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谢鹏，郭明龙，魏兆成，王敏杰，舒鑫，雍建华. 兼顾排屑与降载作用的叶轮拐角单笔清根刀具[J]. 工具技术, 2024, 58(6):76-82.Xie Peng，Guo Minglong，Wei Zhaocheng，Wang Minjie，Shu Xin，Yong Jianhua. Single stroke root cleaning tool for impeller corners with both chip removal and load reduction[J]. Tool Engineering, 2024, 58(6):76-82.清根加工作为一种特殊的曲面加工，是离心压缩机整体盖盘叶轮数控加工中的一道重要工序（见图1），总工时占比高达20%以上。其加工特点和难点包括以下方面：①拐角曲面曲率大，拐角半径多为16mm，20mm和25mm不等；②大直径刀具工序加工后，材料残留多，致使清根切削余量大且分布不均匀，如针对半径8mm的拐角，若前道精加工工序球头铣刀半径为5mm，则过渡圆角处的材料残留最大厚度达0.83mm，远大于精加工余量；③因加工盖盘叶轮需要刀轴后倾推刀加工，受盖盘干涉、叶轮流道几何空间和拐角曲率限制，清根刀具的直径小且长度较长，导致刀具系统刚性弱；④加工时刀轨沿拐角方向的切削深度不断变化，切削载荷较大且不平稳，造成刀具过早失效。因此，盖盘叶轮拐角曲面清根加工的切削条件复杂，一直是复杂曲面数控加工领域的难点。所以适配刀具的选择以及清根工艺的优劣对整体盖盘叶轮的制造周期、加工质量等有重要影响。在盖盘叶轮刀具轨迹策略方面，当前主流CAM软件基本都有专门的清根加工模块，提供包括单笔清根、多笔清根、沿外形清根、缝合清根、自动清根等丰富的刀具轨迹生成策略供实际生产选用（见图2）。其中，单笔清根是采用与拐角半径相同的刀具进行加工，刀具轨迹仅为一条曲线，理论上拐角曲面的材料可以完全去除，效率较高；其余清根策略采用多刀切削方式，沿拐角曲面轮廓逐步切出拐角部位的残留材料，效率较低，切削参数选取比较保守。由于单笔清根加工的轨迹连续且长度最短，本应是最理想的选择，但是目前盖盘叶轮的清根加工普遍使用传统球头铣刀，没有适用于单笔清根加工的配套高性能刀具，因而不能适应其加工特点和难点。因受盖盘叶轮流道几何干涉，清根加工需要推刀进行，应用传统球头铣刀会使主要切削区域集中在刀尖部位。但是传统球头铣刀刀尖部位线速度低，切削性能不足，且容屑槽空间小，排屑困难，切屑容易堆积并挤压损伤已加工表面，导致刀具出现非正常磨损甚至崩刃等情况。同时传统球头铣刀推刀加工过程中的切削力主要集中在刀具刚性较弱的径向方向，强行加工存在明显的振动，影响加工参数选取，进一步限制了加工效率的提升。所以亟需设计一款适用于盖盘叶轮单笔清根加工工艺的高性能适配刀具，保证工艺的顺利实施。目前，尽管部分学者针对清根加工进行了研究，但相关研究仍十分有限，对于复杂的空间三维拐角曲面加工均采用传统球头铣刀，且研究内容多集中在刀具轨迹规划和刀轴矢量控制方面。Ren Y.等针对三轴单笔清根加工提出一种可以保持尖角处轨迹光顺的材料侧追踪法和单笔清根细化技术生成刀具轨迹。Zhu W.等对五轴单笔清根加工刀轴矢量进行了研究，并为此开发了刀具系统防干涉装置。Kim D.S.等提出一种基于曲线扫描法的单笔清根加工刀具轨迹生成方法。对于模具型腔等高平面内的二维圆弧拐角，往往采用简单的平头立铣刀三轴侧铣工艺，相关学者针对切削力开展了一些研究。Zhang L.等针对型腔拐角加工，将不同刀位点看成不同径向切深的稳态加工，建立了铣削力预测模型。Dotcheva M.