型腔轉角數控加工刀具軌跡優化的應用研究

蒲昌蘭　唐　林

(中航工業成都飛機工業(集團)有限責任公司結構件廠，四川 成都 610092)

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型腔轉角數控加工刀具軌跡優化的應用研究

蒲昌蘭唐林

(中航工業成都飛機工業(集團)有限責任公司結構件廠，四川 成都 610092)

在數控加工過程中，型腔轉角處常常出現振紋、拉刀痕跡等表面缺陷，為了避免這種情況，從工程實際出發，分別細化徑向切深和軸向切深兩個參數來優化刀具軌跡，減小加工時接觸面積的突變，從而減小切削力的突變。經過試驗加工驗證，提高了表面質量。

內轉角；振紋；接觸面積；刀具軌跡

型腔轉角用于表達型腔內相鄰表面之間的過渡區域，其轉角的形式與相鄰表面密切相關，以相鄰表面之間的夾角進行區分，有銳角、直角、鈍角三種過渡形式。在航空結構零件中，型腔轉角特征數量較多，加工過程中參數設置不合理，會出現轉角凹刀或者轉角顫振等現象。影響工件的表面粗糙度，嚴重的還會出現刀具崩齒、斷裂等現象[1]，嚴重影響工件質量。后續需要增加鉗工或普通銑工補充加工，一方面鉗工加工效率低，工作強度大，對工人的技術水平要求高，另一方面打磨會產生較多粉塵，影響工人的身體健康，所以型腔轉角的加工是航空型腔工件的重點研究對象。

轉角加工質量已經影響了實際工件的表面質量，實際生產中的問題較為突出，迫切需要改善。目前有很多高校對轉角加工的問題進行了系統理論分析，多數研究及應用是在實驗室進行，沒有完全在工程實際中廣泛的驗證應用。本文主要以優化刀具軌跡為出發點，對粗加工后型腔內轉角的殘留區域精加工刀具軌跡進行細化，開展工藝試驗驗證并實際加工應用，達到提高轉角表面質量的目的。

1　型腔轉角加工分析

1.1內轉角加工現狀

現有的航空工件，型腔深淺不一，但其內轉角基本都是R6 mm或者R6.5 mm, 精加工中若要選擇小于φ12 mm的刀具才能使得刀具在轉角處圓弧過渡，一方面，受到刀具剛性的影響，切削速度較低，當轉角較多時，效率低，另一方面，對于較深的型腔，在轉角處使用的刀具長徑比大，刀具的剛性更差，容易折斷。所以，為了保證有足夠的加工強度，并滿足轉角尺寸要求，一般選擇φ12 mm的刀具加工，刀具在轉角處走接近直角的軌跡，如圖1所示。加工完后轉角出現圖2所示的振紋，表面質量差，需鉗工打磨。

1.2內轉角加工問題原因分析

數控銑削加工時，當刀具切入工件轉角，由直線走刀過渡到圓弧走刀，刀具實際切深切寬增大，切削包角φ突然增大，使得刀具的接觸面積突然增大，當切出轉角時切深切寬減小，切削包角φ突然減小，接觸面積突然減小，轉角切削過程中接觸面積和切削厚度的突變，引起切削力的突變，相關文獻也對切削力的突變進行了詳細分析[2]。切削力的突變不僅造成了刀具和工件的加工變形增大，形成欠切；嚴重的時候還會形成啃刀,由于切削力的劇增而將刀具拉進一段距離，造成圓角處的過切現象；伴隨著啃刀現象的發生，還會在圓角處產生切削振動，留下明顯的振紋[3]。

切削力的大小主要由刀具與工件的接觸面積即切削面積確定[4]，所以可以利用加工過程中接觸面積的變化來反映切削力的變化情況。本文使用Vericut仿真軟件對內轉角加工進行仿真，對轉角的加工過程中接觸面積的變化情況進行監測并通過圖表反映。以φ12 mm底角R3 mm的刀具,每層加工3 mm,分10層加工轉角R6.5 mm為例，利用Vericut監測的轉角處加工的接觸面積變化如圖3所示，轉角處最大的接觸面積達到了44.55 mm2，圓弧處最小的接觸面積只有4.9 mm2，切削過程中接觸面積出現明顯突變。

