.現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)及應(yīng)用（第3 版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.