復雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝研究

王福巧

（貴州航天職業技術學院，貴州 遵義 563000）

0 引言

復雜曲面加工質量是影響相關設備使用壽命的關鍵，通過超精密多軸銑削加工，能夠聯合數控機床和多軸聯動技術，確保零件的表面質量與使用性能。針對銑削加工工藝的質量問題，研究人員設計了多種加工工藝。其中，基于NSGA-Ⅱ的多軸銑削加工工藝，與基于切削穩定性與表面質量約束的多軸銑削加工工藝的應用較為廣泛。

基于NSGA-Ⅱ的多軸銑削加工工藝[1]，主要是對加工工藝參數進行調整，設定銑削參數、步距、進給速度等，并通過實驗分析切削參數組合形式與切削變化情況?；谇邢鞣€定性與表面質量約束的多軸銑削加工工藝[2]，將刀具懸伸量作為輸入條件，建立反向傳播神經網絡模型，以此建立加工質量約束，從而滿足銑削加工質量需求。以上兩種工藝更傾向于數字技術，相關變量可能存在不確定性，影響最終的加工效果。因此，設計了復雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝。

1 復雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝設計

1.1 選擇小楔角銑削加工刀具

在多軸銑削加工工藝中，刀具的硬度需要夠大，楔角需要夠小，才能滿足加工需求[3]。因此，選用0°前角作為刀具楔角，結合刀柄結構縮小回轉半徑，實現銑削刀切削穩定的目標。選取硬質合金四刃立銑刀，刀具直徑為8 mm，螺旋角度為45°?？紤]到復雜曲面零件的幾何形狀與尺寸，將刀具的前角調整為0°，通過刀柄結構保證，能夠在承受更大的力，提高磨刀的效率[4]。硬質合金四刃立銑刀如圖1 所示。

圖1 硬質合金四刃立銑刀示意圖

圖1 中，L為硬質合金四刃立銑刀全長；P為刃長；d為柄徑；h為刃徑。

在銑削加工的過程中，隨著刀具的不斷切入，零件表面原有的單元因失效而刪除，重新定義新的接觸面單元。刀具表面與加工零件表面的接觸存在一定屬性，硬接觸銑削屬性主要應對法向作用；庫侖摩擦屬性主要應對切向作用。采用摩擦系數表達加工表面的摩擦屬性，則：

式中，γn為銑削加工零件表面與刀具之間的摩擦應力；μ為摩擦系數；F為法向接觸壓力。硬質合金四刃立銑刀的硬度較大，刀柄在加工過程中受力變形較小，γn越小，證明零件與銑刀的摩擦系數越小，能夠提升零件加工質量。

1.2 規劃復雜曲面零件超精密多軸銑削走刀軌跡

在加工刀具選擇完成后，調整多軸輪廓銑的刀軸位姿與投影方向，在復雜曲面零件表面生成光滑軌跡，確保銑削加工質量。銑削走刀軌跡的規劃流程為：利用機床坐標系與安全平面，創建銑削走刀幾何體模型→在模型上創建刀具→創建驅動方式、刀軸與投影矢量、非切削移動參數等工序→生成銑削走刀軌跡。在走刀軌跡規劃的過程中，對銑削參數進行優化，使零件銑削加工效率達到最高的同時，優化零件加工質量。銑削表面粗糙度的優化目標為：

式中，Ka為銑削表面粗糙度的優化目標函數；MKa為加工材料的表面粗糙度；n為主軸轉速；sa為銑削行距；νs為進給速度；a1、a2、a3為待定系數?？紤]到切削參數對側銑加工的影響，確定材料去除率。算式為：

Ea=n·fn·Z·sa（3）

式中，Ea為材料去除率；fn為每齒進給量；Z為刀具齒數。按照最大Ea，最高加工質量的原則，生成本次軌跡規劃的目標函數，算式為：

y= min[Ka（X），-Ea（X）]（4）

式中，y為復雜曲面零件超精密多軸銑削走刀軌跡的最短規劃值；X為走刀位置。在y已知的情況下，控制刀軸遠離直線，選取合理的刀軸控制方式，避免刀具工件受到干涉。

2 仿真實驗

為了驗證設計的加工工藝，搭建了一個仿真實驗平臺，進行仿真分析。最終的實驗結果則以文獻[1]基于NSGA-Ⅱ的多軸銑削加工工藝、文獻[2]基于切削穩定性與表面質量約束的多軸銑削加工工藝，以及設計的復雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝進行對比的形式呈現。