等基于建立的拐角加工模型，假设刀具为悬臂梁，进一步分析了加工误差，提出一种进给量优化模型以兼顾加工效率和加工表面精度，表面误差保持在±0.05mm范围内。Bae S.H.等基于实验探究了铣削力与进给速度之间的关系，建立了一种简单的型腔拐角加工力学模型。Peng C.等基于时域仿真算法，建立了圆弧拐角加工的动力学模型，研究了加工系统的稳定性，采用泊松树法和动/静力法两种颤振稳定性判据获得了可靠的叶瓣图，为轴向切深和转速优化提供了依据。Yue C.X.等针对模具拐角铣削加工建立了三维有限元力预测模型，分析了拐角加工铣削力的变化规律，X方向平均切削力先增大后减小且减小幅度较小，Y方向的分量由正向负转变，Z方向的分量相对稳定且在铣削力中占比最大，三个方向的铣削力随主轴转速的增加而减小，随进给速度的增加而增大。针对整体盖盘叶轮拐角曲面清根加工表面质量差、加工效率低以及缺乏适配高性能刀具的问题，本文借鉴插铣原理，通过理论与实验分析，提出一种新型削顶球头铣刀以适应盖盘叶轮的推刀加工，实现高质、高效的清根加工。插铣加工是一种高效金属切削工艺，切削载荷主要集中在刚性较强的刀轴方向，切削稳定性好，让刀变形量小，在刀片强度和机床功率承受范围内可以采用很大的切削参数。由于盖盘叶轮推刀清根加工的特殊性，新式清根刀具需考虑借鉴插铣加工工艺的特点和插铣刀具的结构设计。图3为一种新式削顶球头铣刀，切削刃主要由两部分构成：一是借鉴插铣刀具的底刃部分，二是球头铣刀的侧刃部分。推刀加工是将刀轴偏离工件法向一定的角度，以底刃为主要切削刃，切除大部分材料余量；同时为适应拐角圆弧曲面，通过球头侧刃将拐角曲面成型，且刀具侧刃有大半个球面作为载体，可以实现较大倾斜角度的清根加工，解决了单笔清根加工时整体叶轮复杂内流道的干涉问题，尤其是盖盘叶轮的干涉。由于离心压缩机的叶轮流道清根加工拐角曲面曲率半径为16mm，20mm和25mm不等，实际加工过程中清根刀具多采用镶片结构。刀头顶部整体为开有容屑槽的削顶球体结构，削顶平面垂直于刀轴，与球体顶点的距离小于半径，削顶平面中心有一圆形凸台用于对刀，边缘有圆环形凸起。该削顶结构在单笔推刀清根加工时，刀刃接触区间主要是底刃与侧刃交接的位置，可有效避免传统球头铣刀刀尖位置线速度慢造成的表面质量差和切削力大等问题。刀头尾部为直径略小于球头部分的圆柱螺栓，用于刀杆的安装。刀杆圆柱体沿中心轴开设中心孔道，顶部通过圆柱螺纹孔与刀头尾部的螺栓配合。为了兼顾容屑排屑能力与刀刃的耐用度，在保证刀头强度的前提下，削顶球头部位需开设大空间容屑槽，容屑槽底部通过内孔道与刀杆的中心孔道连接，用于流通切削液，孔道中心延长线与切削刃相交，以便实现切削区域的精准冷却与润滑。如图4所示，刀片为扁平六面体结构，每个刀片结构体上有一个底刃与一个侧刃，侧刃所在圆弧曲面为刀具侧刃后刀面，底刃所在较大内倾平面为底刃后刀面。容屑槽左侧为固定刀片的定位平面，使刀片在刀具上产生一定的角度。定义η为侧刃倾角，α0为底刃后角，κr为底刃倾角，λs为底刃偏角。面积最大的两个相对平面中心有一锥形孔，可通过螺钉固定于刀头，为获得较大的前角，中心孔所在大平面采用内凹结构。由于单笔清根加工的材料去除量较大且刀具悬伸较长，故刀体应具有较高的刚性、韧性和强度，同时兼顾切削加工性能。刀头和刀杆选用42CrMo超高强度钢，其抗拉强度超过1080MPa，屈服强度超过930MPa。刀头进行调质处理，硬度约为40HRC；刀杆经过淬火和低温回火等热处理，硬度超过45HRC。刀头的车铣复合加工工艺路线为：①车削刀头的圆柱端面和外圆；②切断并掉头；③车削刀头尾部圆柱端面、尾部圆柱外圆及尾部圆柱面螺纹；④钻削切削液中心孔；⑤掉头并车削刀头的球头部分；⑥铣削刀头大容屑槽；⑦铣削刀片与刀头容屑槽之间配合的定位面；⑧钻削固定刀片的螺纹孔并攻丝；⑨钻削大容屑槽的内流孔道；⑩检查并去毛刺。