薄壁件高速铣削的刀具偏摆数控补偿

　　刀具偏摆数控补偿技术，即是在有限元分析基础上，根据模拟分析加工变形的大小，在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附加连续偏摆，补偿因变形而产生的让刀量。通过刀具偏摆数控补偿，可以将让刀残余材料切除，一次走刀即可保证薄壁件壁厚精度，从而达到高效、经济、优质加工薄壁零件的目的。其基本思想即通过建立受力模型、变形模型及数控补偿模型得到数控补偿方案，从而保证薄壁件加工精度要求。因此，切削力模型和变形模型是精确实现刀具偏摆数控补偿技术的基础，而精确的变形分析又依赖于准确的载荷模型。因此必须通过切削力实验，建立准确的铣削力模型;然后，在精确迭代分析加工变形的基础上，实施有效的刀具偏摆数控补偿加工。

　　一、刀具切削力的计算

　　在实施刀具偏摆数控补偿加工之前，首先要知道零件的加工变形量，即利用有限元技术对工件进行加工变形分析;而精确的变形分析又依赖于准确的载荷模型(切削力、装夹力、定位约束等)，其中关键是切削力的计算。不同的刀具及加工方法，有不同的切削力计算方法。在航空薄壁零件的加工中，以螺旋立铣刀加工居多。而对于螺旋立铣刀的受力模型，以沿着刀具螺旋线作空间状态分布的铣削力模型为最佳(如图1)。

　　二、铣削力大小及分布状况

　　在加工薄壁零件过程中，通过理论分析及实验检验，薄壁零件的加工变形主要由径向切削力引起。采用切削力模型来模拟计算铣削力大小及分布状况。由此，可得到如图2所示的瞬时径向切削力空间分布图。

图2瞬时径向切削力空间分布图 图3刀具和工件的有限元模型 图4工件沿刀具轴线方向各节点变形

(a)刀具不倾斜时         (b)刀具倾斜时

图5 刀具铣削示意图

图6 试件沿刀具轴线方向加工误差曲线

　　三、加工变形模拟分析

　　本文选择如图3所示的薄壁结构作为研究试件。工件材料为7075-T6，杨氏模量E=77Gpa,泊松比g=0.33;刀具型号为F1832E.W.16.Z3.26.45.W

　　对于加工变形的精确计算，需要综合考虑工件和刀具在切削过程中的加工变形大小。在建模过程中，可以将工件简化为一个底端带有固定约束的直侧壁来进行分析;而将刀具简化为一个悬臂梁。加载人切削力、约束以及输人材料特性参数，并根据加工精度要求划分单元网格(如图3)。

　　在 ANSYS中对其模拟分析加工变形情况，理论计算结果与实际加工测量结果如图4所示。显然，理论分析计算结果与实验结果基本吻合。

　　四、刀具偏摆数控补偿

　　通过加工变形模拟分析，得到的工件在加工过程中的变形分布状况和趋势。由于加工变形产生让刀误差，其结果必然产生一定的尺寸误差(如图5(a))。为了有效补偿这种因上件刚性不足而产生的加工变形，可以让刀具偏摆一定的角度(如图5(b))。刀具偏摆数控补偿，即是根据模拟分析加工变形的大小，在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附加连续偏摆，补偿因变形而产生的让刀量。通过刀具偏摆数控补偿，可以将让刀残余材料基本切除，一次走刀即可保证薄壁件壁厚精度。