圓弧面銑削加工工藝分析

陳誕院

（南通職業大學技師部，江蘇 南通226001）

0 引言

隨著科學技術的飛速發展，各種工業產品的開發周期、生產周期越來越短，促使產品向多品種、高質量、低成本的方向發展，具有復雜曲面的產品越來越多，并廣泛應用于模具、交通、航空航天、航海等領域。目前，在數控加工職業技能考核中也涉及到簡單曲面的加工。而簡單曲面的加工即可通過手動編程加工，也可采用數控加工軟件自動加工。

曲面加工作為機械制造的重要組成部分，在我國取得長足的進步，但與國際先進水平仍有較大差距。如高檔多軸數控機床依賴進口、數控加工軟件需進一步開發、復雜型面的檢測技術以及曲面加工的表面粗糙度尚需提高等。而影響曲面加工表面粗糙度的因素有切削用量、鱗刺、積屑瘤、刀具變形、行距以及銑削方向等。本文主要探討刀具銑削方向對曲面加工表面粗糙度的影響。

1 零件的工藝分析

如圖1所示，在長40 mm寬20 mm高15 mm的長方塊上銑削R20的凹圓弧面，圓弧面的表面粗糙度為3.2 μm。工件材料為45#鋼。

圖1 凹圓弧面零件圖

2 原有的數控加工方案及產生的質量問題

2.1 工藝方案

對該凹圓弧面的加工，原來的加工工藝如下：

（1）將長方塊用平口鉗裝夾好，用φ10的立銑刀進行粗加工。

粗加工的目的是用立銑刀按等高面一層一層地銑削，以快速切除大部分多余材料，生成零件表面的大致輪廓，粗銑后的曲面類似于山坡上的梯田（如圖2）。設置主軸轉速為2 000 r/min，進給速度為500 mm/min，等高面的高度為1.5 mm，刀具材料為硬質合金。

圖2 凹圓弧粗加工后效果圖

（2）選用φ10的球頭刀沿圓弧方向銑削精加工圓弧面。

精加工時大多采用“行切法”。所謂行切法，就是銑刀沿工件表面一行一行的加工，每加工完一行后，銑刀要沿一個坐標方向移動一個行距s，直至將整個曲面加工出來為止。常用的圓弧面加工方案是刀具的銑削方向平行于圓弧面的彎曲方向，加工中將Y向分成若干段，使球頭銑刀沿XZ面截的圓弧進行銑削（箭頭2），每一段完成后Y向進給△Y（箭頭3），再加工另一相鄰圓弧（箭頭4），再Y向進給△Y（箭頭5），循環加工直至加工結束（如圖3所示）。設定精加工主軸轉速為3 000 r/min，進給速度為1 000 mm/min，行距△Y為0.5 mm。

圖3 圓弧方向銑削圓弧面走

2.2 凹圓弧面的精加工程序

根據圖3所示的凹圓弧面精加工刀具路徑和圖4的XZ截面圓弧參數編寫凹圓弧面精加工程序如下：

O0001； （主程序名）

G54G90G40G80G49G17； （程序初始化）

S3000M03； （設定精加工主軸轉速）

G0X-12.99Y-10Z20； （快速定位）

G1G43Z2.5H01F1000； （刀具建立長度補償，下刀，如圖3箭頭1）

M98 P200002； （調用子程序O0002，調用次數20）

G0G90G49Z200； （絕對坐標，取消刀具長度補償，抬刀）

M30；

O0002； （子程序名）

G18G90G03X12.99Z2.5R25；（設定平面XZ，絕對坐標，加工圓弧，如圖3箭頭2）

G1G91Y0.5；（Y向進給行距△Y0.5 mm，如圖3箭頭3）

G90G02X-12.99R25；（絕對坐標，加工圓弧，如圖 3箭頭4）

G1G91Y0.5； （Y向進給行距△Y0.5 mm，如圖3 箭頭 5）

M99； （子程序結束，返回主程序）

圖4 XZ截面圓弧參數

2.3 存在問題

根據以上的加工程序，可以較好地加工出凹圓弧面，刀位點計算簡單，程序較少，而且較易檢測圓弧，但是直線度不能保證。Y向的銑削加工可看作球刀銑削平面，不論球刀之間的間距多小，總會存在銑削殘留。殘留高度的大小與行距有關。行距越小，則走刀路線越多，加工效率越差；行距越大，走刀路線越少，效率提高，但是不一定能保證圓弧面的表面粗糙度。

如程序中的行距△Y為0.5 mm，不能確定是否保證表面粗糙度3.2 μm。而要保證加工的圓弧面達到表面粗糙度的要求，則必須合理確定行距△Y。加工凹圓弧面的表面粗糙度為3.2 μm，則刀具銑削的殘留高度H為0.003 2 mm。

2.3.1 計算殘留高度H[1]

由圖 5得 r2=（△Y/2）2+（r-H）2，其中 r為球刀半徑5 mm。

所以，以行距△Y=0.5 mm加工后不能保證凹圓弧面的表面粗糙度3.2 μm。

2.3.2 確定行距△Y

由圖 5 可知，r2= （△Y/2）2+ （r-H）2，H=0.003 2代入，

則行距△Y可取0.35，子程序調用次數可取30次。

將△Y=0.35代入式中，得H≈0.003 06 mm＜0.003 2 mm，加工后的表面粗糙度能達到要求。從殘留高度計算公式可看出，在銑削的球刀確定以后，殘留高度與行距的大小有關，行距越小，表面粗糙度越好，但加工時間較長，效率較差。

