直纹面精加工策略探究

阳群英

广西机电技师学院 ，广西 柳州 545005

摘要：本文以直纹面复杂零件——基座的精加工为例，探索适合直纹面精加工的方法，阐述五轴数控机床上利用球头刀的“点铣”和利用立铣刀 “侧铣”的精加工策略的优缺点，比对其加工效率和表面质量，优先选择“侧铣”方案，提升产品质量与效率。

关键词：直纹面、五轴数控加工、点铣、侧铣、表面粗糙度

直纹面加工在机械加工中常见而复杂，精度要求高，加工周期要求短,如何提高直纹面的加工效率和表面质量己成为数控加工技术的一个重要课题。数控加工技术是先进制造技术的动力源泉，而五轴加工则是数控技术应用的最高层次代表，其应用范围得到了不断地扩大。五轴数控系统自带的曲面优化、高速高精、防碰撞功能和CAM软件的结合，为许多复杂的多面零件空间加工编程提供了便利。

一、直纹面零件工艺分析

直纹面是由一根直线沿着一根或两根曲线匀速运动产生的轨迹曲面，生成直纹面的每条直线叫引线或截面线， 沿着运动的轨迹线叫流线。其主要特征是对曲面上的任意一点A，都至少有一条通过A的直线完全落在曲面上。在汽车和航空发动机中的涡轮叶片、纺织和食品机械中的直纹曲面槽等零件中应用广泛。

如图1所示为基座零件，基座外轮廓由多个直纹面构成，是典型的直纹面复杂工件。其直纹面规则、呈8份均布，其截面线垂直零件中心线，引导轨迹线为圆弧，属可展直纹曲面。其表面粗糙度为Ra1.6mm，可经过“粗铣——精铣”的加工工艺获得。

二、精加工策略——“点铣法”

目前直纹面数控铣削精加工策略主要有“点铣法”和“侧铣法。”

“点铣法”用球头刀头部、侧刃或立铣刀的侧刃加工，刀具与被加工表面点接触铣削。当背吃刀量、切削速度、进给速度一定时，刀具轴线与被加工表面的夹角α越大，即曲面越平坦，残留会越大，如图2所示。残留高度和面积会影响工件的表面粗糙度。而且还不可避免地会出现夹角α等于90度，刀尖切削工件的现象。此时球头刀头部中心点的切削速度为0，获得的表面粗糙度就达不到要求，且刀具磨损严重，消耗快。

图1 基座零件

图a 图b

图2 刀具与被加工表面的夹角对表面粗糙度的影响

此时，可以利用MasterCAM软件的多轴精加工策略——“渐变”、“沿面”等模式，设置“刀轴控制”参数，控制刀具姿态，以倾斜刀轴的方式避免使用刀尖切削，改善切削状态和切削条件，并提高表面质量。通过查阅文献，得知刀具轴线与加工面法向的夹角在 15°左右是比较理想的刀具姿态。而球头刀具的主倾角、侧倾角在40°～ 50°附近可以获得较好的表面粗糙度和形状精度。五轴同步加工通过刀轴姿态角控制，实现了短刀具加工深型腔、陡峭侧壁，避免了刀具干涉，有效提高了系统刚性，减少了刀具数量，避免了专用刀具，扩大了通用刀具的使用范围，从而降低了生产成本。但编程成本增加，还会因“刀轴控制”角度设置不当造成碰撞危险，也因补偿运动，刀路延长，加工时间也被延长。

如图3所示，采用“渐变”多轴精加工策略加工的基座直纹面。依据现有机床性能，刀具和工件材料，设置的主轴转速S为5500r/min，进给速度F为2500mm/min，间距0.2mm，进给时间为9分17秒。此时的表面粗糙度虽达标，但并非最佳，加工效率也不高。

图3 “渐变”多轴精加工策略加工的基座直纹面

三、精加工策略——“测铣法”

侧铣法用立铣刀侧刃以周铣方式进行加工，当刀具轴线与被加工表面的夹角α等于0°时，刀具与被加工表面线接触铣削，可获得很高的表面质量，非常适合直纹面的加工。

基于基座的直纹面具有可展性，可利用MasterCAM软件的多轴精加工策略——“侧刃铣削”模式，依靠3+2五轴定向配合立铣刀的侧刃进行切削，保证了面加工的连续性和完整性，提高了表面精度和效率。如图4a所示，采用“侧刃铣削”多轴精加工策略时，依据现有机床性能，刀具和工件材料，设置的主轴转速S为5000r/min，进给速度F为800mm/min,采用“一刀切”刀路，进给时间为52.11秒。此时的表面粗糙度最佳，且加工效率大大提高。

“3+2”五轴定向加工，编程成本较小，采用线性轴运动，无动态限制。加工系统刚性大，提高了刀具的寿命和表面质量。但会受到工件几何尺寸的限制，刀具无法切削到较深的型腔、陡峭侧壁和底面。由于刀具较长，增加了刀具成本，加工质量和效率也会受到影响。

a.“侧刃铣削”刀路 b. 逆铣表面粗糙度 c. 顺铣表面粗糙度

图4 “侧刃铣削”多轴精加工策略加工的基座直纹面

在使用“侧刃铣削”直纹曲面时，注意顺铣和逆铣的选择。精加工时，逆铣的表面质量比较差，如图4b所示，而且不可修复。顺铣的表面质量较好。如图4c所示。

四、结论

直纹面零件的精加工策略，80%左右优先选择“3+2”五轴定向配合立铣刀的侧刃进行切削，即“侧铣”，这样可以大大提高工件的表面质量和加工效率。当工件尺寸较大时，为了节约刀具成本，可采用五轴同步加工，控制刀轴姿态角，配合球头铣刀进行切削，即“点铣”，以改善工件的形状精度和表面粗糙度。

参考文献

[1］贺琼义，杨轶峰．五轴数控系统加工编程与操作[M]．北京：机械工业出版社，2019. 第1版第1次.9-14,40-41.

[2］昝华，杨轶峰．高档数控系统五轴加工编程与操作维护（基础篇）[M]．北京：机械工业出版社，2017.5-8.

[3］陈力.自由曲面直纹化方法以及在五轴侧铣加工中的应用[D].上海交通大学,2013.2-3

[4］方淑君.球头刀具空间姿态对铣削加工表面粗糙度和形状精度的影响[D].华南理工大学,2017.1-3,16-18