1.3內轉角加工的解決方法

對于內轉角的加工傳統的解決方法有兩種：一種是降低轉角的切削速度，慢速切削，能得到比較滿意的效果，但是加工時間增加；另一種是采用靠刀法加工，以在工件中常見的型腔轉角R6 mm為例，型腔側壁先用φ20 mm的刀具精加工到位，轉角區域的殘留用φ16 mm的刀具半精加工一次，最后用φ12 mm的刀具把圓角加工到最終的尺寸，轉角越小，換刀的次數也越多。靠刀法的優點在于先通過剛性較好的大直徑刀具去除了大部分金屬材料，留給剛性較弱刀具加工的部分僅是轉角處較小的一部分，避免了直接采用細長刀具在大切削用量情況下的加工變形和切削振動現象[5]，但是頻繁換刀和對刀會造成加工周期延長等問題，更重要的是該方法并沒有徹底解決啃刀和振紋等加工問題。

2　型腔轉角加工刀具軌跡優化

2.1內轉角加工時切寬切深的關聯

根據航空結構零件的特點，刀具的底角圓弧R一般為3 mm，精加工余量δ為1～2 mm，且不大于底角圓弧R。當加工內轉角時，由于實際徑向切寬變化不均勻，忽大忽小，其軸向切深也隨之變化，與理論設定值存在差別，而在轉角對角線處切寬切深均達到最大值。所以在工程實際加工中，使用帶底角圓弧R的刀具加工轉角時，不僅切寬在變化，其切深也在做相應變化，加劇了轉角處切削時接觸面積的變化程度。

要解決內轉角的加工問題，優化刀具軌跡是最直接簡單有效的方法，優化刀具軌跡的實質就是在內轉角加工過程中減小切削包角的突變，或者減小接觸面積。要減小切削包角的突變就必須采用小于轉角直徑的刀具加工，而對于航空結構類零件，轉角一般為R6～R6.5 mm，這意味著必須采用不大于φ10 mm的刀具，其刀具的剛性及加工效率不能滿足要求。所以，在工程實際運用中，優化刀具軌跡時采用減小接觸面積，即減小徑向切深或軸向切深的方法更具有操作性及實用性。

2.2基于徑向切深的刀具軌跡優化

為了減小刀具在內轉角處的切削面積，可減小單次加工的徑向切深ae，達到優化徑向刀具軌跡的目的。以航空工件中經常出現的R6.5 mm轉角，采用φ20 mm刀粗加工后用φ12 mm的刀具精加工轉角殘余為例進行分析，影響轉角最終表面質量的是最后的精加工余量，所以轉角加工按多次半精加工再進行精加工的方式進行。

對于圖5a所示的直角轉角結構，根據實際加工經驗，在軸向切深為3～4 mm的條件下，轉角處徑向的精加工余量可留0.5 mm,再進行一次半精加工即可，也就是說，該類型的轉角在徑向切深分兩層就可以滿足要求，其走刀軌跡如圖5a所示。

對于圖5b所示的銳角轉角結構，刀具在轉角處的轉向空間狹窄，且轉角的余量大，銳角角度越小余量越大，所以徑向切深的半精加工優化次數可按如下公式計算：

n=(aemax-0.3)/ae實際

式中的0.3 mm為精加工余量，實際徑向切深ae實際取經驗值一般為0.8～1.1 mm 。

2.3基于軸向切深的刀具軌跡優化

要減小刀具的切削面積，還可以改變每次切削的軸向切深ap值，而且減小單次加工的軸向切深在實際的加工應用中程序編制更加簡單易行。

對于轉角弧面軸線垂直于工作臺面的轉角，優化軸向切深只需在程編軟件中改變ap的值即可。對于R6.5 mm的轉角，根據多次試驗加工結果，一般選擇ap值為1 mm既可保證表面質量，又不會降低效率。

