摘 要：大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等國(guó)家戰(zhàn)略裝備引擎廣泛使用復(fù)雜曲面內(nèi)腔類(lèi)零件，該類(lèi)零件具有側(cè)壁扭曲、整體內(nèi)扣、深窄等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，難以采用傳統(tǒng)平面分層銑削方法高效加工制造。為攻克該類(lèi)零件的高效加工制造難題，根據(jù)該類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分層銑削加工的基本原理提出一種通過(guò)等距偏置線(xiàn)劃分銑削層的方法，簡(jiǎn)稱(chēng)等距偏置分層法。首先，以等距偏置分層法和平面銑削層劃分方法為基礎(chǔ)分別規(guī)劃復(fù)雜曲面內(nèi)腔粗加工工藝方案；其次，進(jìn)行數(shù)控仿真和加工實(shí)驗(yàn)，隨之對(duì)比分析兩種分層方法的優(yōu)缺點(diǎn)；最后，使用工藝方案評(píng)價(jià)模型選出更適合復(fù)雜曲面內(nèi)腔粗加工的分層方法。經(jīng)計(jì)算，等距偏置分層法的評(píng)價(jià)結(jié)果（Evaluation Results，ER）為0.99028，高于平面分層法的評(píng)價(jià)結(jié)果0.77291，這表明等距偏置線(xiàn)分層方法更適合復(fù)雜曲面內(nèi)腔的高效粗加工。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜內(nèi)腔；銑削層；分層方法；加工仿真；工藝評(píng)價(jià)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TG54" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1007 - 9734 （2024） 06 - 0018 - 08

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)際形勢(shì)日趨復(fù)雜，航空裝備引擎競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈，國(guó)外的GE公司、RR公司、普惠公司等均已實(shí)現(xiàn)航空引擎用復(fù)雜曲面內(nèi)腔零件的高效、精密制造，并成功用于GE-90、F119和PS-90等知名航空引擎上。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者們[1-3]對(duì)復(fù)雜曲面內(nèi)腔類(lèi)零件（如圖1所示）的高效精密制造研究主要集中在典型零件的加工或加工可行性方面，對(duì)于其高效粗加工的研究較少。而且現(xiàn)有的研究主要通過(guò)平面分層方法實(shí)現(xiàn)低效加工，明顯落后于國(guó)外先進(jìn)水平。通過(guò)對(duì)該類(lèi)零件結(jié)構(gòu)的分析可知，其高效粗加工的主要困難在于需要多次調(diào)整刀軸、粗加工效率極低以及易過(guò)切且存在切削死角。本文擬通過(guò)多軸分層銑削粗加工方法解決該問(wèn)題，那么合理劃分復(fù)雜曲面內(nèi)腔粗加工的銑削層就成為本文的核心研究?jī)?nèi)容。文章首先分析銑削層劃分的基本理論，然后規(guī)劃內(nèi)腔分層銑削加工工藝方案，借助仿真軟件和加工試驗(yàn)對(duì)比分析不同的工藝方案，最后構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型優(yōu)選高效精密的銑削層劃分方法。

1 內(nèi)腔分層方法工藝方案規(guī)劃

1.1" 復(fù)雜曲面內(nèi)腔粗加工分層方法

1.1.1 銑削層劃分的基本理論概述[4]

（1）插值中間銑削分層面

已知工件面[S0]和毛坯面[Sn]，如圖2所示，首先根據(jù)切削層間距插值中間若干個(gè)分層曲面[Si] （i=1，2，3，…，n-1），然后分別在分層曲面[S0] ～ [Sn]上規(guī)劃刀具路徑進(jìn)行加工。插值中間分層面的流程大致如下：

1）重構(gòu)面[S0]和[Sn]，使之成為參數(shù)完整的NURBS（Non uniform rational B-spline，NURBS）曲面，分別記為[S0（u，v）]和[Sn（u，v）]。

2）按插值精度在[S0（u，v）]和[Sn（u，v）]上劃分參數(shù)網(wǎng)格，網(wǎng)格交點(diǎn)分別記為[S0（uj，vk）]、[Sn（uj，vk）]，其中j=0，1，2，…，l；k=0，1，2，…，m。