圖5 Y向殘留高度計算

3 優化加工方案

3.1 直線方向銑削凹圓弧面走刀路線

刀具的銑削方向均垂直于曲面彎曲方向，加工中將圓弧段分成若干段，每次都沿直線加工，直線加工完后沿圓弧方向直線擬合進給行距S，加工過程符合直紋面的形成，可以準確保證母線的直線度。精加工刀具路線如圖6所示，先沿箭頭1下刀，沿箭頭2方向直線銑削加工，沿箭頭3以行距S進給后，再沿箭頭4直線銑削加工，沿箭頭5以行距S進給，直至加工完成。

圖6 直線方向銑削圓弧面走刀路線

3.2 凹圓弧面精加工程序

由圖6的精加工走刀路線可看出，直線銑削的程序編寫簡單，但是圓弧方向的步距擬合進給程序編寫比較復雜。繪制XZ截面擬合進給參數計算如圖7。圖中S為行距，如通過行距確定來確定球刀刀位點的坐標點，計算比較復雜，但將圓弧段分割的行距轉換成圓心角的變化后，刀位點的計算就簡單了。#1為角度變量，#2為球刀刀位點Z向坐標，#3為球刀刀位點X向坐標。#1的初值為-60°，終值為60°。

圖7 XZ截面圓弧擬合進給刀位點計算

行距S按上一個方案取0.35，轉換為#1，

#1=180*S/（3.14*R）=180*0.35/（3.14*20）≈1°

#2=10-（R-r）*COS[#1]

#3=（R-r）*SIN[#1]， 其中 R=20 ，r=5 。

O0001

G54G90G40G49G17 （程序初始化）

M3S3000 （設定精加工主軸轉速）

G0X-12.99Y-10Z10 （快速點定位）

G1G43Z2.5F1000 （建立刀具長度補償）

#1=-60 （設定角度變量初值為-60）

N10#1=#1+1 （設定角度增量為1°，相當行距0.35）

#2=10-15*COS[#1] （計算球心刀位點的Z坐標）

#3=15*SIN[#1] （計算球心刀位點的X坐標）

G1Y10 （直線銑削，如圖6中的箭頭2）

G1X#3 Z#2（圓弧方向進給，如圖6中的箭頭3）

Y-10 （直線銑削，如圖6中的箭頭4）

#1=#1+1（設定角度增量為1，相當行距0.35）

#2=10-15*COS[#1]（計算球心刀位點的Z坐標）

#3=15*SIN[#1] （計算球心刀位點的X坐標）

G1X#3 Z#2 （圓弧方向進給，如圖6中的箭頭5）

IF[#1LT60]GOTO10 （#1小于 60，按箭頭

2、3、4、5 循環加工）

G0G49Z200 （取消刀具長度補償，抬刀）

M30

3.3 存在問題

由于刀具主要沿直線方向銑削加工后，沿圓弧方向擬合進給，兩相鄰銑削加工軌跡之間間距不論多小，總存在欠銑削部分，所以加工后的圓弧面直線度較好，但圓弧的準確度較差。而欠銑削部分的高度則決定了銑削圓弧面的表面粗糙度。3.3.1計算殘留高度H[2]

圓弧adb為球底面圓弧的部分，R為球的半徑，O1、O2為相鄰兩行刀具中心，r為刀具半徑，行距ab為S，殘留高度cd為H，則計算殘留高度如下：

如 r=5，s=0.35，R=15，得 H=0.00 204 mm。

將 R=20，r=5，S=0.5 代入式（1），得H≈0.00 468。

與第一方案所得的H=0.0063相比，在相同的行距下殘留高度更小，表面粗糙度更好。

圖8 殘留高度的計算

3.3.2 確定行距S

由所加工凹圓弧面的表面粗糙度精度為3.2 μm，得殘留高度H=0.0032 mm，計算加工凹圓弧面的行距S。

將 R=20，r=5，H=0.003 2 代入式（1），計算得S≈0.4 mm，則程序中的角度增量計算。#1=180*S/（3.14*R）=180*0.4/（3.14*20）≈1.146°。

3.3.3 直線方向與圓弧方向銑削效果比較

在采用同樣刀具、切削參數、行距的情況下，兩種加工方案的加工效果比較如表1所示。

表1 凹圓弧面兩種方案加工效果比較

由表1可知，如果要保證加工曲面的表面粗糙度和加工效率的要求，可選擇沿直線方向銑削加工曲面，而要保證加工曲面的圓弧準確，則可選擇沿圓弧方向銑削加工。另如加工的曲面是凸圓弧面，在采用同樣刀具、切削參數、行距的情況下沿圓弧方向銑削，可獲得較高的表面粗糙度和加工效率，并能保證圓弧準確性。

4 結論

在銑削加工曲面時，銑削方向的確定，一方面要遵循數控加工工藝所要求的原則；另一方面還要保證零件的加工精度和表面粗糙度的要求。對于不同類型的曲面加工，要根據曲面特點和加工特點選擇合適的銑削方向，不僅能提高表面粗糙度，還能提高加工效率。