分段圓弧輪廓銑刀五軸聯動加工側壁

■ TEBIS中國總部 （上海 201203） 柳綠洲

由于外形氣動要求，航空結構件存在大量單向（直紋曲面）或雙向曲面造型，基于結構特點，加工時常常需要大量應用五軸聯動策略。常規零件或模具加工時，對曲面的處理多采用球面擬合行切的算法，通過減少步進距離及密集的點分布策略來降低弦偏差，以達到高質量加工表面的要求。對于航空結構件而言，因其零件結構剛性弱、加工效率要求高等特點，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，而對于側壁輪廓，特別是薄壁結構無法實現。

側刃擬合加工是針對直紋曲面側壁造型的一種有效方法，“S”件機床性能測試即基于此方法提出，與球面行切方式相比，側刃擬合加工更偏重于刀軸矢量插補的形式和密度，而非刀位點分布。這樣的加工方式對五軸聯動機床的精度和運動性能都有較高的要求，因此被用作機床性能測試的一項標準。相對而言，雙擺軸形式的機床，雖然在行程上受限較大，但對于矢量插補有著更好的適應性，而常用的轉軸-擺軸機床，則需要在短時間、短距離內執行大量的變角運動，往往導致加工表面出現過切與欠切現象。因此為了更好地加工此類結構零件，Zimmermann公司專門推出了一款六軸設備，以同時滿足矢量插補準確和行程范圍的要求。

側刃擬合加工的另一個挑戰在于加工側壁面的高度和轉角，因其加工刀具直徑受到結構造型轉角的限制，而刀具有效加工長度受到側壁高度的限制，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，以圓錐側刃替代圓柱側刃，通過圓錐段的角度，一是實現了刀柄處的避讓；二是可以選擇直徑更大的刀柄來增強刀具剛性；三是圓錐前端的球頭可以加工出較小的底角或轉角。這種刀具的應用，實現了短刀加工深腔、一刀多用同時實現側壁加工、清根及用側刃擬合加工底面的效果，為五軸聯動加工的多樣化提供了便利。

圖1 分段圓弧輪廓銑刀結構

圖2 分段圓弧輪廓銑刀

分段圓弧輪廓銑刀在錐度銑刀的基礎上，將圓錐體輪廓圓弧化，形成類似水滴造型如圖1、圖2所示，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，為側壁型面加工開啟了新思路。

1. 分段圓弧銑刀加工原理

（1）側向傾角 由于分段圓弧銑刀輪廓為非直紋錐面，因此與側壁切點可隨著刀具側向傾角變化在圓弧輪廓上、下移動，為了方便計算，將刀尖球頭設為0，簡化刀具輪廓（見圖3），刀具包含參數：上端半徑（刀柄半徑）r，錐度θ，輪廓圓弧半徑R，側向可偏移傾角δ。

圖3 簡化的刀具輪廓

當切點分別在圓弧輪廓上、下邊緣時，可減少或增加的偏移傾角遵循公式

以r＝10mm，θ＝15°，R＝200mm代入，計算可得δ＝5.543°，當刀尖帶有球頭時，上側偏移傾角δU＝δ，下側記為δD，如圖4所示。

令輪廓圓弧圓心坐標為（XO，YO），刀尖球頭圓心為（XT，YT），兩者切點坐標為（XK，YK），刀尖球頭半徑為RT， 各項參數滿足方程組

令RT＝3mm，通過作圖計算出δD＝3.072°，即該刀具可用的側傾角為9.457°～18.072°。當傾斜角度超過18.072°時，改由刀尖球頭擬合切削。

（2）轉角避讓 錐度銑刀加工側壁時，由于是全刃接觸，側刃加工只能通過比自身上端半徑大的轉角（當側壁面足夠高時），對于更小的轉角，實際改由刀尖球頭行切。

分段圓弧銑刀因為側傾角可調整，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角。

圖4 帶刀尖球頭時的刀具輪廓

以90°轉角為例（見圖5），不產生碰撞，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?？梢酝茖В苊馀鲎?，轉角半徑需要滿足不等式

已知r＝10mm，作圖計算出H＝11.763mm，代入計算得Rc≥5.74mm。由此可知，相對錐度銑刀，分段圓弧銑刀可側刃銑削加工的轉角更小。

圖5 90°轉角避讓狀態

（3）表面粗糙度 分段圓弧銑刀應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，理論上表面殘留較球頭刀而言要小很多。表面殘留高度h的計算公式為

其中l為層進，分別采用D6球頭刀、D20球頭刀和R200分段輪廓銑刀加工時，為了達到0.002mm以下層高，理論層進分別為0.2mm、0.4mm和1.78mm。

（4）五軸聯動機床運動分析 在TEBIS CAM平臺，分別使用標準立銑刀D10和分段圓弧銑刀D10R50RT2對標準“S”件（見圖6）進行側邊五軸聯動加工編程。

圖6 “S”件側壁面

分析程序過程中，普通立銑刀及分段圓弧刀加工的“S”面分別如圖7、圖8所示。

可以看出，采用立銑刀進行側壁加工時，在“S”面中段，機床的C轉軸和A/B擺軸在短時間和距離內都出現了大幅度的轉動，這也是“S”件測試常出現加工缺陷的區域。

圖7 普通立銑刀加工“S”面

圖8 分段圓弧刀加工“S”面

2. 分段圓弧銑刀編程

（1）刀具創建 軟件需要支持刀具的真實輪廓造型才能進行分段輪廓圓弧銑刀編程，TEBIS軟件可以直接讀取刀具輪廓（見圖9），并按照真實造型在工件表面計算接觸點。

圖9 TEBIS刀具真實輪廓

（2）側傾角驅動 分為被動式和主動式，被動式驅動由定義好的刀軸和工件表面計算接觸點，只需要刀具造型真實，接觸點就是唯一且確定的。三軸加工、定角度加工及刀軸驅動式五軸聯動加工都屬于被動式側傾角驅動。

TEBIS支持兩種主動式側傾角驅動策略（漸增式和可變式），如圖10、圖11所示，可根據側壁高度自動調節側傾角，以滿足避讓和加工余量均勻要求。

圖10 漸增式側傾角驅動

圖11 可變式側傾角驅動

3. 螺旋樣件加工驗證

螺旋樣件表面為扭轉直紋面，這是典型的航空結構件的特點。使用分段輪廓刀具，五軸聯動策略加工零件表面，層進0.4mm，加工結果顯示，零件表面粗糙度值Ra達到0.8μm以下，螺旋樣件數模與加工實物如圖12所示。

圖12 螺旋樣件數模與加工實物

4. 結語

相較于傳統側壁加工采用的立銑刀、球頭刀和錐度銑刀，分段圓弧銑刀配合五軸聯動策略側壁加工方法有其特點和優勢。

相對于立銑刀，分段圓弧銑刀有著更廣泛的適用性，可用于加工更高（深）的側壁，加工更小的轉角，以及一次性同時加工側壁和底角。對扭轉直紋面變角區域進行加工時，可以有效減少機床轉軸/擺軸運動的幅度。同時，由于輪廓弧度的存在，分段圓弧刀具可以對較平坦的凹形鼓形面進行加工，而立銑刀僅能加工凸形鼓形面。

相對球頭刀行切加工，分段圓弧銑刀可以實現更高的加工效率及更高的表面品質。側刃加工方式可以有效地減少薄壁零件的讓刀回彈，減少零件變形。