摆线铣在大型整体框环加工中的应用

姚亚超，李洋，王元军，冀亚东，段贵超，张金玉

（天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462）

1 摆线铣简介

1.1 摆线铣加工特点

摆线是圆弧线的一种，它以固定的圆弧半径连续地作圆周运动，而圆心沿着固定的运行轨迹以预定的速度v移动。两次沿回转中心之间的移动距离c被称为步距如图1所示。

图1 摆线示意图

摆线铣削是一种互补的加工策略，它有利于沿着一个预定的路径作重复的圆周运动[1-2]。避免刀具的满刃切削，每一圈仅切除一部分材料。摆线铣削实施时采用更高的切削速度。通常步距为刀具直径的5%～15%之间。由于啮合量的减少，刀具的弯曲变形最小化，用铣刀的整个刃长进行切削也因此变得可行。此外，切屑很薄且易于从工件排出。

摆线铣削主要有2种模式，向内摆线和向外摆线，其中向外摆线是铣切加工首选模式，它是将圆形回环和均匀移动有效地组合在一起[3-4]。

下面的示例说明了向外摆线切削的方式。将这种加工切削模式与常规加工切削方式进行比较，有别于传统切削加工方式中刀具沿直线刀轨移动，其刀具各个侧面都被材料包围。摆线切削的切削加工方向设置模式为向外，适合高速切削粗加工。这种切削加工模式包括摆线铣削、拐角倒圆和其他拐角区域处理，以确保达到指定的步距。它是跟随部件周边和向外摆线切削模式的组合，可用于型腔铣和面铣削操作，其与传统切削方式区别如图2所示。

图2 传统切削方式与摆线铣削方式对比

与传统加工不同，摆线铣加工过程中刀具-工件包角一直处于较小的状态，刀具在公转一周的过程中处于切削状态的时间较少，从而非常有利于切屑的排出与刀具的散热。

1.2 摆线铣加工应用

摆线铣削主要目的是在充分满足径向切深的情况下避免槽铣等全浸入式铣削[5]。这对于减少刀具的磨损、延长刀具的使用寿命非常有利。它不仅具有刀具短接触加工的优势，还具有切屑薄、切削力小、整切削刃加工、刀具寿命长等优点。故此特别适用于以下加工场景：1）适合狭窄、轴向切削深度较大区域铣削；2）适用于薄壁零件的高效铣削；3）适合难加工材料切削，如高温合金、钛合金、耐热不锈钢；4）适应余量变化的区域铣削。

2 摆线铣在转接框加工中的工艺方案

2.1 产品加工情况介绍

转接框框环为某运载火箭中的重要结构件，连接有效载荷支架、仪器舱及纵向分离装置3部分，起到重要的连接作用，其功能决定了框环型腔内部结构复杂，零件尺寸及形位公差精度要求较高，零件变形及尺寸精度影响火箭部段的装配。

为满足强度及减重要求，该零件选用整体锻环机加而成，其内外侧设有数十个减重网格，较框环大直径而言，其壁厚较薄，最薄处仅为10 mm，具体结构如图3所示。

图3 转接框框环结构图

该“Z”字形框环下陷网格深度60 mm，径向尺寸为55 mm，材料去除量大，加之壁厚较薄，采用传统铣削方式，因加工过程中产生的切削力大，极易使零件尤其是下陷拐角处产生应力集中，致使框环变形，造成的后果是加工后各处筋条出现不规律的减薄或加厚超差，以往为了尽量降低超差情况的发生，不得不采用高度+径向分层铣削的方式加工，使得加工效率较低。

2.2 摆线铣在转接框加工中的工艺安排

相较于传统铣削工艺的“高度+径向余量分层”铣削方案存在分层较多的情况，摆线铣削方法借助其本身“效率高、变形小”的优势，可采用“大轴向吃刀+小侧壁预留余量”的方案，加工模拟中，其在变形控制及效率方面均有较优表现。因内外网格结构及加工流程相似，故仅以外网格加工为例进行方案介绍，2种方案具体加工流程如图4所示。

图4 外网格摆线铣削流程

由上述流程图可见，采用摆线铣削该框环型腔下陷，可以采用更简洁的分层方案，在所用加工设备相同的情况下，该零件采用摆线铣只需分2层铣削，而传统的铣削方式需至少10刀，且需分层去余量。

