引言

OPEN MIND科技是来自德国的CAM软件和后置处理器的领先开发商，总部位于德国慕尼黑市，公司的hyperMILL软件作为创新5轴铣削技术领先者，在国际上名列前茅，被越来越多的5轴爱好者所追捧，尤其是强大的5轴内核算法、5轴编程思路、5轴特色命令都有着与众不同之处，当前CAM软件市场很激烈，要想脱颖而出，应该具有编程快捷，加工效率高等特点，这样才能使企业受益，并且给工艺编程人员减少工作量。本文以某飞机结构件为案例，选取典型的加工工序，详细的阐述了目前代表国际上最新的加工理念和加工方法的说明，并以此抛砖引玉引出其它实际案例。

1.零件结构特点

零件是某型机典型结构件产品，材料为铝合金，牌号为7075T7451，零件外扩尺寸390mm×200mm×235mm，零件结构特点深腔薄壁，型腔最深高达150mm，立筋最小厚度为3mm，零件侧壁与底面小于90°带有一定闭角，材料去除率大，约为整体毛坯的90%，零件为单侧型腔，另一侧为3个凸耳结构，如下图所示：

2.工艺方案

根据零件结构特点，采取底部专用工装拉紧毛坯，利用零件本身的3个凸耳进行工艺连接，做支撑将零件支起来，这样在加工过程中可以减少装夹次数并且刀具摆角度很灵活方便。

3.加工机床的选定

零件加工机床选用德国GROB公司生产的GROB550高速铣削中心，机床部分参数如下：

工作行程（X/Y/Z[mm]）：800×1020×1020

速度（X/Y/Z[m/min]）：65/42/90

机床结构：卧式

应用系统：海德汉640

4.数控加工工序的安排

（1）粗铣开放区域

为尽可能提高加工效率，在外形及内形去量上选择了大的面铣刀具，避免传统等高降层铣削，此处采用了摆角铣削斜面余量，选取D50R3面铣刀具。

（2）粗铣封闭型腔

对于型腔加工，传统的方式是只能通过3轴等高降层的方式铣削，hyperMILL软件对于型腔加工提出了新挑战、新方法，采用

a．五轴螺旋铣孔5轴螺旋铣孔和摆线铣削的方式组合铣削，具体说明如下：

五轴螺旋铣孔是OPENMIND公司提出的创新性加工技术，目前在CAM加工软件中只有hyperMILL拥有此技术，与传统方法对比，此功能具有快速高效地去除材料，适用于采用大直径铣刀进行深腔开粗，并且无需预钻孔，对于深腔排屑非常好，即使没有中心切削刃的铣刀也可以实现。

b．高性能加工（摆线侧刃铣削）

为了使材料去除率达到最大化，材料去除率（Q）是衡量加工效率的重要指标，最好的加工方式为摆线侧刃铣削，获得高的金属去除率。传统的切削深度一般对于铝合金，根据刀具的直径及强度给到2-3mm，但长期使用以来，刀尖磨损严重，刀具就需要刃磨，增加刃磨成本。采用高性能加工可以充分利用刀具的有效切削刃长，使得刀具切削刃磨损均匀，使得刀具利用率提高。材料去除率和平均切屑厚度（侧刃铣）的计算需要用到以下公式：

公式参数及含义：

根据以上公式可以看出，材料去除率和切深、切宽、工作台进给有很大关系，通常情况下在型腔加工过程中由于刀具切入型腔第一刀为满刀，那么根据公式可以看出，在刀具每次第一刀切入时获得的切削厚度和正常走刀时是不一样的，为了切削过程中平稳，最好的方式是让刀具在一个恒定的切深，恒定的切宽，恒定的每齿进给量的环境下进行切削，这样无论对刀具还是机床都是一种保护，特别是难加工材料。切深、切宽和高性能模式我们可以通过hyperMILL软件界面根据材料、机床、刀具设定，如下图所示，那么进给速度怎么办呢？

