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作者：柳綠洲（特必思軟件貿易 （上海） 有限公司）
文章已刊載在《模具制造》2020.6月刊，版權歸作者所有，轉載請注明出處，謝謝！
【摘要】分段圓弧輪廓銑刀結合新的5軸聯動策略， 可針對航空結構件， 特別是側壁加工提高編程靈活性、 提升效率和表面質量。首先分析了分段圓弧刀具的幾何特點， 其次結合了TEBIS軟件介紹了該類刀具的5軸聯動編程策略， 最后通過刀路仿真以及螺旋造型樣件的實際加工論證了該刀具和方法的有效性。
關鍵詞：分段圓弧輪廓銑刀；5軸聯動；側壁加工；TEBIS平臺
1 引言
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5軸聯動策略 [1] 。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， 通過減少步進距離以及密集的點分布策略來降低弦偏差， 以達到高質量的加工表面。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 [2] ，與球面行切的方式相比， 側刃擬合加工精度要求更偏重于刀軸矢量插補的形式和密度， 而非刀位點分布。這樣的加工方式對機床5軸聯動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欠切現象。
因此為了更好加工擁有此類結構特點的零件，zimmermann公司專門推出了一款6軸設備， 以同時滿足矢量插補準確和行程范圍足夠的要求。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 [3] ， 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 [4] ， 以圓錐側刃替代圓柱側刃 （有效運算接觸都是一條直線） ， 通過圓錐段的角度：①實現了刀柄處的避讓；②可以選擇直徑更大刀柄來增強刀具剛性， ③圓錐前端的球頭可以加工出較小的底角或轉角。這種刀具造型的應用， 實現了短刀加工深腔、 一刀多用同時實現側壁加工和清根、 以及用側刃擬合加工底面， 為5軸聯動加工的多樣化提供了便利。
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 （見圖1、 圖2） ， 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， 為側壁形面加工開啟了新思路。
圖1 分段圓弧輪廓銑刀 圖2 HITACHI刀具GS4TN系列
2 分段圓弧銑刀加工原理
2.1 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。
可以很方便計算出， 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 （1） ：
δ = asin （r/2Rsinθ） （1）
以r=10， θ=15， R=200代入， 計算可得δ=5.543°， 當刀尖帶有球頭時， 上側偏移傾角δ U =δ下側記為δ D ， 如圖4所示。
圖3 簡化的刀具輪廓 圖4 帶刀尖球頭時的刀具輪廓
令輪廓圓弧圓心坐標為 （X 0 ， Y 0 ） 刀尖球頭圓心為（X T ， Y T ） ， 兩者切點坐標為 （X K ， Y K ） ， 刀尖球頭半徑為R T ， 各項參數滿足方程組 （2） ：
（2）
令R T =3， 通過作圖計算出δ D =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。
2.2 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。
以90°轉角為例， 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， 如圖5所示。可以推導， 要避免碰撞， 轉角半徑R C 需要滿足不等式 （3） ：
（3）
已知r=10mm， 作圖計算出H=11.763mm， 代入計算得mm。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
2.3 表面光潔度
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， 理論表面殘留較球頭刀而言要小很多 [5] 。根據計算公式 （4） ， 可計算表面殘留高度h：
（4）
其中為層進， 分別采用D6mm球頭刀、 D20mm球頭刀和R200mm分段輪廓銑刀加工時， 為了達到0.002mm以下殘高， 理論層進分別為0.2mm、 0.4mm和1.78mm。
2.4 5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D10R50R T 2對標準S件 （見圖6） 進行側邊5軸聯動加工編程。
圖6 S件側壁面
分析程序過程中， 機床轉軸C、 擺軸A/B隨時間運動得到圖7、 圖8。
圖7 普通立銑刀加工S面 圖8 分段圓弧刀加工S面
可以看到， 采用立銑刀進行側壁加工時， 在S面中段， 機床的轉軸和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。
3 分段圓弧銑刀編程
3.1 刀具創建
真實輪廓刀具的支持是采用該類刀具進行編程的前提， 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刀具真實輪廓和造型
3.2 側傾角驅動
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。3軸加工、 定角度加工以及刀軸驅動式5軸聯動加工都屬于被動式側傾角驅動， 如圖10、 圖11所示。
TEBIS支持主動式側傾角驅動， 可以選擇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的要求。
圖10 漸增式側傾角驅動 圖11 可變式側傾角驅動
4 螺旋樣件加工驗證
螺旋樣件表面為扭轉直紋面， 有著非常典型的航空結構件特點和代表性。使用分段輪廓刀具、 5軸聯動策略加工零件表面， 層進0.4mm， 加工結果， 零件表面粗糙度值Ra0.8μm， 如圖12所示。
圖12 螺旋樣件數模與加工實物
5 總結
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5軸聯動策略側壁加工方法有其特點和優勢。
相對于立銑刀、 錐度銑刀側壁加工， 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型鼓形面進行加工， 而立銑刀僅能加工凸性鼓形面。
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， 更高的表面加工品質。側刃加工的方式可以有效減少薄壁零件的讓刀回彈， 減少零件變形， 針對航空結構件加工要求有更大的優勢。