2.3 摆线铣加工的编程方法及参数设置

2.3.1 摆线铣编程方法

目前可以实施摆线铣削数控加工的软件有CAXA制造工程师、UG、Mastercam、Cimatron、Powermill等，本文以CAXA制造工程师为例，介绍摆线铣削在转接框产品中的编程方法。

摆线铣加工方式可分为2种形式，单向和往复，单向摆线只做顺铣加工，往复摆线铣削为顺逆铣复合加工，效率比单向高，但要根据工件的材质和刀具的影响情况进行选择。由于摆线加工主要用于工件的粗加工，大切深小排刀，对产品的应力释放影响小，提高效率，本文主要是对顺逆铣式的往复摆线进行走刀切削，提高切削加工效率。以下简单介绍编程主要流程。

2.3.1.1 建模

根据图样要求，使用CAXC制造工程师CAM软件进行常规建模、草图、拉伸、旋转、切割等，得到的模型如图5所示。

图5 转接框模型

2.3.1.2 设置毛坯

根据零件形状尺寸建立毛坯，由于刀具轨迹是按照毛坯的大小进行计算，故毛坯必须要包罗产品，选择毛坯类型，定义高度、半径、毛坯精度等参数，软件具体定义界面如图6所示。

图6 毛坯设置

2.3.1.3 设置加工参数

参数设置主要包括加工方式、加工方向、优先策略、层高等，如图7所示。

图7 加工参数设置

1）加工方式。加工方式可分为单向和往复2种形式，本文主要是对顺逆铣式的摆线进行走刀切削。

2）加工方向。加工方向的顺铣受加工方式单向的限制，如果往复方式，加工设置方向不受限制。

3）优先策略。优先策略分为区域优先和层优先，区域优先是首先加工单个区域，然后再加工其他区域；层优先是在分层加工的基础上，在每层刀路加工完后再加工下一层。

4）行距和残留高度设置。设置最大行距和期望行距，就是刀具的步距压刀量，本产品设置刀具步距为2 mm。

5）层高。每层根据刀具的刃长设置每层切削深度，根据产品结构及所选用刀具的参数，本产品层高设置为30 mm。

6）加工余量。根据工件的大小或者查表设置余量，本产品设置加工余量为1 mm。

7）区域参数。设置加工边界和高度范围，加工边界是设置刀具刀心点的轨迹位置，高度范围是设置需要加工到的深度，而有区别于产品的模型最终深度，如图8所示。

图8 区域参数设置

8）切削用量及刀具参数。根据产品的材料性能及结构，本产品采用直径为16 mm、刃长为65 mm的硬质合金刀具，转速6000 r/min，切削速度为2000 mm/min，如图9所示。

图9 切削用量及刀具参数设置

2.3.1.4 刀路生成

经过上述系列操作，计算出摆线铣削刀具轨迹，摆线铣可使产品拐角处的应力集中大大缓解，有效地控制产品变形，切削刀路如图10所示。

图10 切削刀路

3 摆线铣在转接框加工中效果

3.1 切削质量提升

从以往的加工经验来看，使用传统的加工方法，极易出现筋宽减薄或增厚等不规律超差问题，包括采用摆线铣后零件的具体超差情况统计见表1。

表1 转接框框环筋宽超差统计表

由表1可见，采用传统加工方式不可避免会出现筋宽超差情况，加工质量难以保证，换用摆线铣加工方式后，筋宽超差现象不再出现，可知摆线铣在该薄壁框环加工中对于其变形控制收到了较好的效果，保证了切削质量，优势明显。

3.2 切削效率提高

困扰该框环零件加工的难点除了质量外还在于加工效率低下，采用摆线铣后其效率得到有效提升，以单个下陷网格加工效率为例，进行改进前后的对比，具体数据如表2所示。

表2 转接框框环筋加工效率统计表

对比表2所列加工时长，可知采用摆线铣后，单个下陷网格加工时长降低34%以上。可见对于此类具有较大材料去除量的零件加工，采用摆线铣削进行粗加工可以大大提高铣削效率。

4 结论

本文对摆线铣的原理、特点及其适用范围进行了简要介绍，对其在大型薄壁框环的粗加工中的应用进行了试验研究，不仅将超差率降低为零，大大提高了加工质量，而且将加工效率提高了34%以上。为大型框环类零件的变形控制及高质、高效切削加工提供了一种有效的解决方法。