复合型陡峭曲面高速加工刀路的优化

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与传统的平面、圆柱面和圆锥面零件不同，自由曲面多数不能展成平面。生产中通常利用数控机床加工曲面零件，曲面粗加工时一般选用圆角刀片提高切削效率，精加工时则采用整体式球头铣刀确保加工精度，刀具与曲面在加工过程中基本上以点接触为主，由切削点形成相应的刀路轨迹。为了保证加工精度和表面粗糙度，相邻的刀路轨迹(简称刀轨)之间的间距必须非常小，导致刀轨数量极多，而加工效率很低。

高速切削技术在提高自由曲面的加工效率方面具有不可替代的优势。高速切削一般采用小切深、大进给、高转速的切削方式，非连续刀轨和刀轨中的尖角会导致机床进给系统出现急停和急转弯，产生较大的加速度和冲击力，严重影响高速加工的切削稳定性。目前开发连续光顺的刀轨是高速加工技术研究重点之一，本文以“顶部平坦曲面—陡峭面”中的内侧陡峭曲面为研究对象，以刀路连续光顺为目标，开发一种面向高速加工的复合型内侧陡峭面螺旋刀轨生成方式。

1 复合型陡峭面传统切削刀轨

(1)等高分层切削刀轨

零件由顶部平坦曲面、外侧陡峭曲面、内侧陡峭曲面和底部平面复合而成。几乎所有CAM自动编程软件中都有针对陡峭曲面的等高加工模式，图1中的等高顺铣刀轨最为常用，刀轨以顺铣方式从上到下分层切削，其优点是切削负荷比较均匀，顺铣切削加工精度较高。但由于每个切削层上都有独立的进退刀轨迹，导致刀轨的连续性较差，在进退刀动作上消耗的非切削时间较多，加工效率低。

图1 等高顺铣切削方式

图2 等高顺逆铣交互切削方式

(2)等高顺逆铣交互切削刀轨

如图2所示，等高顺逆铣交互切削刀轨是对等高分层切削刀轨的改进。在切削层之间用直线过渡取代进退刀轨迹，刀轨简洁，加工效率较高。但由于顺逆铣变换时切削矢量相反，机床的运动加速度及相应的冲击载荷较大，难以满足高速加工的要求。

3 复合型陡峭曲面螺旋切削刀轨

(1)复合螺旋线切削模式

对于“顶部平面—陡峭面”型复合曲面，可通过创建辅助螺旋线投影，将螺旋线和平面轮廓线结合起来作为CAM软件中的驱动曲线，在平面轮廓刀轨和螺旋刀轨之间平滑过渡，切削过程中只有一条进刀轨迹和一条出刀轨迹，刀轨连续光顺。对于“顶部平坦曲面—陡峭面”中的内侧陡峭曲面，应用复合螺旋线切削刀轨的效果如图3所示。图3a是单纯型复合螺旋线刀轨，因螺旋线投影原理限制，生成的螺旋刀轨并不连续。图3b是光顺型复合螺旋线刀轨，在进退刀处进行了光顺化处理，解决了刀轨的连续性问题，但刀轨上有切削矢量的突变，因此，两者都不能满足高速加工刀轨光顺连续的要求。

(a)单纯型复合螺旋线刀轨

((b)光顺型复合螺旋线刀轨

图3 复合螺旋线切削模式

(2)复合型内侧陡峭面螺旋刀轨

与相对成熟的外侧陡峭面螺旋刀轨不同，内侧陡峭面无法构建螺旋线投影所必须的过渡辅助曲面，因此无法获得连续的螺旋驱动曲线，必须开发针对内侧陡峭面的螺旋刀轨，具体算法思路如下：

①如图4所示，过型腔底面中心区域作一圆柱螺旋线，根据曲面精度和表面粗糙度要求确定螺距，为保证以顺铣方式切削，圆柱螺旋线应设置为左旋；

②如图5所示，以“实体”模式抽取原零件的三维实体；

③如图5所示，作一平行于底平面且不低于实体上最高点的辅助基准平面；

图5 抽取体及辅助平面

④如图6所示，将抽取的原零件三维实体的顶部平坦曲面替换为辅助基准平面，获得顶部为平面的实体，在这个过程中，内侧陡峭曲面的顶部曲线由三维空间曲线变为平面轮廓曲线，曲线形状的简化有利于螺旋刀轨的生成；

图6 顶部平坦曲面的替换

⑤为避免内侧陡峭曲面刀轨的离散化倾向，在“固定轴轮廓铣”切削模式中，设置顶部为平面的三维实体为检查几何体(即加工禁区)，以约束内侧陡峭面刀轨的切削范围；

⑥如图7所示，在“固定轴轮廓铣”切削驱动模式中选择“曲线/点”，逆时针方向选择圆柱螺旋线和底面轮廓曲线作为驱动曲线，以“远离直线”作为投影矢量的方向，内侧陡峭曲面作为加工对象；

⑦如图8所示，为保证进刀、退刀和区域转移中的刀轨光滑过渡，在“非切削移动”中应选择“替代为光顺连接”，生成的刀轨在转接处非常光顺，避免了图3光顺型复合螺旋刀轨中切削矢量突变的问题，部分NC程序如下：

G54 G40 G17 G49 G98 G80 G90

M06 T01

G00 G90 X-13.58 Y26.383 S16000 M03

G43 Z125.941 H01

Z97.988

G01 X-13.651 Y26.415 Z97.687 F1500.

X-13.845 Y26.504 Z97.461

X-14.115 Y26.627 Z97.366

X-27.202 Y32.606 Z96.557

X-31.032 Y32.593 Z96.516 F10000.

X-34.656 Y32.592 Z96.48

X-38.745 Y32.601 Z96.445

X-39.855 Y32.606 Z96.437

X-42.247 Y32.273 Z96.414

X-44.416 Y31.215 Z96.385

由程序坐标值可知，所生成的内侧陡峭面螺旋刀轨具有连续光顺的特点，可以满足高速加工需要。

图7 双驱动曲线设置

4 实例验证

数控加工如图1所示的复杂曲面零件，以验证复合型内侧陡峭面螺旋刀轨的实际效果。根据图纸的技术要求，设定辅助螺旋线的螺距为0.80mm，采用米克朗高速加工中心加工，曲面精加工采用直径为10mm的硬质合金球刀，零件成品见图9。与传统陡峭曲面等高切削刀轨相比，总体加工时间缩短10%以上，零件精度和表面粗糙度符合图纸要求。