2.1 實驗過程

本次實驗在Matlab 2018b 平臺上進行，將Mikron UCP710 多軸高速加工機床仿真出來，模擬出銑削加工設備的轉速、進給速度、加速度。其中，最高轉速為18000 r/min，最大工作進給速度為110 m/min，最大加速度0.8 g。在仿真平臺中輸入加工工藝參數，并選擇出Stellram 刀具，刀片材料為SP6519，為三角形可轉位刀片，刀具直徑為42 mm。復雜曲面零件為TC4 鈦合金，退火態，尺寸為110 mm × 60 mm × 40 mm。采用Kistler 9625B、Kistler5019A 等設備，配合仿真平臺的VERICUT 數據處理軟件，獲取零件銑削表面形貌，如圖2 所示。

圖2 零件銑削表面形貌仿真圖

以正交表來研究銑削工藝的多因素多水平問題，每個正交表均存在四水平，4 個水平主要針對多個銑削加工工藝影響因素。通過影響因素與四個水平相結合，得到一個三維的四象限表格，指導本次實驗，確保實驗數據的準確性。

2.2 實驗結果

在上述實驗條件下，將正交四水平設定為1、2、3、4，將主軸轉速、銑削行距、銑削深度、進給速度、刀具傾角作為加工工藝的影響因素。引入列因素極差，反映列數據的變化范圍與波動幅度，從而確保實驗數據的真實性。本次實驗中，極差反映了列因素的水平變動，極差越小，數據波動越小，銑削加工質量越佳。在其他條件均已知的情況下，將文獻[1]基于NSGA-Ⅱ的多軸銑削加工工藝的R 值、文獻[2]基于切削穩定性與表面質量約束的多軸銑削加工工藝的R 值，以及本設計的復雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝的R 值進行對比。具體的實驗結果見表1。

表1 實驗結果

在文獻[1]工藝的極差值相對較大，見表1。從表極差波動較為明顯，銑削加工質量不佳。在文獻[2]工藝的極差值較之文獻[1]有所降低，銑削加工質量得以提升。而本設計的復雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝中，主軸轉速在110 ～126 r/min 的范圍內波動；銑削行距在78 ～83 mm 的范圍內波動；銑削深度在92 ～112 mm 的范圍內波動；進給速度在88 ～103 r/min 的范圍內波動；刀具傾角在32 ～99°的范圍內波動，R 值相對較小，整體低于70。由此可見，本設計的加工工藝，極差最小，銑削加工質量更佳，符合研究目的。

為了對比這里的方法，在多軸銑削加工工藝參數優化中的優越性能，引入文獻[1]工藝和文獻[2]工藝作對比，分別在銑削表面粗糙度下，測試了復雜曲面零件超精密多軸銑削加工的效率，測試結果如圖3所示。

圖3 三種方法在銑削表面粗糙度下的加工效率對比結果

由圖3 可知，在不同的銑削表面粗糙度下，采用文獻[1]工藝和文獻[2]工藝時，復雜曲面零件超精密多軸銑削加工效率低于80%，采用本研究的工藝時，復雜曲面零件超精密多軸銑削加工效率在95%以上，能夠按時完成零件超精密多軸銑削加工任務。

3 結語

為了確保各個領域的零件使用效果，人們對零件的銑削加工工藝提出了更高的要求。因此，設計了復雜曲面零件超精密多軸銑削加工工藝。從刀具選擇、銑削軌跡規劃、刀具半徑補償等方面，減少了工藝難度，延長零件的使用壽命。根據多軸銑削加工需求，全方位地調整復雜曲面銑削加工軌跡，不僅提高了銑削加工的質量，還提高了銑削加工的效率，為零件的應用提供質量保障。