刀杆的车铣复合加工工艺路线为：①车削圆柱外圆和端面；②钻削切削液中心通孔；③钻削顶部连接螺纹孔；④螺纹孔攻丝；⑤精加工与刀头相配合的端面；⑥切断；⑦检查并去毛刺。基于UG软件建模模块设计的刀头和刀片如图5所示。刀片采用硬质合金镶嵌刀片，刀具公称直径40mm，侧刃圆弧长26mm，底刃长9mm。选取较大前角可以减小工件材料切屑的塑性变形，减小前刀面与工件切屑之间的摩擦力，进而减小加工过程中的铣削力，但过大的前角会降低切削刃的强度，影响刀具寿命。选取较大后角可以降低刀具后刀面与工件已加工表面之间的摩擦力，进而减轻加工硬化，提升加工表面质量，但过大的后角会直接降低散热能力与刀刃强度。因而清根铣刀前角与后角的选取要兼顾切削力与切削刃的强度，根据大量试切实验，前角的选取范围应在3°~9°，后角选取范围应在3°~7°，且清根铣刀前角与后角取值由定位面以及刀片自身的前角、后角共同决定。侧刃倾角、底刃倾角与底刃偏角的主要作用是降低铣削冲击，建议选取8°~11°。当拐角曲率半径较小时，通常采用小直径整体式铣刀。该镶片式削顶刀具的结构设计可推广应用至整体式铣刀，以方便加工叶轮拐角半径较小的圆弧。根据所设计的镶片式刀具的特点，将传统整体式球头铣刀进行削顶处理，得到图6所示的小直径整体式铣刀。削顶平面切削刃的磨制采用平头立铣刀底刃磨制的方法，同时对侧刃与底刃的交接处进行圆弧过渡光滑处理，加大磨制两刃处的容屑槽空间。如图6右侧实物所示，小直径整体式清根铣刀直径为8mm，底刃平面距球心h=3mm，螺旋角30°。清根铣刀的几何结构如图7所示，N为刀具齿数，r为球头半径，以轴向位置角k为变量描述圆弧侧刃第j条刀刃曲线，有式中以轴向位置角k为单位对刀刃离散，由于刀刃螺旋角η的存在，刀刃微元径向位置角θ相对于刀刃位置角θ0的滞后角度θz为为了验证新式削顶清根铣刀的优势，通过仿真软件ABAQUS输出槽切状态动画，对比两种刀具的切削力及切屑状态。刀具材料均设为TUNGSTEN-CARBIDE，直径为0.5mm，网格种子布率0.046，设置为刚体，刀轴倾角统一设定为偏离工件法向30°，以便模拟清根加工过程中的推刀工艺。工件材料均为长1mm、宽1mm、高0.5mm的Ti6Al4V长方体，工件上方网格种子布率0.005，下方布率0.01，其非切削表面的边界条件设为完全固定。分析步时长设为0.01s，帧率为200帧，设置切削深度为0.1mm，刀具的进给速度为50mm/s，转速为1571rad/s。仿真结果如图8所示。图8a和图8c为传统球头铣刀的切削情况，图8b和图8d为新式削顶铣刀的切削情况。仿真结果对比表明，传统球头铣刀只有一条连续刃参与切削，且刀尖附近也参与切削，刀尖点线速度较低。同时传统球头铣刀容屑槽空间小，其切屑呈不易断裂的长条状，极易触碰容屑槽内壁，排屑受到很大阻碍。这会造成切屑之间严重挤压，从而使刀具连续承受切屑的挤压力及二次切削，对刀具造成损坏，降低刀具的使用寿命和切削的表面质量。相反，新式削顶铣刀的底刃与侧刃同时参与切削，容屑槽空间较大，没有刀壁干涉，切屑短小呈短圆状，排屑十分顺畅。图9为传统球头铣刀和新式削顶铣刀的切削力对比，结果表明，传统球头铣刀受力变化差异较大，新式削顶铣刀的受力变化差异较小。传统球头铣刀X方向切削力最大值为7.2N，最小值为-14.9N；Y方向切削力最大值为24.3N，最小值为1.2N；Z方向切削力最大值为4.16N，最小值为-17N。新式削顶铣刀X方向切削力最大值为-3.4N，最小值为-11.9N；Y方向切削力最大值为1.18N，最小值为-8.42N；Z方向切削力最大值为1.2N，最小值为-8.4N。应用新式削顶铣刀后，X方向受力下降20.1%，Y方向受力下降了65.4%，Z方向受力下降了50.6%。主要原因可能是传统球头铣刀的刀具结构不适应推刀加工，刀尖点线速度低，同时切屑较大导致塑性卷曲阻力大，且容屑槽空间较小，致使切屑持续挤压，最终导致刀具受力较大。