分段圆弧轮廓铣刀五轴联动加工侧壁

■ TEBIS中国总部 （上海 201203） 柳绿洲

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五轴联动策略。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，通过减少步进距离及密集的点分布策略来降低弦偏差，以达到高质量加工表面的要求。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，与球面行切方式相比，侧刃拟合加工更偏重于刀轴矢量插补的形式和密度，而非刀位点分布。这样的加工方式对五轴联动机床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切与欠切现象。因此为了更好地加工此类结构零件，Zimmermann公司专门推出了一款六轴设备，以同时满足矢量插补准确和行程范围的要求。

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，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，以圆锥侧刃替代圆柱侧刃，通过圆锥段的角度，一是实现了刀柄处的避让；二是可以选择直径更大的刀柄来增强刀具刚性；三是圆锥前端的球头可以加工出较小的底角或转角。这种刀具的应用，实现了短刀加工深腔、一刀多用同时实现侧壁加工、清根及用侧刃拟合加工底面的效果，为五轴联动加工的多样化提供了便利。

图1 分段圆弧轮廓铣刀结构

图2 分段圆弧轮廓铣刀

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，形成类似水滴造型如图1、图2所示，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，为侧壁型面加工开启了新思路。

1. 分段圆弧铣刀加工原理

（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。

图3 简化的刀具轮廓

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

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

令轮廓圆弧圆心坐标为（XO，YO），刀尖球头圆心为（XT，YT），两者切点坐标为（XK，YK），刀尖球头半径为RT， 各项参数满足方程组

令RT＝3mm，通过作图计算出δD＝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）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。

图4 带刀尖球头时的刀具轮廓

以90°转角为例（见图5），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。可以推导，要避免碰撞，转角半径需要满足不等式

已知r＝10mm，作图计算出H＝11.763mm，代入计算得Rc≥5.74mm。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

（3）表面粗糙度 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，理论上表面残留较球头刀而言要小很多。表面残留高度h的计算公式为

其中l为层进，分别采用D6球头刀、D20球头刀和R200分段轮廓铣刀加工时，为了达到0.002mm以下层高，理论层进分别为0.2mm、0.4mm和1.78mm。

（4）五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D10R50RT2对标准“S”件（见图6）进行侧边五轴联动加工编程。

图6 “S”件侧壁面

分析程序过程中，普通立铣刀及分段圆弧刀加工的“S”面分别如图7、图8所示。

可以看出，采用立铣刀进行侧壁加工时，在“S”面中段，机床的C转轴和A/B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。

图7 普通立铣刀加工“S”面

图8 分段圆弧刀加工“S”面

2. 分段圆弧铣刀编程

（1）刀具创建 软件需要支持刀具的真实轮廓造型才能进行分段轮廓圆弧铣刀编程，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

（2）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。三轴加工、定角度加工及刀轴驱动式五轴联动加工都属于被动式侧倾角驱动。

TEBIS支持两种主动式侧倾角驱动策略（渐增式和可变式），如图10、图11所示，可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要求。

图10 渐增式侧倾角驱动

图11 可变式侧倾角驱动

3. 螺旋样件加工验证

螺旋样件表面为扭转直纹面，这是典型的航空结构件的特点。使用分段轮廓刀具，五轴联动策略加工零件表面，层进0.4mm，加工结果显示，零件表面粗糙度值Ra达到0.8μm以下，螺旋样件数模与加工实物如图12所示。

图12 螺旋样件数模与加工实物

4. 结语

相较于传统侧壁加工采用的立铣刀、球头刀和锥度铣刀，分段圆弧铣刀配合五轴联动策略侧壁加工方法有其特点和优势。

相对于立铣刀，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形鼓形面进行加工，而立铣刀仅能加工凸形鼓形面。

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及更高的表面品质。侧刃加工方式可以有效地减少薄壁零件的让刀回弹，减少零件变形。