對于轉角弧面軸線不垂直于工作臺面形成開角的轉角，軸向優化次數或切深的選擇要求兩相鄰刀軌不出現明顯刀痕為宜。這時對轉角部分軸向切深的優化，需根據相鄰刀軌形成的殘余高度來計算每次的軸向切深。轉角軸線與工作臺面的夾角近似等于相鄰斜面的夾角，利用加工斜面的殘余高度來近似計算轉角處的殘余高度值，如圖6所示。α為斜面夾角，r為刀具底角圓弧半徑，ap為軸向深度，h為加工表面殘余高度。

按圖示，殘余高h度計算為

實際加工中，先給定一個可以接受的目標殘余高度值要求，再求得合適的軸向切削深度值，計算如下：

通過計算得出的切深ap值更加準確，在給定的殘余高度條件下，隨著轉角軸線與工作臺的夾角α大小的不同，程序中給定的軸向深度值也應不同，夾角越大，切削所需的軸向深度越來越小，行切軌跡更多。

3　工藝試驗加工驗證

根據上面的刀具軌跡優化策略，開展了工藝試驗，設計了一個接近實際加工狀態的工件轉角結構，材料為7050-T7451。首先利用UG程編軟件編制轉角加工程序，分別對直角轉角編制了徑向切深和軸向切深優化兩種情形的加工軌跡，均采用φ12 mm，底角圓弧R3 mm的整體硬質合金刀具。第一種是，軸向切深ap=3 mm保持恒定，徑向分兩層，精加工余量0.5 mm。第二種是，徑向切深ae不分層，軸向切深減小，ap=1 mm。其程序編制軌跡如圖7所示。

利用Vericut仿真軟件對優化后的軌跡進行切削仿真，記錄加工過程中接觸面積的變化情況并用圖形顯示出來。對應第一種優化徑向切深方法的接觸面積變化情況如圖8a所示，對應第二種優化軸向切深的接觸面積變化情況如圖8b所示，可以看出這兩種刀具軌跡優化后加工時的接觸面積幾乎減小至一半。

最后，對試驗件進行現場試驗加工，轉角處的表面質量大為改善，轉角表面沒有振紋和啃刀痕跡，實物照片如圖9所示。

4　結語

對轉角處的刀具軌跡分別采用徑向分層和軸向分層進行優化后，其單次切削時的接觸面積減少，產生的切削力相應減小，在實際加工中有效解決了轉角振紋、啃刀等問題，提高了工件數控加工表面質量。在實際的加工應用中，由于過渡轉角的形式不完全相同，并且受到工件自身剛性的影響，刀具軌跡優化的策略需綜合考慮。過渡轉角的刀具軌跡可能只優化徑向切深或軸向切深中的一個，或者兩個同時優化，必須根據實際情況進行合理的選擇。目前，此方法已經應用于航空結構類零件的轉角加工，有效改善了零件轉角表面質量，減少了后續鉗工打磨工作，提高了整體生產效率。

[1]李華睿.零件轉角加工方式的研究及優化[J].裝備制造技術，2014(1)：45-48.

[2]呂苗苗，陶華，李海濱，等.難加工材料型腔圓角數控銑削的切削力預測[J].機械強度，2009,31(3):503-507.

[3]趙威，何寧，李亮，等，航空薄壁件圓角的銑削加工試驗研究[J].工具技術, 2005(39):16-19.

[4]孫程成，王亮，侯吉明，等 鈦合金薄壁件圓角數控銑削質量控制[J].航空制造技術, 2010(15):74-76.

[5]劉適，崔雅文，彭雨.航空結構件轉角特征數控銑削程編工藝方法研究[J].制造技術與機床，2013(11):95-99.

(編輯孫德茂)

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Study on pocket corner tool path optimization in NC processing

PU Changlan, TANG Lin

(AVIC Chengdu Aircraft Industrial(Group) Co., Ltd., Chengdu 610092, CHN)

In the process of NC machining, vibration, broach traces such as surface defects often occur in the corner, in order to avoid this phenomenon, tool path is optimized by limiting radial depth and axial depth，reduce the contact area of the machining process, thereby reduce the cutting force. After the final test and verification, improve the processing quality of the corner.

concave corner; vibratory lines; contact area; tool path

TG506

B

蒲昌蘭，女，1979年生，碩士研究生，工程師，數控加工主管工藝師，主要從事數控加工工藝、工裝技術研究工作。

2015-05-19)

160128