由于外形气动要求，航空结构件存在大量单向(直纹曲面)或双向曲面造型，基于结构特点，加工时常常需要大量应用五轴联动策略。常规零件或模具加工时，对曲面的处理多采用球面拟合行切的算法，通过减少步进距离以及密集的点分布策略来降低弦偏差，以达到高质量的加工表面。对于航空结构件而言，因其零件结构刚性弱，加工效率要求高等特点，行切方法可用范围小，通常只局限于底部造型和底角连接处的清根操作，而对于侧壁轮廓，特别是薄壁结构无法实现。

侧刃拟合加工是针对直纹曲面侧壁造型的一种有效方法，“S件”机床性能测试即基于此方法提出，与球面行切的方式相比，侧刃拟合加工精度要求更偏重于刀轴矢量插补的形式和密度，而非刀位点分布。这样的加工方式对机床五轴联动的精度和运动性能都有较高的要求，因此被用作机床性能测试的一项标准。相对而言，双摆轴形式的机床，虽然在行程上受限较大，但对于矢量插补有着更好的适应性，而常用的转轴-摆轴机床，则需要在短时间、短距离内执行大量的变角运动，往往导致加工表面出现过欠切现象。因此为了更好加工拥有此类结构特点的零件，Zimmermann公司专门推出了一款6轴设备，以同时满足矢量插补准确和行程范围足够的要求。

侧刃拟合加工的另一个挑战在于加工侧壁面的高度和转角，因其加工刀具直径受到结构造型转角的限制，而刀具有效加工长度受到侧壁高度的限制，加工刀具的刚性常常成为瓶颈。锥度铣刀(铅笔刀和燕尾刀)的使用，以圆锥侧刃替代圆柱侧刃(有效运算接触都是一条直线)，通过圆锥段的角度，一是实现了刀柄处的避让，二是可以选择直径更大刀柄来增强刀具刚性，三是圆锥前端的球头可以加工出较小的底角或转角。这种刀具造型的应用，实现了短刀加工深腔、一刀多用同时实现侧壁加工和清根、以及用侧刃拟合加工底面，为五轴联动加工的多样化提供了便利。

分段圆弧轮廓铣刀在锥度铣刀的基础上，将圆锥体轮廓圆弧化，形成类似水滴造型(图1)，因此也被称作水滴刀。相对普通锥度铣刀，分段圆弧铣刀有着更高的加工灵活度，为侧壁形面加工开启了新思路。

图1 分段圆弧轮廓铣刀

分段圆弧铣刀加工原理

分段圆弧铣刀加工原理包括以下几点：

第一，侧向倾角。由于分段圆弧铣刀轮廓为非直纹锥面，因此与侧壁切点可随着刀具侧向倾角变化在圆弧轮廓上下移动，为了方便计算，将刀尖球头设为0，简化刀具轮廓，刀具包含参数：上端半径(刀柄半径)r，锥度θ，轮廓圆弧半径R，侧向可偏移倾角δ。

第二，转角避让。锥度铣刀加工侧壁时，由于是全刃接触，侧刃加工只能通过比自身上端半径大的转角(当侧壁面足够高时)，对于更小的转角，实际改由刀尖球头行切。分段圆弧铣刀因为侧倾角可调整，相对锥度铣刀而言，可获得更大的避让间隙，因此也能通过更小的转角。

第三，表面光洁度。分段圆弧铣刀应用的是圆弧拟合曲面模式，因轮廓圆弧半径较大，采用分层铣削时，理论表面残留较球头刀而言要小很多。

第四，五轴联动机床运动分析。在TEBIS CAM平台，分别使用标准立铣刀D10和分段圆弧铣刀D10R50RT2对标准S件进行侧边五轴联动加工编程(图2)。分析程序过程中，机床转轴C、摆轴A/B随时间运动。采用立铣刀进行侧壁加工时，在S面中段，机床的转轴和摆轴在短时间和距离内都出现了大幅度的转动，这也是S件测试常出现加工缺陷的区域。

图2  S件侧壁面

分段圆弧铣刀编程

分段圆弧铣刀编程步骤为：

第一，刀具创建。真实轮廓刀具的支持是采用该类刀具进行编程的前提，TEBIS软件可以直接读取刀具轮廓，并按照真实造型在工件表面计算接触点(图3)。

图3  TEBIS刀具真实轮廓和造型

第二，侧倾角驱动。侧倾角驱动分为被动式和主动式，被动式驱动由定义好的刀轴和工件表面计算接触点，只需要刀具造型真实，接触点就是唯一且确定的。三轴加工、定角度加工以及刀轴驱动式五轴联动加工都属于被动式侧倾角驱动。TEBIS支持主动式侧倾角驱动，可以选择根据侧壁高度自动调节侧倾角，以满足避让和加工余量均匀的要求。

第三，螺旋样件加工验证。螺旋样件表面为扭转直纹面，有着非常典型的航空结构件特点和代表性。使用分段轮廓刀具、五轴联动策略加工零件表面，层进0.4 mm，加工结果，零件表面光洁度达到Ra 0.8以上(图4)。

图4 螺旋样件数模与加工实物

相较于传统侧壁加工采用的立铣刀、球头刀和锥度铣刀，分段圆弧铣刀配合五轴联动策略侧壁加工方法有其特点和优势。

相对于立铣刀、锥度铣刀侧壁加工，分段圆弧铣刀有着更广泛的适用性，可用于加工更高(深)的侧壁，加工更小的转角，以及一次性同时加工侧壁和底角。对扭转直纹面变角区域进行加工时，可以有效减少机床转轴/摆轴运动的幅度。同时，由于轮廓弧度的存在，分段圆弧刀具可以对较平坦的凹型鼓形面进行加工，而立铣刀仅能加工凸性鼓形面。

相对球头刀行切加工，分段圆弧铣刀可以实现更高的加工效率，更高的表面加工品质。侧刃加工的方式可以有效减少薄壁零件的让刀回弹，减少零件变形，针对航空结构件加工要求有更大的优势。