內球面與向心柱面相貫圓角的數控加工研究

周鐵玲，馮帥男

1.天津重型裝備工程研究有限公司冷工藝研究部助理工程師，天津 300457

2.天津重型裝備工程研究有限公司冷工藝研究部高級工程師，天津 300457

在機械加工領域，為了避免應力集中，經常需要在各種曲面的相貫線處進行倒圓角處理，各種相貫線倒圓角后形成的空間曲面的加工需要在數控機床上完成。

如沿內球面與向心柱面相貫線倒圓形成的過渡圓角，單從幾何特征看，該過渡圓角曲面是一段圓弧截面輪廓繞中心軸線回轉形成的回轉體（見圖1），幾何形狀規則，可以采用車削、鏜削和銑削等方式進行加工。但零件內部的過渡圓角在實際加工中會受到各種加工條件的限制，如零件外部輪廓形狀不規則，在車床上無法裝夾，而要采用鏜削的加工方式，則需要機床配置數控偏心盤，加工成本高，且加工效率也比較低。本文作者分析并研究出針對該類過渡圓角的數控銑削加工方法，利用三面刃銑刀進行曲面輪廓分層擬合加工的軌跡規劃。

1 刀具選擇

刀具的選擇是數控加工工藝中的重要內容，它不僅影響數控機床的加工效率，而且直接影響加工質量。刀具選擇總的原則是：要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸相適應，且安裝調整方便，剛性好，耐用度和精度高。

圖1 內球面與向心柱面相貫圓角圖示

1.1 刀具類型確定

由于圓角處于內球面，受內球面大小和開口形狀的限制，刀具從球面內側進入時主軸伸出很長，這樣必然會降低主軸系統剛度，影響加工效果。如果將圓柱孔口正對主軸，刀具從圓柱孔口側進入，刀具雖不用伸出太長，但是需要采用具有后刀面切削功能的刀具。因此，考慮選用三面刃銑刀盤進行加工。

1.2 兩種刀具加工效果比較

常用的三面刃銑刀有方刀片三面刃銑刀和圓弧刀片三面刃銑刀兩種。分別用這兩種三面刃銑刀切削此圓角，當采用相同厚度的刀盤，以相同的增量步距銑削時，使用圓弧刀片與加工表面接觸率大，殘留較少，包絡出的零件表面粗糙度較好。因此，當加工表面質量要求高時，可選用圓弧刀片三面刃銑刀（見圖2）。

圖2 兩種三面刃銑刀銑削效果比較

1.3 最小刀具直徑

為避免因刀具直徑過小導致機床主軸與零件內孔發生碰撞，需要確定出銑刀盤的最小直徑（見圖 3）。

圖3 刀盤最小直徑

式中，d—刀桿直徑 （mm）；r—圓弧刀片半徑（mm）；R—待加工圓角半徑（mm）；B—向心柱面孔徑 （mm）；SR—內球面半徑（mm）。

2 程序編制要點

2.1 零點設定

針對本文零件結構特征，設定編程坐標系G54，G54X0Y0Z0設在球面中心，Z軸與向心柱面軸線重合（見圖4）。

2.2 軌跡規劃

（1）輪廓與刀具半徑補償

圖4 編程坐標系G54

采用方刀片三面刃加工圓弧輪廓時，刀具與輪廓的接觸點始終在后刀面與側面相交的外圓上，刀具中心點始終偏離接觸點D/2。因此刀具中心點的軌跡是零件輪廓沿半徑方向偏移D/2形成的，可以采用零件輪廓編程，刀具半徑補償值為刀具半徑；

而采用圓弧刀片三面刃加工圓弧輪廓時，由于刀具與零件輪廓的接觸點隨加工位置不同而不斷變化，若采用零件輪廓編程，無法給出刀具半徑補償值，但由于刀具中心點距圓弧刀片中心點的距離是固定的，所以可以采用圓弧刀片中心點軌跡編程，刀具半徑值為刀具半徑與圓弧刀片半徑的差值D/2-r（見圖5）。

圖5 兩種三面刃銑刀半徑補償

（2）軌跡方向確定

當采用順時針方向（G02）走刀時，切屑從薄到厚，刀齒從已加工表面劃過，會使已加工表面產生硬化，刀具磨損快，且已加工表面質量差。相反，當采用逆時針方向（G03）走刀時，切屑從厚到薄，開始時刀齒立刻切入工件，由于不產生滑動，不會產生硬化現象，刀具壽命長，已加工表面質量較好。因此，刀具軌跡方向宜采用逆時針方向（見圖 6）。

（3）進退刀方式

為保證輪廓加工質量，采用圓弧切入的方式，既可避免進刀處的停頓，又不容易產生刀痕。

每層進退刀圓弧半徑一定要小于待加工圓孔半徑，為方便編程，可以將進退刀圓弧圓心點設置在相對待切削圓孔圓心點偏移尺寸y的位置處。若同時使用刀具補償則要注意進退刀圓弧半徑一定要大于刀具半徑值，否則機床容易出現報警（見圖7）。

圖6 不同走刀方向下的切削

圖7 圓弧進退刀刀軌

（4）變量方式及步長選擇

采用刀具沿軸向分層加工擬合軸向圓角輪廓時，每層切削深度的劃分有兩種方式，即角度變量方式和高度變量方式[1]。對本文零件采用角度變量方式加工出的零件表面質量均勻，粗糙度較好（見圖 8）。

在設定角度增量步距Δθ時，除考慮加工表面質量外，還應該考慮是否能被過渡圓弧夾角θ整除，否則以增量步距Δθ進行增量循環運算時，容易在終止點處引起過切。

圖8 兩種變量方式下加工效果比較

3 刀位點和對刀點設置

刀位點是刀具上的一個基準點，刀位點相對加工曲面運動的軌跡是程序編制的依據。對于用后刀面加工的圓弧三面刃銑刀，編程控制點在圓弧三面刃銑刀中心。因此刀位點（即刀具零點）X0,Y0應設在刀具圓弧中心，Z0設在刀具厚度的中心。

為了提高零件的加工精度，對刀點應盡量選在零件的設計基準或工藝基準上。而對于該類孔型零件，以孔的中心和端面作為對刀點較為適宜。粗加工時一般可以采用試切法對刀，精加工可以使用量塊、塞尺、千分表等工具輔助對刀。

4 結語

具有此類特征的零件在機械加工中會經常碰到，采用本文方法步驟加工效率高、質量好，值得推廣。

[1]張明光.倒圓角加工的數控程序編制及刀具的選用.金屬加工，2009，1：69-70.