圆弧面铣削加工工艺分析

陈诞院

（南通职业大学技师部，江苏 南通226001）

0 引言

随着科学技术的飞速发展，各种工业产品的开发周期、生产周期越来越短，促使产品向多品种、高质量、低成本的方向发展，具有复杂曲面的产品越来越多，并广泛应用于模具、交通、航空航天、航海等领域。目前，在数控加工职业技能考核中也涉及到简单曲面的加工。而简单曲面的加工即可通过手动编程加工，也可采用数控加工软件自动加工。

曲面加工作为机械制造的重要组成部分，在我国取得长足的进步，但与国际先进水平仍有较大差距。如高档多轴数控机床依赖进口、数控加工软件需进一步开发、复杂型面的检测技术以及曲面加工的表面粗糙度尚需提高等。而影响曲面加工表面粗糙度的因素有切削用量、鳞刺、积屑瘤、刀具变形、行距以及铣削方向等。本文主要探讨刀具铣削方向对曲面加工表面粗糙度的影响。

1 零件的工艺分析

如图1所示，在长40 mm宽20 mm高15 mm的长方块上铣削R20的凹圆弧面，圆弧面的表面粗糙度为3.2 μm。工件材料为45#钢。

图1 凹圆弧面零件图

2 原有的数控加工方案及产生的质量问题

2.1 工艺方案

对该凹圆弧面的加工，原来的加工工艺如下：

（1）将长方块用平口钳装夹好，用φ10的立铣刀进行粗加工。

粗加工的目的是用立铣刀按等高面一层一层地铣削，以快速切除大部分多余材料，生成零件表面的大致轮廓，粗铣后的曲面类似于山坡上的梯田（如图2）。设置主轴转速为2 000 r/min，进给速度为500 mm/min，等高面的高度为1.5 mm，刀具材料为硬质合金。

图2 凹圆弧粗加工后效果图

（2）选用φ10的球头刀沿圆弧方向铣削精加工圆弧面。

精加工时大多采用“行切法”。所谓行切法，就是铣刀沿工件表面一行一行的加工，每加工完一行后，铣刀要沿一个坐标方向移动一个行距s，直至将整个曲面加工出来为止。常用的圆弧面加工方案是刀具的铣削方向平行于圆弧面的弯曲方向，加工中将Y向分成若干段，使球头铣刀沿XZ面截的圆弧进行铣削（箭头2），每一段完成后Y向进给△Y（箭头3），再加工另一相邻圆弧（箭头4），再Y向进给△Y（箭头5），循环加工直至加工结束（如图3所示）。设定精加工主轴转速为3 000 r/min，进给速度为1 000 mm/min，行距△Y为0.5 mm。

图3 圆弧方向铣削圆弧面走

2.2 凹圆弧面的精加工程序

根据图3所示的凹圆弧面精加工刀具路径和图4的XZ截面圆弧参数编写凹圆弧面精加工程序如下：

O0001； （主程序名）

G54G90G40G80G49G17； （程序初始化）

S3000M03； （设定精加工主轴转速）

G0X-12.99Y-10Z20； （快速定位）

G1G43Z2.5H01F1000； （刀具建立长度补偿，下刀，如图3箭头1）

M98 P200002； （调用子程序O0002，调用次数20）

G0G90G49Z200； （绝对坐标，取消刀具长度补偿，抬刀）

M30；

O0002； （子程序名）

G18G90G03X12.99Z2.5R25；（设定平面XZ，绝对坐标，加工圆弧，如图3箭头2）

G1G91Y0.5；（Y向进给行距△Y0.5 mm，如图3箭头3）

G90G02X-12.99R25；（绝对坐标，加工圆弧，如图 3箭头4）

G1G91Y0.5； （Y向进给行距△Y0.5 mm，如图3 箭头 5）

M99； （子程序结束，返回主程序）

图4 XZ截面圆弧参数

2.3 存在问题

根据以上的加工程序，可以较好地加工出凹圆弧面，刀位点计算简单，程序较少，而且较易检测圆弧，但是直线度不能保证。Y向的铣削加工可看作球刀铣削平面，不论球刀之间的间距多小，总会存在铣削残留。残留高度的大小与行距有关。行距越小，则走刀路线越多，加工效率越差；行距越大，走刀路线越少，效率提高，但是不一定能保证圆弧面的表面粗糙度。

如程序中的行距△Y为0.5 mm，不能确定是否保证表面粗糙度3.2 μm。而要保证加工的圆弧面达到表面粗糙度的要求，则必须合理确定行距△Y。加工凹圆弧面的表面粗糙度为3.2 μm，则刀具铣削的残留高度H为0.003 2 mm。

2.3.1 计算残留高度H[1]