我们都知道，刀具在切削过程中对于直线段部分切宽是恒定不变的，当刀具到达圆弧或者转接R角时，吃刀量也就是每齿进给量就会变大，示意图如下：

刀具每齿进给量的公式为：

公式参数及含义：

为了获得恒定的每齿进给量，根据上面公式就需要降低工作台进给，而工作台的进给不需要人为修改，hyperMILL软件的高性能摆线侧刃铣削会自动计算并调整进给值，所以综上所述，根据公式可以看出，能够获得一致的平均切削厚度，使得切削平稳，机床负载保持恒定，下图为软件产生的部分高性能摆线侧刃铣削刀轨：

有了这两项创新型加工技术之后我们对型腔加工可以提出新的加工思路，就是将以上两种命令组合，即在型腔中央可以采用5轴螺旋铣孔的方式铣削，铣削完毕后，可以应用高性能加工将刀具插在之前的孔中，然后进行摆线铣削，除了上述案例应用之外，我们再来看一个应用案例：

a.首先在型腔中央通过5轴螺旋铣孔铣出预钻孔：

b.然后刀具插入预钻孔进行摆线铣削：

（3）粗铣拐角

在航空结构件产品粗加工完成之后，零件转角处的余量往往会大于设定值，为了后期精加工侧壁和底面不受影响，往往需要对角落余量进行处理。传统的加工方式受编程软件的限制只能等高降层侧刃铣削，hyperMILL软件对于转角清根有两种典型方式：一种是当型腔不是很深可采用等高降层铣削，层与层之间直接过渡没有多余的空刀，另一种是当型腔深度比较深时可采用插铣清根。软件对于转角去量的典型方式如下图所示：

（4）半精铣、精铣侧壁

对于侧壁的加工，通常有两种标准方式，一种是侧刃铣削，另一种是球头刀行铣。如果是直纹面可以采用侧刃如下图一所示，但是当型腔深度比较深时采用此方法工艺刚性不好，易产生震动，所以我们往往采用图二球头刀具摆角行切的方式加工来代替图一的铣削方式。

我们都知道球头刀行切的方式加工，加工效率慢，周期比较长，生成率低。为了解决这一难题，OPEN MIND公司提出了创新性刀具——锥度桶形刀，并应用“5轴切向平面加工”、“5轴切向加工”，对侧壁加工提出了新方法，锥度桶形刀的样式如下：

依据刀具设计的锥角，锥角小于40°的圆桶刀适合加工陡峭区域，锥角大于50°的圆桶刀适合底面精加工，如下图：

锥度桶形刀具与传统锥度刀具有着很大区别，传统的锥度刀具侧刃是线性直的，而锥度桶形刀的侧刃位置是一个非常大的圆弧，R500或者R1000，通俗来讲可以理解成一把R500的球头刀做零件表面的精加工，有了这样的刀具在加工下图的深腔侧壁时，每层切深可以达到5-7mm，比传统用球刀行切效率提升90%。

（5）精铣底面

精铣底面采用大锥角的锥度桶形刀设计，用刀具的侧刃加工底面，如下图所示：

除上诉案例应用外，在航空类产品中，闭角是比较典型的加工部位，底面的精加工不再应用传统的球刀加工，而是采用锥度桶形刀配合大锥角去加工，这样会比球头刀增大几倍的切削步距，下图为一些实际应用案例：

a.此案例为航空某机型舱门结构产品，部分位置为封闭倒扣型腔，传统加工只能采用球头刀行切的方式，步距0.3mm，如果采用创新性加工技术和刀具，步距可以放大至3.5mm。

b.此案例为航空某机型垂尾梁，头部为大闭角区域，闭角底面清根和精加工传统方式同样采用球头刀行切，步距0.2mm，如果采用创新性加工技术和刀具，步距可以放大至5mm。

5.切削参数的选择（部分）

结束语

在目前航空产品结构件中，越来越多的人开始关注航空零件的加工效率，效率的提升是工艺的进步同时也能给企业带来诸多的效益。本文提到的思路及加工方法都是在实际中得到验证并推广的，随着工艺及编程方法不断的进步，只要技术编程人员打破常规思路，不循规蹈矩，解放思想，再配合强大的CAM软件，将会有更多更好的工艺编程方法被探寻发现。

参考文献

[1] 山特维克金属切削技术指南.