3）使用[S0（uj，vk）]、[Sn（uj，vk）]點(diǎn)插值出點(diǎn)[Si（uj，vk）]，可采用最常見(jiàn)的線(xiàn)性插值，如式（1）所示，其中參數(shù)λ和劃分的切削層數(shù)有關(guān)。

[Si（uj，vk）=λS0（uj，vk）+（1-λ）Sn（uj，vk）] （1）

4）求出所有插值點(diǎn)[Si（uj，vk）]，構(gòu)造（l+1）×（m+1）階NURBS曲面[Si（uj，vk）]，即中間分層曲面。

（2）漸變角度平面分層

該方法劃分的切削層是平面，各分層面的法矢[ni]都共面且相鄰層的夾角α固定，如圖3所示。劃分此類(lèi)分層面，首先要確定相鄰層的夾角α，然后保證相鄰層法矢滿(mǎn)足式（2）。一般還要保證相鄰層間對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的距離d相同。若相鄰層的夾角α[≡0]，則稱(chēng)為平行平面分層，如型腔銑、平面銑都采用這種分層方法。

[α=ni?ni-1nini-1] （2）

1.1.2 基于等距偏置線(xiàn)劃分銑削層的方法

某型號(hào)航天引擎零件屬于復(fù)雜曲面內(nèi)腔，其粗加工要去除的區(qū)域如圖4所示，底面是變半徑弧面，側(cè)壁是復(fù)雜扭曲且內(nèi)扣的自由曲面。粗加工主要去除[Ω]區(qū)域，該區(qū)域占內(nèi)腔體積的95%以上，本文主要研究[Ω]區(qū)域高效粗加工的銑削分層方法。根據(jù)銑削分層方法的特點(diǎn)可知，從分層面對(duì)最終零件面的仿形性來(lái)看，同軸回轉(zhuǎn)分層面仿形性最好，但是復(fù)雜曲面內(nèi)腔的最終零件面是非回轉(zhuǎn)面。從刀具的剛性來(lái)看，漸變角平面分層和插值中間曲面分層的層間距離d不均勻，對(duì)刀具剛性[5]構(gòu)成巨大的挑戰(zhàn)。平行平面分層是一個(gè)可選的方法，但其對(duì)最終零件的仿形性較差，需要補(bǔ)加工，且零碎分層面極大地降低了加工效率。

鑒于復(fù)雜曲面內(nèi)腔零件的工藝特點(diǎn)，本文提出一種通過(guò)等距偏置分層線(xiàn)構(gòu)建分層面的方法，所構(gòu)建的分層面具備良好的仿形性，可杜絕不必要的零碎分層面且層間距離恒定。其構(gòu)建方法流程如圖5所示。

1）將內(nèi)腔底部輪廓曲線(xiàn)和邊界曲線(xiàn)沿矢量ProjDir（投影方向）投影至平面[Hp]，投影曲線(xiàn)記為[LS0]和BC。

2）以曲線(xiàn)BC為邊界等距偏置曲線(xiàn)[LS0]得到分層線(xiàn)[LSi] （i=1，2，3，…），直到某一分層線(xiàn)[LSi]的下一偏置曲線(xiàn)[LSi+1]和邊界曲線(xiàn)BC無(wú)交點(diǎn)，則停止偏置。

3）將分層線(xiàn)[LSi]沿矢量ProjDir投影至內(nèi)腔曲面G0和D0，得到投影曲線(xiàn)。

4）使用3）中獲取的成對(duì)投影曲線(xiàn)構(gòu)建切削分層曲面[RLlot]。

1.2" 復(fù)雜曲面內(nèi)腔粗加工工藝方案規(guī)劃

由1.1節(jié)中內(nèi)腔粗加工分層方法的論述知可行的分層方法有兩種：平行平面分層和等距偏置線(xiàn)分層。針對(duì)某型號(hào)航天引擎復(fù)雜曲面內(nèi)腔零件，基于兩種切削層劃分方法，分別規(guī)劃復(fù)雜曲面內(nèi)腔粗加工工藝方案。兩種分層方法劃分的切削層如圖6所示，除特別說(shuō)明，本文中切削層皆為刀心層[6]。