由图 5得 r2=（△Y/2）2+（r-H）2，其中 r为球刀半径5 mm。

所以，以行距△Y=0.5 mm加工后不能保证凹圆弧面的表面粗糙度3.2 μm。

2.3.2 确定行距△Y

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

则行距△Y可取0.35，子程序调用次数可取30次。

将△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达到要求。从残留高度计算公式可看出，在铣削的球刀确定以后，残留高度与行距的大小有关，行距越小，表面粗糙度越好，但加工时间较长，效率较差。

图5 Y向残留高度计算

3 优化加工方案

3.1 直线方向铣削凹圆弧面走刀路线

刀具的铣削方向均垂直于曲面弯曲方向，加工中将圆弧段分成若干段，每次都沿直线加工，直线加工完后沿圆弧方向直线拟合进给行距S，加工过程符合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度。精加工刀具路线如图6所示，先沿箭头1下刀，沿箭头2方向直线铣削加工，沿箭头3以行距S进给后，再沿箭头4直线铣削加工，沿箭头5以行距S进给，直至加工完成。

图6 直线方向铣削圆弧面走刀路线

3.2 凹圆弧面精加工程序

由图6的精加工走刀路线可看出，直线铣削的程序编写简单，但是圆弧方向的步距拟合进给程序编写比较复杂。绘制XZ截面拟合进给参数计算如图7。图中S为行距，如通过行距确定来确定球刀刀位点的坐标点，计算比较复杂，但将圆弧段分割的行距转换成圆心角的变化后，刀位点的计算就简单了。#1为角度变量，#2为球刀刀位点Z向坐标，#3为球刀刀位点X向坐标。#1的初值为-60°，终值为60°。

图7 XZ截面圆弧拟合进给刀位点计算

行距S按上一个方案取0.35，转换为#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 （设定精加工主轴转速）

G0X-12.99Y-10Z10 （快速点定位）

G1G43Z2.5F1000 （建立刀具长度补偿）

#1=-60 （设定角度变量初值为-60）

N10#1=#1+1 （设定角度增量为1°，相当行距0.35）

#2=10-15*COS[#1] （计算球心刀位点的Z坐标）

#3=15*SIN[#1] （计算球心刀位点的X坐标）

G1Y10 （直线铣削，如图6中的箭头2）

G1X#3 Z#2（圆弧方向进给，如图6中的箭头3）

Y-10 （直线铣削，如图6中的箭头4）

#1=#1+1（设定角度增量为1，相当行距0.35）

#2=10-15*COS[#1]（计算球心刀位点的Z坐标）

#3=15*SIN[#1] （计算球心刀位点的X坐标）

G1X#3 Z#2 （圆弧方向进给，如图6中的箭头5）

IF[#1LT60]GOTO10 （#1小于 60，按箭头

2、3、4、5 循环加工）

G0G49Z200 （取消刀具长度补偿，抬刀）

M30

3.3 存在问题

由于刀具主要沿直线方向铣削加工后，沿圆弧方向拟合进给，两相邻铣削加工轨迹之间间距不论多小，总存在欠铣削部分，所以加工后的圆弧面直线度较好，但圆弧的准确度较差。而欠铣削部分的高度则决定了铣削圆弧面的表面粗糙度。3.3.1计算残留高度H[2]

圆弧adb为球底面圆弧的部分，R为球的半径，O1、O2为相邻两行刀具中心，r为刀具半径，行距ab为S，残留高度cd为H，则计算残留高度如下：

如 r=5，s=0.35，R=15，得 H=0.00 204 mm。

将 R=20，r=5，S=0.5 代入式（1），得H≈0.00 468。

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

图8 残留高度的计算

3.3.2 确定行距S

由所加工凹圆弧面的表面粗糙度精度为3.2 μm，得残留高度H=0.0032 mm，计算加工凹圆弧面的行距S。

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

3.3.3 直线方向与圆弧方向铣削效果比较

在采用同样刀具、切削参数、行距的情况下，两种加工方案的加工效果比较如表1所示。

表1 凹圆弧面两种方案加工效果比较

由表1可知，如果要保证加工曲面的表面粗糙度和加工效率的要求，可选择沿直线方向铣削加工曲面，而要保证加工曲面的圆弧准确，则可选择沿圆弧方向铣削加工。另如加工的曲面是凸圆弧面，在采用同样刀具、切削参数、行距的情况下沿圆弧方向铣削，可获得较高的表面粗糙度和加工效率，并能保证圆弧准确性。

4 结论

在铣削加工曲面时，铣削方向的确定，一方面要遵循数控加工工艺所要求的原则；另一方面还要保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求。对于不同类型的曲面加工，要根据曲面特点和加工特点选择合适的铣削方向，不仅能提高表面粗糙度，还能提高加工效率。