高速銑外形閉角殘留的去除方法研究

王樂宇

（中航工業沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽110850）

隨著高速銑削技術的不斷發展，人們對高速銑削在產品加工中的應用，也提出了更高的要求，如何摒棄傳統的常規銑削加工，實現產品加工的全數字化，成為了現代技術工作者追求和探索的目標。在這個探索的過程中，結構件外形閉角殘留物的去除，成為了一個共性的問題得以凸顯。由于高速銑削比較普通數控銑在成型刀具的使用上受到局限，因而將為了在高速銑削加工中，去除外形閉角殘留所專門設計出的工藝方案，作為方法提煉出來，具有普遍的推廣意義。

1 外形閉角殘留的定義及形成原因

1.1 外形閉角的定義

習慣上，在板材單面加工中，當零件外形與工作臺間形成的夾角小于90°時，把這個夾角稱為外形閉角。外形閉角可分為變化外形閉角和恒定外形閉角。

1.2 外形閉角殘留的定義

在板材單面加工中，因零件存在外形閉角而發生刀具與工作臺干涉現象，進而無法切削的那一部分毛料，稱之為外形閉角殘留。

1.3 外形閉角殘留的形成原因

通過對外形閉角殘留的定義不難發現，外形閉角殘留是因為零件單面加工時，存在閉角外形結構，導致通用圓柱形銑刀為避免與工作臺發生干涉，而無法對一部分毛料進行切削形成的。在定義了刀具直徑d，外形閉角角度α后，可以得到閉角殘留高度h的計算公式

從公式中可以看出，外形閉角殘留高度，取決于切削刀具直徑和外形閉角角度的大小。當切削刀具直徑和外形閉角的角度已知時，可以通過計算得出外形閉角殘留的實際高度。變化外形閉角的閉角殘留高度，隨外形閉角的角度變化而變化，恒定外形閉角的閉角殘留高度恒定。去除外形閉角殘留的方法是在獲得了外形閉角殘留高度的基礎上提出的。圖1為外形閉角殘留示意圖。

圖1 外形閉角殘留示意圖

2 外形閉角殘留的去除方法

2.1 夾具法

根據對外形閉角殘留的形成原因所做的分析，可以發現，只要消除了刀具與工作臺之間的干涉，就可以將殘留去除，刀具與平臺的干涉高度值h′=h。由于板材單面加工，都是以工作臺定位，要想升高零件的加工位置，切削時給刀具與工作臺間留出足夠的空間，就需要增制一套銑切夾具。在工作臺上完成全部加工后，再在夾具上去除外形閉角殘留。夾具法的應用涉及工藝流程更改、數控程序編制和夾具設計共3個方面。

（1）工藝流程的更改。保持原數控工序內容不變，僅在原數控工序后，增加銑外形閉角殘留工序。

（2）數控程序的編制。與編制精銑外形程序相仿，區別僅在于加工底面偏值中設置負值，其偏值大小，應略大于閉角殘留高度。

（3）夾具的設計。夾具的設計是實現夾具法的關鍵，首先需要考慮零件的定位方式，根據零件以工作臺定位加工后的狀態選取定位基準，實現合理定位；其次需要考慮夾具高度，夾具高度是消除干涉的關鍵因素，夾具高度值應大于刀具與工作臺干涉高度值h′；最后需要考慮夾具外部輪廓，避免刀具與夾具干涉。

以某機前座艙側地板為例，零件單面加工，一側外形為變化外形閉角，腹板上有2-Φ18H9 工藝孔，根據在數字模型上量取的外形閉角的角度及所選刀具的直徑計算得到最大閉角殘余高度值約為12 mm。因此產生的銑切夾具設計思路，是以零件底平面和2-Φ18H9 工藝孔定位，夾具高度選定為14 mm，夾具外廓按零件外形最小輪廓投影制造，此工裝即可滿足去除外形閉角殘留要求，圖2為夾具法示意圖。

圖2 夾具法示意圖

夾具法適用于外形閉角的角度變化且易于定位裝夾的零件，從外形閉角殘留高度的計算公式可以看出，當外形閉角的角度發生變化時，外形閉角殘留高度也隨之變化，使用按照外形閉角殘留高度最大值設計出的夾具，可以保證在數控加工中完全去除外形閉角殘留，零件易于定位裝夾，可以很容易地設計并制造夾具。

夾具法的優點，在于對工藝方案的改動量小，保留了原有工藝流程的全部內容及順序，編程工作量小，編程難度低，易于推廣和實施；缺點在于增加了夾具設計、制造的工作量和零件生產成本。