首先，根據(jù)內(nèi)腔最窄處的開(kāi)口程度確定刀具尺寸，使刀具既可在腔體內(nèi)自由切削運(yùn)動(dòng)又便于刀軸控制。使用文獻(xiàn)[7]中的方法設(shè)計(jì)刀具，刀具的部分參數(shù)見(jiàn)表1。然后在兩種切削層上按等殘留高度法分別規(guī)劃刀具路徑，并按文獻(xiàn)[8]提出的方法規(guī)劃刀軸可行域。

為了便于刀具磨損對(duì)比，本文選用的切削參數(shù)比實(shí)際加工的切削參數(shù)偏大，兩套工藝方案的切削參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。其中每個(gè)切削層中間開(kāi)槽一刀（即第一刀）的進(jìn)給速度F、轉(zhuǎn)速S和切深[ap]單獨(dú)給出，其余各刀路進(jìn)給速度F、轉(zhuǎn)速S和切深[ap]相同。同一層的刀路行距L按設(shè)定的殘留高度[δh]由式（3）計(jì)算確定。考慮到切削層間距離[Ld]恒為刀具半徑，層間余量的去除采用多層刀路的方式，上一層刀路刀位點(diǎn)沿著刀軸方向投影至下一層生成刀位點(diǎn)，第一刀分為6層，其余刀路為3層。

[Lmax≤22Rδh/1-Rkpc] （3）

式（3）中，[R]為刀具球頭半徑；[kpc]為沿切削行步進(jìn)方向的主曲率。

隨后選擇坯料、裝夾方式和數(shù)控設(shè)備。本文中毛坯選用36 mm×46 mm×90 mm方塊TC4坯料，使用臺(tái)鉗定位夾緊，裝夾姿態(tài)如圖7所示，加工坐標(biāo)系選在夾具角點(diǎn)上。擬選用搭載海德漢iTNC530數(shù)控系統(tǒng)的五軸搖籃加工中心進(jìn)行仿真與加工。

準(zhǔn)備工作完成之后，采用UG NX 7.5軟件的CAM模塊進(jìn)行多軸數(shù)控編程，兩套工藝方案的刀具及夾持長(zhǎng)度、檢查幾何及檢查余量、進(jìn)退刀、快速移動(dòng)等工藝參數(shù)都設(shè)為相同。刀具軌跡生成后，如圖8所示，使用本團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用后置處理軟件處理所有刀位文件（*.cls）生成NC程序。

2 平行平面與等距偏置線(xiàn)分層加工工藝對(duì)比

2.1" 兩套分層工藝方案的加工仿真及分析

2.1.1 仿真參數(shù)設(shè)置

（1）選用搭載海德漢iTNC530數(shù)控系統(tǒng)的XYZAC搖籃式五軸加工中心為仿真設(shè)備。

（2）將毛坯模型、設(shè)計(jì)模型和夾具模型導(dǎo)入仿真環(huán)境。

（3）把后置處理好的NC程序?qū)敕抡姝h(huán)境中。

（4）按表1刀具參數(shù)完成仿真用刀具建模，刀具文件命名為BR3C3.tls。

（5）設(shè)置工件坐標(biāo)系，安裝工裝并找正毛坯。

設(shè)置完成后，工裝、刀具和機(jī)床如圖9所示。

2.1.2 仿真過(guò)程及結(jié)果分析

（1）基于等距偏置線(xiàn)分層工藝方案仿真分析

按照2.1.1中闡述的仿真參數(shù)設(shè)置，首先，進(jìn)行等距偏置線(xiàn)分層的工藝方案仿真。其仿真過(guò)程、仿真結(jié)果和過(guò)切或余量殘留依次如圖10（a） ～ （c）所示。其中圖10（a）中的Csys1是本次仿真的加工坐標(biāo)系。余量殘留或過(guò)切檢查的公差設(shè)為0.01 mm，圖10（c）中藍(lán)色區(qū)域表示殘留，紅色區(qū)域表示過(guò)切，從圖中可以看出復(fù)雜曲面內(nèi)腔底面幾乎無(wú)過(guò)切或余量殘留，說(shuō)明該分層方法的仿形性較好。圖10（b）中每種顏色是一個(gè)銑削層上加工的區(qū)域，可以看出該分層方法無(wú)非必要的零碎分層面。

