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摘要：在机加工毛坯中，铸造毛坯占据较大的比例，为保证铸件的内部质量，部分浇冒口处于后续机加工部位，通过切割碳刨等方式处理后，加工面上的切割残留常常高低不平，余量差异较大，使用常规的数控切削方式加工易形成大量空刀，且切削过程中刀具与工件的冲击明显，造成刀具损耗。因此在数控加工中，如何平稳高效地加工这种大余量不均匀毛坯成为一项的难点。本文从数控刀具在常规切削方式下的切削过程出发，分析了数控刀具在大余量不均匀毛坯切削中易出现的一些问题，并抽象出不同形态的大余量不均匀毛坯，针对不同的毛坯形态，创新性地引入摆线加工方式，有效解决了大余量不均匀毛坯在数控加工中的难题。
关键词：毛坯余量；摆线加工；材料去除率
1.数控刀具的切削过程
1.1顺铣和逆铣
如图1所示为顺铣的铣削过程，刀具旋转时刀齿的方向与进给方向相同，刀尖与工件开始接触时切削厚度最大，离开工件时厚度最小，因此顺铣切削时刀尖切入工件不易打滑，刀尖离开时切削平稳，外在则反映为机床运行平稳，加工表面质量良好，是最常用的切削方式。
如图2为逆铣示意图，刀具旋转方向与进给方向相反，刀尖切入工件时的厚度最小，离开时最大，刀尖在接触工件时有一段为打滑状态，而离开工件的瞬间由于切削厚度最大，刀具承受的载荷最大，容易出现刀具振动，该方式对刀片后角磨损较大，加工后表面质量相对较差，加工时机床振动明显，通常切削加工时较少采用逆铣方式。
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图1 顺铣
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图2 逆铣
1.2铣刀切入工件的位置
铣刀的每一次切入，切削刃都要经受一次或大或小的冲击负载，如果这种冲击负载超过刀具承受的限度，刀片将会破损。而铣刀切入工件时的起始位置是决定冲击负载大小的重要因素，如图3所示为刀片切入工件时两种不同的切入方式，其中(a)为刀尖切入工件，（b）为切削刃中段切入工件，相较而言，由刀尖切入工件时的剪切力明显小于切削刃中段切入工件的方式，切削时的冲击负载也比较小。同时，由图示可见，在铣刀的前角组合相同的情况下，铣刀切入工件位置的不同外在的表现为刀具的切削宽度不同，根据经验，切削宽度与刀具直径之间的关系为2/3（0.67）-4/5（0.8）（切削宽度/刀具直径），而在加工拐角等情况时就非常容易出现刀具与工件之间包角过大的情况，其本质上也是切削宽度过大造成较大的冲击负载。
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（a） （b）
图3
1.3大余量不均匀毛坯的切削
当铸件毛坯余量不均匀且波动范围较大时，铣刀每次切入工件的位置都不相同，刀具承受的冲击负载波动较大，当采用小的切削用量以保证刀片承受的载荷在承受范围内切削时，又形成大量空刀，降低材料切除率；当不均匀的毛坯余量超过刀具铣削宽度时，如槽类铸件两侧的余量，若采用直接开槽的铣削方式加工两侧余量，实际切削时则为顺逆铣结合的方式，加之刀具每次切入工件的冲击负载不同，易形成明显的振动，同时刀具和工件之间的接触时间长、切削温度升高，从而加剧刀具的损耗。
2.不同形态的大余量不均匀毛坯
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图4 图5
如图所示为3种常见的不同形态的大余量不均匀铸件毛坯，需要加工切除的部分使用浅色模型表示，这种加工表面的不均匀余量多为铸件浇冒口的切割残留。为后续分析方便，将图4、图5、图6表示的三种大余量不均匀毛坯状态分别定义为平面类、圆环类和槽类，其
中圆环类不只限定为圆形空腔，其他形状的封
闭空腔也包含在此类型中，这3种毛坯形态可以作为常见的大余量不均匀毛坯的基本构成。
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图6
3.摆线加工
摆线加工是以圆形移动方式沿指定路径摆动，逐渐切除毛坯中的材料，避免刀具以全刀宽切削的一种加工方式。与传统加工不同，摆线铣加工过程中刀具与工件形成的包角一直处于较小的状态，径向的切削深度从零开始逐渐增加到最大，然后再逐渐减小到零，切削力也经历着从零增大到再减小的过程。
摆线切削过程中刀具在公转一周的过程中处于切削状态的时间较少，但是这种切削方式下刀具疲劳破坏的可能性非常小，刀具向前摆动切削材料，向后摆动带走切屑，降低了刀具的切削负荷，刀具有充分的时间冷却，大大改善了切削条件，因此可以采用比常规铣削方法更大的轴向切深和更高的切削速度以提高材料去除率。
近年来，摆线铣加工技术随着数控机床性能的提高以及摆线加工理论的完善快速发展，国内外工业界对摆线加工技术的应用也逐渐增多，特别是在航空航天领域中常用的高温合金、钛合金等难加工材料的加工中已经广泛应用。
4.加工实例
如图7、图8、图9为分别对3种不同形态的大余量不均匀毛坯使用摆线加工编程生成的刀具路径，对比图4、图5、图6中的毛坯状态可以看出，这种刀具路径以圆形移动沿直线、圆或部件边缘的方向摆动，将毛坯工件中要切除部分的材料沿垂直于刀具摆动的方向分成均匀厚度的切削层，在刀具摆动的过程中逐层切除，避免了毛坯不均匀引起切削力的较大波动，造成加工过程中的振动和刀具的损耗。在同等切削深度下若采用通常的切削方式，以平行于部件边缘逐层切削，考虑到毛坯余量的最高点，必定形成大量的空刀；若减小切削深度逐层切削以减小加工空行程，在需要大切深加工的情况下材料切除率远低于利用刀具侧刃作大切深的加工方式。因摆线加工切削力相对稳定、排屑顺畅、冷却充分，具有良好的切削条件，利用摆线加工大切深高转速的特点，在加工大余量不均匀毛坯时，往往比传统的切削方式具有更高的材料去除率，且刀具损耗明显降低。
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图7
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图8 图9
5.结束语
摆线铣削主要目的是在充分满足径向切深的情况下避免槽铣、拐角铣等全浸入式铣削，以减少刀具的磨损、延长刀具的使用寿命，作为一种新的加工方式，已经演变出“旋风铣”、“高速动态铣”等新的加工理论，并在汽车、航空航天等领域的生产加工中逐渐应用。本论文从刀具切削的基本过程和摆线加工的基本原理出发，创新性地将摆线加工应用于大余量不均匀毛坯的切削加工中，在车间的实际生产中也多次使用，取得了良好的效果。随着数控机床性能的不断提高和摆线加工技术的深入研究，摆线加工必将出现更大的应用空间。
参考文献：
[1] 发那科 FANUC Oi-M 加工中心系统操作说明书[M].
[2] 杨晓. 数控铣刀选用全图解[M]. 北京: 机械工业出版社,2015.
[3] 杨宗斌. 机械加工基础[M]. 北京: 机械工业出版社,2013.
[4] 张益芳. 金属切削手册[M]. 上海科学技术出版社,2011.
作者简介：
常金院，男，1993.03，籍贯甘肃省静宁县，助理工程师，机械设计制造方向。