2.2 預銑法

除了利用夾具直接消除刀具與工作臺之間干涉外，還可以通過預銑法去除外形閉角殘留。在零件開始正面加工之前，改變加工工位，對將會產生外形閉角殘留的部位進行預先去除。因為是在零件開始正面加工之前進行的，所以將這種方法稱為預銑法。預銑法的應用涉及工藝流程更改和數控程序編制這2個方面。

（1）工藝流程的更改。在原數控工序前，增加預銑外形閉角殘留工序，保持原數控工序內容不變，在原數控工序后，增加鉗工工序銼修外形殘留物。

（2）數控程序的編制。預銑法的重點，在于程序的編制，通過計算得到殘留高度值，根據高度值按垂直閉角外形在模型中建出預銑面，以預銑面為加工底面，編制預銑程序。此外，還需要對正面銑外形程序進行調整，將銑外形程序按預銑高度，分為上下兩部分進行編制。預銑高度以上的銑外形程序，按通常的環零件四周的軌跡方式；預銑高度以下的銑外形程序軌跡，則要避開預銑切部位，并在靠近預銑切部位設置進、退刀；

以某機的第1 縱墻中段為例，零件一端頭為恒定外形閉角，根據外形閉角的角度和所選取刀具的直徑，計算得到閉角殘留高度約為8.65 mm，按此高度在模型閉角外形建出預銑面和預銑高度面及檢查面。預銑程序以預銑底面為加工底面編制，銑外形程序分為兩部分，預銑高度面以上的部分，以零件四周最大輪廓投影為導動邊界，以預銑高度面為加工底面編制；預銑高度面以下的部分，以除閉角外形外的最大輪廓投影為導動邊界，以零件底面為加工底面編制，并以檢查面設置進、退刀，圖3給出了預銑和外形程序的演示效果。

圖3 預銑法編程效果圖

預銑法適用于外形閉角的角度恒定，且閉角外形封閉的零件。在編制銑外形程序時，可以確定切削高度，可以避免加工中毛料出現空隙，確保零件加工中的吸附穩固，且切斷后在零件外側形成的殘留物較小。

預銑法的優點，在于對工藝方案的改動量小，保留了原有工藝流程的全部內容及順序，編程工作量小，編程難度低，沒有增加零件生產成本，易于在同類零件中推廣和實施；缺點是在閉角外形以外的部分，會形成較小的殘留物。

2.3 連接筋法

閉角外形開敞的零件在加工正面內形時需將預銑切部位完全切開，無法保證毛料的封閉。對于這種結構的零件，可以在外形切斷前保證預銑部位的封閉，在外形切斷后將殘留物去除，通過連接筋保持零件穩固。連接筋法的應用同預銑法相同，涉及工藝流程更改和數控程序編制這3個方面。

（1）工藝流程的更改。在原數控工序前，增加預銑外形閉角殘留工序；在原數控工序末尾，增加銑殘留工步；在原數控工序后，增加鉗工工序裁切連接筋。

（2）數控程序的編制。連接筋法的程序編制與預銑法大致相同，除在閉角外形處建出輔助面外，還需在模型四周建出連接筋，連接筋個數及寬度，視零件大小而定，位置沿零件四周均部。

以某機11A 肋為例，零件單面加工，閉角外形開敞，在模型上建出預銑面、預銑高度面、檢查面和連接筋。預銑及銑外形程序與預銑法程序編制相同，編制內形程序時，以零件和檢查面選取導動邊界；編制切斷程序時，以連接筋作為檢查面；此外還需編制銑殘留程序。圖4給出了內形及切斷程序的演示效果。

圖4 連接筋法編程效果圖

連接筋法適用于外形閉角的角度恒定，且閉角外形開敞的零件。其優點在于沒有增加零件生產成本；缺點在于所留出的連接筋需要鉗工去除，產品的數字化程度較低。

3 結束語

如何在盡可能不增加制造成本的基礎上，實現產品的全數字化加工，始終是當代技術人員進行技術探索與研究的指導思想。這也從一個側面反映出了技術人員是加工流程的設計者，本文提到的幾種去除外形閉角殘留的方法，都是在零件的實際加工中得到了驗證并加以推廣。此方法的選取，應結合實際生產水平，根據具體零件的結構做出相應調整，以減少常規加工工作量，節省產品周轉時間，提高生產效率，降低生產成本。隨著對高速銑削加工工藝研究的不斷深入，只要技術工作者們打破常規思路，不因循守舊，將會有更多更好的去除外形閉角殘留的方法被探尋發現。

[1]沈興全.現代數控編程技術及應用（第3 版）[M].北京：國防工業出版社，2009.