結(jié)合仿真報(bào)告和仿真結(jié)果圖，整理得到表3數(shù)據(jù)。本文后續(xù)使用表3中的數(shù)據(jù)構(gòu)建分層方法評(píng)價(jià)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)決策。表3中的WIP（Workpiece In Process）是NC程序仿真完的工序模型，可以看出殘留或過(guò)切狀況。

（2）基于平行平面分層的工藝方案仿真分析

仍然使用前述的仿真設(shè)置進(jìn)行基于平行平面分層的工藝方案的加工仿真。該方案的仿真過(guò)程、仿真結(jié)果和過(guò)切或殘留依次如圖11（a） ～ （c）所示。

從圖11（a）可知，本次仿真仍然以Csys1為加工坐標(biāo)系。圖11（b）中，每種顏色表示一個(gè)切削層上的加工區(qū)域，可以看出存在一定量的零碎分層面，這可能會(huì)降低加工效率。余量殘留或過(guò)切檢查公差設(shè)為0.01 mm，圖11（c）中藍(lán)色區(qū)域表示余量殘留，紅色區(qū)域表示過(guò)切，從圖中可以看出復(fù)雜曲面內(nèi)腔底面有過(guò)切現(xiàn)象，臺(tái)階狀殘留現(xiàn)象明顯，說(shuō)明該方法仿形性不佳。

為更加準(zhǔn)確掌握復(fù)雜曲面內(nèi)腔底面殘留的分布情況，使用VERICUT 8.0自動(dòng)比較模塊中的“曲面”比較模式對(duì)比仿真WIP模型和設(shè)計(jì)模型，結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯觯瑥?fù)雜深窄內(nèi)腔底面有過(guò)切現(xiàn)象，內(nèi)腔底面上存在幾處殘留余量超過(guò)1 mm的殘留臺(tái)階（粉色區(qū)域），有相當(dāng)大的區(qū)域（藍(lán)色區(qū)域）殘留余量超過(guò)0.5 mm，其他區(qū)域基本符合工藝方案設(shè)置。由此可見(jiàn)，層間距一定時(shí)，平面分層方法的WIP仿形性較差，精加工前要進(jìn)行補(bǔ)加工。

整理得到仿真數(shù)據(jù)如表3所示，與等距偏置線(xiàn)分層方法相比，程序數(shù)量多1個(gè)，程序存儲(chǔ)多56 KB，加工仿真時(shí)間多11min59s，加工仿真去除體積少136.57 mm3，有過(guò)切且臺(tái)階殘留比較明顯。

2.2" 兩套分層工藝方案的加工驗(yàn)證及分析

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，按照規(guī)劃的工藝方案進(jìn)行加工試驗(yàn)，加工參數(shù)、裝夾方式、NC加工程序、加工刀具等和加工仿真設(shè)置均相同，其中五軸加工中心為搭載海德漢iTNC530數(shù)控系統(tǒng)的大連三壘SVW80B，刀具為全新硬質(zhì)合金錐度刀。加工前，將兩把新刀編為1號(hào)和2號(hào)，分別用于平行平面分層工藝方案及等距偏置線(xiàn)分層工藝方案的加工，并使用Alicona刀具掃描儀的20倍鏡觀(guān)察兩把刀，如圖13所示，其中第一后刀面原始寬度為395.6 μm。

