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编者按
# 01
序言
五轴高速数控加工以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在曲面加工中具有非常明显的优势，已成为提高加工效率和加工质量、降低成本的主要途径[1-3]。高速加工不仅对机床、夹具和刀具等提出了更高的要求，而且对刀具运动路径的要求也极为严格。如果没有合理安排走刀轨迹，材料去除率的剧烈变化势必影响加工效率与质量，因此生成一条光顺连续的走刀轨迹对于高速切削加工显得尤为重要[4，5]。大型壳段中矩形网格数量约占整个加工特征的80%左右，编程人员必须改变网格的加工策略，以创建安全、有效和精确的加工路径，从而实现高速加工。
# 02
高速加工对走刀路径的要求
高速加工对走刀路径的要求如下。
（1）避免急速换向 在拐角处要有平滑的走刀轨迹。由于急速换向除了减慢加工速度外，加工到拐角时，切削角度还会迅速增加，刀具受力增大，切削稳定性变差，因此应避免急速换向。
（2）保持恒定载荷 加工过程中要保持金属去除量的恒定，从而获得稳定的切削过程，获得较好的热传递和较好的加工质量。
（3）保证刀具轨迹平滑 切削过程中保证刀具轨迹平滑过渡，减少刀具加工过程中的切入、切出次数，从而获得相对稳定的切削轨迹。在进刀过程中，刀具要平滑地切入，避免采用直扎方式进刀。
# 03
矩形网格传统加工路径
图1 常用加工路径
以某壳体网格为例，由于该网格圆角R10mm，因此网格加工时采用φ20mm铣刀，网格圆角通过刀具圆角自然形成，加工路径如图2所示。
图2 某壳体网格加工路径
圆角位置切削如图3所示。由于加工到圆角位置时，切削角度迅速增加90°，因此导致刀具受力增大，拐角处往往产生过切、形成振纹等，切削稳定性很差。为了实现切削效果，只能通过降低转速、进给量的方式解决，极大地影响加工效率。
图3 圆角位置切削示意
# 04
高速铣削加工路径规划
4.1 往复式加工路径
优化前往复式加工路径如图4a所示，加工过程中频繁换向，机床频繁加减速。为了避免加工过程中机床频繁急速换向，切削力陡增，导致产品加工效率低和加工质量差的问题，对加工轨迹进行优化，采用如图4b所示加工轨迹，在换向处增加圆角过渡。
图4 往复式加工路径
4.2 回字形加工路径
优化前回字形加工路径如图5a所示，加工过程中也需频繁换向，机床频繁加减速，加工到圆角位置时，切削角度迅速增加，往往在拐角处产生过切、振纹等现象，切削稳定性很差，导致产品加工质量差。为了适应高速加工，对加工轨迹进行优化，采用如图5b所示优化后的加工轨迹，在拐角处增加圆角过渡，同时在轨迹间的直线切入增加圆角。由于该加工方式轨迹从内往外，因此采用螺旋进刀方式，可有效解决狭小网格进刀轨迹不好控制的问题。
图5 回字形加工路径
4.3 螺旋式加工路径
采用图6所示的螺旋走刀方式，在每一层均采用螺旋进刀，螺旋铣削加工路径为曲率连续的圆弧，在圆弧路径不同位置切削量一致，铣削均匀，各轴速度变化比较平滑，可大大提升刀具寿命和加工效率。同时，该螺旋轨迹避免了刀具的行间移刀，只需要一次切入和切出就可以完成加工。
图6 螺旋式加工路径
# 05
虚拟仿真
采用VERICUT三维虚拟仿真软件对优化后的不同轨迹进行仿真分析，同时利用其Force物理优化模块对不同轨迹切削过程中刀具的受力情况进行仿真分析。利用优化模块，选择切削材料参数库，设置刀具信息，执行程序即可获得切削过程中刀具的受力情况。优化后往复式加工路径、回字形加工路径和螺旋式加工路径受力情况分别如图7~图9所示。从仿真结果可以看出，在切削过程中，采用往复及回字形路径加工时，刀具受力不平稳，在拐角及移刀过程中，刀具受力发生急剧变化，切削稳定性较差。采用螺旋式加工时，切削过程中刀具受力无急剧变化，切削过程相对较平稳。
图8 优化后回字形加工路径受力情况
# 06
切削验证
对优化后的3种轨迹进行切削试验，切削过程中设定转速n=12000r/min，对其切削过程中的主轴振动情况进行了记录。
6.1 往复式轨迹主轴振动曲线
图10所示为往复式加工路径主轴振动曲线，可以看出切削过程不平稳，切削振动变化较大，不利于高速加工。同时由于加工轨迹限制，进刀方式只能采用沿形状斜进刀，且斜进刀角度一般≤5°，因此进刀轨迹需要拉长，对于狭小网格，该方法十分不实用。
图10 往复式加工切削振动曲线
6.2 回字形轨迹主轴振动曲线
图11所示为回字形加工路径主轴振动曲线，可以看出该切削方式较往复式加工更平稳，但加工轨迹间存在移刀，移刀过程中切削量增大，切削振动增大。
图11 回字形加工切削振动曲线
6.3 螺旋式轨迹主轴振动曲线
图12所示为螺旋式加工路径主轴振动曲线，该加工方式在每一层均采用螺旋进刀，螺旋铣削加工路径为曲率连续的圆弧，主轴振动较其余两种轨迹更平滑，切削过程最稳定。
图12 螺旋式加工切削振动曲线
# 07
结束语
采用往复式加工路径，切削过程波动较大，切削不平稳，且受进刀方式的限制，其不适合于小尺寸网格的加工；采用回字形加工路径，切削过程较往复式加工更平稳，但该加工方式轨迹间存在移刀，移刀过程中切削量增大，切削振动增大；采用螺旋式加工路径，由于加工路径为曲率连续的圆弧，因此铣削相对均匀，刀具受力无急剧变化，相对于其他两种加工轨迹，切削过程最平稳，这种轨迹能够很好地减少刀具负载的波动及移刀次数，从而可以获得较好的加工效果。为了实现高速加工，需要保证切削载荷均匀、不产生剧烈变化。在刀轨拐角处需要增加圆弧过渡，避免出现尖锐拐角，所有进退刀的过渡也都需要尽可能圆滑。
[5] 楚王伟，牟文平，龚清洪，等. 钛合金飞机结构件高效铣削技术研究[J]. 工具技术，2008（8）：43-46.
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