而新式削顶铣刀的结构借鉴了插铣加工工艺，更适应推刀加工，切屑较小致使塑性卷曲阻力也较小，且容屑槽空间较大，没有刀尖点挤压和切屑的持续挤压，最终导致刀具受力较小。综上，在稳态切削状态下，新式削顶铣刀所有方向受力均小于传统球头铣刀，切削效果很好。为了进一步验证新式清根铣刀在实际加工中的效果，增设水平面五轴槽切对比实验，实验设备为德马吉DMU60 monoBLOCK五轴联动数控中心。实验采用切削液冷却并同步测量铣削力信号，如图10所示，切削力测量系统由YDX-III97压电测力仪、电荷放大器和北京东方所的信号采集仪及数据采集分析软件组成，实验工件为长1400mm、宽660mm、高680mm的航空铝合金长方体。实验分别采用新式铣刀和传统球头铣刀，刀具直径均为8mm，螺旋角30°，其中新式削顶铣刀底刃平面刀球心的距离h=3mm。实验采取推刀加工的方法，刀轴后倾40°，进给速度为150mm/min，转速为500r/min，切削深度分别为2mm，3mm，4mm。实验过程中由Unigraphics NX软件加工模块曲线驱动方法规划刀具轨迹。表1数据由数据采集分析软件测得，在全程波形中截取中间一段较为平稳的周期波形，并记录其有效值。表1及图11结果表明，两种类型刀具切削过程中的受力方向主要是Y方向与Z方向，而X方向主要是摩擦力，相比其他两个方向受力较小，故后面分析主要取Y，Z方向的切削力。当切削深度为2mm时，与传统球头铣刀相比，新式削顶清根铣刀Y方向受力下降54.3%，Z方向受力下降66.1%；当切削深度为3mm时，Y方向受力下降67.5%，Z方向受力下降71.1%；当切削深度为4mm时，Y方向受力下降为77.6%，Z方向受力下降73.2%。可以明显看出，新式削顶清根铣刀比传统球头铣刀有很好的降载作用，且随着切削深度增大效果越来越好，分析原因与仿真分析一致。以结果最明显的切削深度4mm实验为例，两种铣刀的周期力变化趋势如图12所示，其中传统球头铣刀受切屑挤压的影响，切削力周期性波动较大，而新式削顶清根铣刀无明显波动。铣削加工结束后，使用如图13所示工具显微镜对两把刀具的加工表面形貌进行观察，相同参数下两把刀具加工表面的对比结果如图14所示。![]()
（a）传统球头铣刀 （b）新式削顶铣刀新式削顶清根铣刀的表面质量得到很大改善，明显优于传统球头铣刀。虽然新式削顶清根铣刀的加工表面仍有轻微挤压，但这种挤压可以通过切削参数的优化有效避免。而传统球头铣刀加工的区域有很多杂乱的凹坑与裂痕，表面质量十分恶劣。传统球头铣刀由于容屑槽空间小，切屑易受到刀具挤压作用而压入工件材料，加上高温高压的切削工况，更容易在加工表面上留下裂痕和凹坑。新式削顶铣刀容屑槽空间较大且没有刀尖点挤压，其侧刃的圆弧刃更加贴合加工表面，因而加工表面较为光滑，只有少数刀刃划痕与少数规律的凹坑，表面质量较高。（1）通过对盖盘叶轮单笔清根的加工特点与难点进行分析，提出并设计了一款面向不同拐角尺寸的单笔清根适配刀具，其中，针对曲率半径较大的拐角设计了镶嵌式刀具，针对曲率半径较小的拐角设计了整体式刀具。所设计刀具均拥有削顶结构和大容屑槽空间，并推导了切削刃曲线表达式。
（2）针对传统球头铣刀与新式削顶铣刀进行了仿真和实验，对比了两种铣刀的切屑形态、切削力大小以及加工表面质量。仿真结果表明，新式削顶铣刀的切屑短小且容屑槽空间较大，无切屑挤压，切削降载效果最高达65.4%。实验结果表明，切削力主要沿Y方向与Z方向，新式削顶铣刀的切削降载效果最高达77.6%。随着切削深度的增大，新式削顶铣刀的降载效果更好，同时新式削顶铣刀的加工表面裂痕与凹坑较少，加工表面质量明显优于传统球头铣刀。
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