加工過(guò)程整體平穩(wěn)，試件的加工過(guò)程和加工效果如圖14所示，其中，圖（b）和（c）是等距偏置線(xiàn)分層工藝方案的加工結(jié)果，圖（d）和（e）是平行平面分層工藝方案的加工結(jié)果。通過(guò)和VERICUT仿真結(jié)果對(duì)比可知，兩個(gè)試件內(nèi)腔的過(guò)切或殘留分布狀況和加工仿真結(jié)果吻合，等距偏置線(xiàn)分層加工試件內(nèi)腔底部沒(méi)有可見(jiàn)的殘留，而平行平面分層加工試件內(nèi)腔底部臺(tái)階殘留明顯可見(jiàn)，精加工前需補(bǔ)加工。

除去加工輔助時(shí)間后，經(jīng)計(jì)時(shí)測(cè)算得出等距偏置分層工藝方案加工時(shí)間為1h3min53s，平行平面分層工藝方案加工時(shí)間為1h16min29s，和加工仿真時(shí)間對(duì)比（見(jiàn)表3）可知，兩套工藝方案的實(shí)際加工時(shí)間都略長(zhǎng)，平行平面分層工藝方案比等距偏置線(xiàn)分層工藝方案加工時(shí)間多12min36s。

使用相同倍率下觀(guān)察實(shí)驗(yàn)后的1、2號(hào)刀具，刀具刃磨損狀況見(jiàn)圖15、圖16，具體破損數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

由實(shí)驗(yàn)后刀具刃破損狀態(tài)圖（圖15、圖16）和表4可知，平行平面分層加工所用1號(hào)刀，4個(gè)刀刃均破損，而且十分嚴(yán)重，而等距偏置線(xiàn)分層加工所用2號(hào)刀，第2個(gè)刃無(wú)破損，另3個(gè)刃均破損但程度沒(méi)有1號(hào)刀具嚴(yán)重?？傊?，平行平面分層加工比等距偏置線(xiàn)分層加工的刀具破損更嚴(yán)重。

3 復(fù)雜曲面內(nèi)腔粗加工銑削分層方法優(yōu)選

3.1" 復(fù)雜曲面內(nèi)腔粗加工工藝方案評(píng)價(jià)模型

復(fù)雜曲面內(nèi)腔粗加工工藝方案的評(píng)價(jià)要考慮多種因素[9]，如加工效率（Processing Efficiency，PE）、工序模型WIP、余量殘留或過(guò)切狀態(tài)（Residual Material State，RMS）、毛坯實(shí)際去除體積Vr、刀具的磨損程度（Tool Wear，TW）等，本節(jié)圍繞上述幾個(gè)因素構(gòu)建評(píng)價(jià)模型。

3.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

有些影響因素?zé)o法或者很難直接精確定量描述，如WIP的余量殘留或過(guò)切狀況RMS、刀具的磨損程度TW等，本文從其主要特征出發(fā)對(duì)其進(jìn)行量化。對(duì)于WIP的余量殘留或過(guò)切狀況RMS，本文參照粗糙度的定義對(duì)RMS既考慮平均殘留高度（或過(guò)切深度）[hr]，又兼顧殘留或過(guò)切的區(qū)域面積[Sr]進(jìn)行刻畫(huà)，如式（4）所示，flag值則通過(guò)式（5）確定。顯然，過(guò)切時(shí)RMS小于0，殘留余量時(shí)RMS大于0。刀具磨損程度TW與很多因素[10]有關(guān)，本文僅通過(guò)刀具最大磨損量（Maximum Wear，MW）和實(shí)際去除體積Vr的比值來(lái)刻畫(huà)刀具的磨損程度TW，如式（6）所示。

[RMS=（-1）flag×cos10（hrLd×SrS0×3π2）] （4）

式（4）中，[Ld]為層間距離；[S0]為內(nèi)腔底面積。

[flag=1，hr為過(guò)切深度0，hr為殘留高度] （5）

[TW=MWVr=maxVBiVr] （6）

式（6）中，VBi表示刀具第i個(gè)齒的磨損寬度，最大取第一后刀面寬度VB0。

有些影響因素本身可以定量描述，如切削加工效率（Cutting Efficiency，CE）和毛坯實(shí)際去除體積 Vr等。切除體積一定的情況下，可以用加工時(shí)間定量描述加工效率，而更值得關(guān)注的是有效切削比（Effective Cut Ratio，ECR），其定義如式（7）所示。

[ECR=TCTS=Tf+TOTS=LfFf+LOFOTS] （7）

式（7）中，TC表示去料仿真時(shí)間，TS表示總仿真時(shí)間，Tf表示開(kāi)粗去料時(shí)間，TO表示其他去料時(shí)間，Lf表示開(kāi)粗刀軌長(zhǎng)度，Lo表示其他刀軌長(zhǎng)度，F(xiàn)f表示開(kāi)粗進(jìn)給速度，F(xiàn)O表示其他刀軌進(jìn)給速度。

設(shè)去除體積Vd一定，雖然通過(guò)對(duì)比實(shí)際材料去除體積Vr可以反映出不同工藝方案的材料去除效果，但沒(méi)有考慮去除材料體積的程度，本文通過(guò)切除材料比（Cut Material Ratio，CMR）來(lái)描述實(shí)際材料去除的程度，其定義見(jiàn)式（8）。

[CMR=VrVd] （8）

綜上所述，本文以有效切削比ECR、余量殘留或過(guò)切狀態(tài)RMS、切除材料比CMR、刀具磨損程度TW作為評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)模型。

3.1.2 綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

定義指標(biāo)全集X，由4種評(píng)價(jià)指標(biāo)組成，如式（9）所示。本文使用權(quán)重矢量W來(lái)描述各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度，如式（10）所示，并根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)及所處的工藝階段分配各指標(biāo)權(quán)重[11]。由于面向粗加工，應(yīng)盡可能提高切削時(shí)間占比，故有效切削比ECR的權(quán)重取最大。過(guò)切或余量殘留對(duì)后續(xù)工序影響很大，若殘留過(guò)大則需要補(bǔ)加工，若過(guò)切則要調(diào)整工序余量甚至報(bào)廢工件[12]，故殘留或過(guò)切狀況RMS權(quán)重次之。在工藝方案可行的情況下，提高切除材料比CMR、降低刀具的磨損程度TW是期望的方向，故它們權(quán)重較前兩者次之。根據(jù)具體情況，可以適當(dāng)調(diào)整權(quán)重矢量各元素的值。

[X=ECR，RMS，CMR，TW] （9）

[W=ω1，ω2，ω3，ω4][，i4ωi=1，ωi∈R] （10）

式（10）中，[ωi]是第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

本文使用ER表示評(píng)價(jià)結(jié)果，其定義如式（11）所示。正ER表示殘留，負(fù)ER表示過(guò)切，符號(hào)相同，ER值越大表示該內(nèi)腔粗加工工藝方案越好。至此，復(fù)雜曲面內(nèi)腔粗加工工藝方案綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建完畢。

[ER=X·WT] （11）

3.2" 基于評(píng)價(jià)模型優(yōu)選內(nèi)腔粗加工分層方法

3.2.1 計(jì)算兩套工藝方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)的值。

（1）有效切削比ECR的計(jì)算

經(jīng)測(cè)算，基于等距偏置線(xiàn)分層方法的工藝方案的Lf = 2314.65 mm，LO = 17699.67 mm，從表2可知Ff = 300 mm/min，F(xiàn)O = 450 mm/min，按照式（7）計(jì)算可得該工藝方案的ECR為0.79765，同樣的方法可算得基于平面分層方法工藝方案的ECR為0.68565。

（2）殘留或過(guò)切狀況RMS的計(jì)算

從圖10（c）和圖11（c）可知兩套工藝方案的WIP均總體呈余量殘留狀態(tài)，故flag取0。由表2可知層間距離[Ld]為3 mm。經(jīng)測(cè)算可得內(nèi)腔底面面積[S0]為274.54 mm2，底面上殘留體積為127.33 mm3，可以算得[hr]為0.46 mm。余量殘留區(qū)域占底面面積的比值即[SrS0]為46.51%。按照式（4）計(jì)算可得RMS為0.56233，同樣的方法可以計(jì)算出等距偏置線(xiàn)分層方法的工藝方案RMS為0.99998。

（3）切除材料比CMR的計(jì)算

經(jīng)測(cè)算，待去除體積Vd為14066.74 mm3，從表3可知基于等距偏置線(xiàn)分層方法的工藝方案實(shí)際去除體積[Vr]為13420.98 mm3，按照式（8）計(jì)算可得其切除材料比CMR為0.95409。同樣的方法可算得基于平面分層方法的CMR為0.94438。

（4）刀具磨損程度TW的計(jì)算

由圖16可知，基于等距偏置線(xiàn)分層加工的刀具磨損程度MW為296.7 μm，其實(shí)際去除體積[Vr]為13240.98 mm3，按式（6）計(jì)算可得TW為0.022408。同樣的方法可以算得基于平面分層方法的工藝方案的TW為0.029779。

3.2.2 為各評(píng)價(jià)指標(biāo)分配權(quán)重

考慮到刀具磨損程度TW與工藝方案優(yōu)劣負(fù)相關(guān)，所以本文中刀具磨損程度的權(quán)重取負(fù)值。本文中的權(quán)重矢量W取值如下：

[W={0.75，0.3，0.1，-0.15}]

3.2.3 基于兩種分層方法的工藝方案的評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算整理可得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的值，如表5所示。按照式（11）計(jì)算可得基于等距偏置線(xiàn)分層方法的工藝方案的評(píng)價(jià)結(jié)果ER為0.99028，基于平面分層的工藝方案的評(píng)價(jià)結(jié)果ER為0.77291，后者ER值較小，可知等距偏置線(xiàn)分層方法的工藝方案較好，即復(fù)雜曲面內(nèi)腔粗加工應(yīng)該選用等距偏置線(xiàn)分層方法。

4 結(jié) 論

本文提出一種更符合復(fù)雜曲面內(nèi)腔工藝特點(diǎn)的等距偏置線(xiàn)分層方法，通過(guò)加功仿真和加工實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析兩種方案，根據(jù)工藝數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建了內(nèi)腔粗加工工藝方案評(píng)價(jià)模型，可更加直觀(guān)地選擇分層方法。通過(guò)本文工作，可得如下結(jié)論：

（1）加工仿真和加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了等距偏置線(xiàn)分層方法加工時(shí)間更短，WIP仿形性更好，刀具磨損更??；

（2）評(píng)價(jià)模型計(jì)算得等距偏置線(xiàn)分層方法的ER值為0.99028，高于平面分層方法ER值0.77291，表明等距偏置線(xiàn)分層方法更好。

以上結(jié)論說(shuō)明，等距偏置線(xiàn)分層方法更適用于復(fù)雜曲面內(nèi)腔的分層銑削粗加工。

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責(zé)任編校：劉 燕，孫詠梅

Optimization of Layering Method for Rough Machining of

Complex Surface Cavity Milling

HOU Zhichao

（Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 201100，China）

Abstract： Complex curved surface inner cavity parts are widely used in national strategic equipment engines such as high thrust turbofan engines and gas turbines.These parts have structural characteristics such as sidewall distortion，overall internal buckle，and deep and narrow，making it difficult to efficiently manufacture them using traditional methods.To overcome the efficient machining difficulties of this type of part，a method of dividing milling layers through equidistant offset lines is proposed in this paper，abbreviated as equidistant offset layering method，based on the structural characteristics of this type of part and the basic principle of layered milling.In the paper，the equidistant offset layering method and the plane milling layer division method are used as the basis to plan the rough machining process plan for the inner cavity of complex surfaces.Then，numerical control simulation and machining experiments are carried out，and the advantages and disadvantages of the two layering methods are analyzed and compared.Finally，the process scheme evaluation model is used to select a more suitable layering method for rough machining of complex curved surfaces inner cavity.After calculation，the evaluation result value of the equidistant offset layering method is 0.99028，which is higher than the value of the planar layering method，which is 0.77291.The evaluation results indicate that the equidistant offset line layering method is more suitable for efficient rough machining of complex surface inner cavity.

Key words：complex cavity；milling layer；layering method；machining simulation；process scheme evaluation model